새샘(淸泉)
사이언스 선정 "2022년 올해의 10대 혁신 과학기술" 본문
사이언스 Science는 매년 말 그해를 빛낸 10대 혁신 과학기술 Scientific Breakthrough of the Year을 선정하여 발표하고 있다.
2022년 올해의 10대 혁신 과학기술 가운데 최고의 혁신 과학기술에는 제임스 웹 우주망원경 James Webb Space Telescope(JWST)이 뽑혔다.
나머지 9대 혁신 과학기술은 여러해살이 벼 품종, 창의적 인공지능, 초거대 미생물, 개발 막바지 단계인 RSV 백신, 다발경화증 원인 바이러스 규명, 미국의 획기적인 기후 법안 통과, 유럽인 유전자에서 흑사병 유산 발견, 지구와 충돌할 소행성 궤도 변경 성공, 2백만 년 전 DNA로 고대 생태계 재현 등이다.
1. 2022년 최고의 혁신 과학기술인 '금빛 눈 Golden eye'이라 불리는 제임스 웹 우주망원경(JWST)
'난산 끝에 화려하게 데뷔한 새로운 우주망원경'
2022년 7월 11일 조 바이든 Joe Biden 미국 대통령은 백악관에서 생방송으로 새로운 우주망원경으로 촬영한 그 '기적적인 miraculous' 첫 번째 영상을 공개했다.
바이든 대통령은 전 세계 수백만 명의 사람들과 함께 130억 년 전에 탄생한 은하를 포함한 수천 개의 은하가 부서지는 영상에 놀라면서 "이건 짐작조차 하기 힘든 일!"이라고 말했다.
이 영상들을 찍은 JWST는 NASA가 주도하고 유럽과 캐나다 우주기관의 도움을 받아 비교적 빨리 만들어진 금칠한 천문관측장치로서 '올해의 최고 혁신 과학기술'이란 영예를 받을 만한 충분한 자격을 갖췄다.
10억 달러의 비용이 들어 여태까지 우주로 쏘아올린 장비 중 가장 비쌀 뿐만 아니라 가장 복잡한 임무를 맡고 있는 JWST는 여러 번의 실패를 거듭하면서 20년이란 긴 세월이 지난 다음에야 드디어 성공한 것이다.
JWST는 우주를 150만 km 여행하는 한 달 동안 거대한 태양차단막 sunshield이 펼쳐지고 금빛 거울이 빛을 발하면서 새로운 위험을 맞이 했다.
이 위험을 극복하기 위해 우주기술자들은 총 344개의 중요 단계를 거쳐야 했는데, 만약 이 단계 중 하나라도 잘못된다면 JWST의 임무는 실패할 수도 있었던 것이다.
JWST가 지구에 보낸 첫 번째 자료와 영상만으로도 JWST의 가치는 충분히 증명되었다.
우주과학자들은 '사이언스'와의 인터뷰에서 그 영상들을 "아름답다!" "마음을 사로잡는다"고 표현했다.
그러면서 "마치 적외선 안경을 쓰고 우주를 새롭게 보는 것 같았다!"라고도 말했다.
그러나 첫 번째 영상들은 지구로 계속 보내올 영상들에 대한 힌트에 불과하다.
이는 역대 가장 큰 거울과 적외선에 민감한 장비들을 갖추고 있는 JWST가, 허블 Hubble 우주망원경을 포함한 이전의 훨씬 작은 우주망원경보다 우주 과거를 보다 깊숙이 들여다볼 것으로 기대되기 때문이다.
여태까지 우리가 그려왔던 우주 모습에 있어 JWST가 혁명을 일으킬 것이라는 데 의심의 여지가 거의 없으므로 '사이언스'는 JWST를 2022년 올해의 최고 혁신기술로 선정한 것이다.
2. 농사가 쉬워지는 여러해살이 벼 품종
쌀, 밀, 옥수수와 같은 세계의 주요 식량 작물은 수확할 때마다 새로 심게 된다.
같은 일을 해마다 계절마다 반복한다는 것은 노동력 증가에 따른 곡물 가격 상승 요인일 뿐만 아니라 토양 침식과 같은 환경 문제를 일으킬 수 있다.
2022년 중국에서 개발된 여러해살이 벼 품종은 농민의 노동력을 절감할 수 있음을 보여주었다.
여러해살이 벼 Perennial Rice 23(PR23)라고 불리는 이 품종은 아시아에서 판매되는 벼 품종과 아프리카의 야생 여러해살이 벼 품종을 교배해서 몇 년 전에 만든 이후, 수확량과 품질을 개선하는 데 20년 이상 걸렸다.
2018년 윈난대학교(운남雲南대학교) Yunnan University와 관련 기관의 연구원들은 PR23을 중국 농민들에게 공개하여 벼의 수확 횟수와 수확량을 비롯한 여러 장점을 알아보는 대규모 실험을 최종적으로 실시했다.
최종 실험 결과 PR23은 계절별로 정기적으로 심는 벼와 같은 양의 쌀을 수확했다고 연구팀은 과학 잡지 '네이처 지속가능성 Nature Sustainability'에 보고했다.
경작 첫 해는 심기와 재배 비용이 거의 같이 들었지만, 그 이듬해는 모내기할 필요가 없어졌다.
여러해살이 벼 덕분에 모내기 단계를 건너뛰면서 헥타르 당 작업량이 계절마다 최대 77일까지 줄어들고 작업비는 절반으로 줄어들었다.
여러해살이 벼를 심은 논의 토양 영양분도 증가했다.
그러나 5년째가 되자 쌀 수확량이 너무 많이 줄어들었기 때문에 여러해살이 벼를 다시 심어야 했다.
윈난대학교의 기술 지원과 정부 홍보에 힘입어 점점 더 많은 농부들이 PR23을 재배하고 있다.
2021년 중국 남부에 15,000헥타르 이상의 논에 여러해살이 벼가 심어져 2020년보다 4배 증가했다.
PR23 및 유사 벼 품종이 아프리카에서 시험재배되고 있다.
여러해살이 벼는 동남아시아의 계단식 논에서의 토양 침식을 줄일 수 있는 장점이 있다.
그러나 식물 육종가들은 아직도 건조하고 비옥도가 낮은 토양 환경에 적합한 벼 품종 개발이 필요하다고 말한다.
또한 전문가들은 여러해살이 벼를 심을 때 생길 수 있는 장기적 악영향을 걱정하고 있다.
그 중 한 가지는 잡초와 병원균이 많은 경작되지 않은 밭에 여러해살이 벼를 심을 경우 일반 벼보다 제초제를 더 많이 뿌려야 한다는 점이다.
또 다른 하나는 일반 벼보다 여러해살이 벼가 온실기체인 아산화질소를 더 많이 배출할 가능성이다.
따라서 여러해살이 벼 품종의 확산은 비용과 편익에 초점을 맞춰야 할 것이다.
3. 창의적 인공지능
인공지능 Artificial Intelligence(AI)은 예술적 표현과 과학적 발견 등 한때 인간만의 고유 영역에까지 침투하고 있다.
이런 영역에 대한 AI의 초기 침투 속도는 느렸지만 올해는 매우 빠른 속도로 바뀌고 있다.
AI는 기계학습을 통하여 온라인에서 문서 text와 영상 image의 쌍을 분석함으로써 새로운 문서를 기반으로 한 새로운 영상을 만드는 능력을 갖게 되었다.
2021년 오픈에이아이 OpenAI 연구소에서 만든 DALL-E라는 소프트웨어 시스템을 발표했는데, '아보카도 모양의 안락 의자'를 묘사한 글을 가지고 몇 가지 매력적인 영상을 만들어 내었다.
그리고 2022년 봄, OpenAI가 출시한 업그레이드된 DALL-E 2는 확산 diffusion이라는 기계학습 기술을 구현하는데, 이 기술은 문맥 context이나 문서 설명의 안내를 받은 '잡음 noise'에서 영상이 만들어진다.
DALL-E 2는 사실적이고 매혹적인 사진을 효율적으로 만들 수 있다.
이 밖에도 올해 몇 종류의 확산모델이 대중에게 공개되었으며, 이를 사용한 예술가가 미술 대회에서 우승함으로써 이에 대한 호기심과 함께 신랄한 비판을 불러 일으켰다.
같은 시기에 Meta, Google 등에서도 비디오를 제작할 수 있는 확산모델을 출시하기도 했다.
기계학습은 또한 과학, 수학 및 프로그래밍 분야에서 창의성을 과시하고 있다.
'사이언스'의 지난 해 2021년 올해의 혁신 과학기술은 아미노산 단위 구조 서열만으로 단백질의 3D 구조를 예측하는 AI가 그 영예를 안은 바 있다.
이 작업을 보다 확장시킴으로써 이제 AI를 이용해서 백신, 단위 재료, 나노 기계에 사용할 수 있는 완전히 새로운 단백질을 설계하고 있다.
'환상 hallucination'이라고 하는 불리는 기술은 임의의 염기서열에서 출발하여 수많은 돌연변이를 거치면서 다른 AI가 안정적인 단백질로 접힐 것이라고 확신하는 최적의 염기서열을 만들어낸다.
한편 딥마인드 DeepMind는 컴퓨터 그래픽, 물리 시뮬레이션 및 기계학습 자체에 유용한 연산인 행렬이라고 하는 숫자 블록을 곱하기 위한 보다 효율적인 알고리즘을 설계하는 알고리즘 AlphaTensor를 발표했다.
이는 인간 수학자들이 수십 년 동안 간과하고 있었던 지름길을 찾아낸 것이다.
또한 이 회사가 발표한 AlphaCode는 수에 관한 문제를 푸는 프로그램을 작성하는 알고리즘으로서, 후보 프로그램들을 먼저 만든 다음 기존에 사용되던 관련 모델을 전부 포함한 뒤 최적의 프로그램을 선정하게 된다.
즉 AlphaCode는 인간 프로그래머들과 함께 경쟁하는 셈이다.
실리콘이 이룬 이런 위업이 진정한 창의성으로 간주할 수 있는지에 대한 철학적 논쟁과는 별개로 실제적이고 윤리적인 기술이냐란 문제를 불러 일으키고 있다.
어떤 사람은 컴퓨터 코더 coder와 예술가들이 저작권을 위반하거나, 납판(연판鉛版) 제작을 영속화하거나, 가짜정보를 퍼뜨리거나 일자리를 없앨 것이라고 우려한다.
하지만 과거 베틀이나 카메라, 그리고 한 때 우릴 불안하게 만들었던 다른 발명품과 마찬가지로, 이런 창의적 AI를 활용하면 인간의 창의성이 확장될 것이라는 점은 의심의 여지가 없다.
4. 놀랍도록 거대한 미생물
2022년 생물학계를 뒤흔든 사건은 바로 복잡한 세포내 구조를 가진 거대한 세균의 발견이었다.
미생물이라면 현미경으로 볼 수 있을 정도의 작은 크기이지만, 임시로 티오마르가리타 마그니피카 Thiomargarita magnifica란 이름이 붙은 이 세균 bacteria 크기는 보통 세균의 무려 5,000배다.
제도용 압정(푸쉬핀 pushpin) 모양의 길다란 형태인 이 세균은 프랑스령 안틸레스 Antilles의 홍수림(맹그로브 mangrove) 늪에서 죽어가는 잎 표면에서 처음 발견되었다.
세균의 크기가 작아야 하는 이유는 세균 세포에는 별도의 물질수송계 없이 확산에 의존하여 영양분과 노폐물을 수송하는데, 확산 분자는 멀리 이동할 수 없으므로 세포 크기가 제한될 수밖에 없다는 것이다.
또한 교과서에는 세균은 보통 세포 내부 구획 internal compartment이 없다고 되어 있지만, 이 세균은 여러 개의 내부 구획을 갖고 있다고 연구자들이 보고했다.
이런 내부 구획은 1999년 나미비아 Namibia 해안에서 발견된 양귀비 씨 정도 크기의 세균에서도 확인된 바 있다.
초거대함과 내부 구획이란 특징 외에 이 세균의 DNA 역시 특이하다.
일반적인 세균의 DNA 즉 유전체는 핵과 같은 별도의 보호장치 없이 몇 메가베이스 megabase(Mb)에 불과한 작은 크기의(대장균 유전체 크기는 4.64Mb) 이중나선이 세포 안에 그대로 노출되어 떠 다니는 상태인 반면, 이 초거대 세균의 유전체는 12Mb에 달하는 거대한 크기뿐 아니라 페핀 pepin이라는 막 주머니에 포장되어 있다.
또한 일반 세균은 자신의 세포 에너지 즉 ATP를 세포막에서 생산하는데 비해, 이 초거대 세균은 세포질 속에 내부막을 가진 별도의 ATP 생산 기구를 갖고 있어 많은 양을 생산할 수 있다.
이 초거대 세균이 가진 유전체를 보관하는 페핀 막 주머니와 ATP를 생산하는 내부막 구조물을 세균처럼 핵이 없는 원핵생물 prokaryote에는 없는 구조로서, 핵을 가진 진핵생물에서만 발견되는 세포소기관 organelle에 해당한다.
따라서 생물학자들은 이 초거대 세균이 가진 막 구조물을 세포소기관과 구별하기 위해 '단백질 자루 bags of proteins'라고 부르면서 진핵생물의 세포소기관과 구별하고 있다.
생물학자들은 이 초거대 세균 티오마르가리타 마그니피카Thiomargarita magnifica가 원핵생물에서 진핵생물로 진화하는 과도기에 출현한 중간 단계의 생물일 것으로 추정하고 있다.
5. 개발 막바지 단계인 RSV 백신
호흡기 세포융합바이러스 Respiratory Syncytial Virus(RSV)에 대한 두 가지 백신의 대규모 임상시험 결과, 마침내 이 병원체의 감염으로 가장 타격이 큰 젖먹이(영아)와 노인을 안전하게 보호할 수 있는 것으로 나타났다.
이것은 두 백신에 대한 임상시험에서 심각한 부작용 없이 60세 이상 노인들의 RSV 감염을 예방했다.
또한 그 중 한 가지 백신을 임신 후기 산모에게 주사했을 때 6개월 동안 젖먹이가 RSV에 감염되지 않았기 때문에, 산모의 항체가 태아에게 전달되었기 때문으로 생각하고 있다.
RSV에 감염되면 대개 가벼운 감기 증상만 유발하지만, 아기는 바이러스가 폐의 작은 기도에 염증을 일으킬 수 있고 노인은 폐와 및 심장 상태를 한층 악화시킬 수 있다.
RSV 백신 개발은 50년 전 실시했던 임상시험에서 어린이 2명 사망과 백신 투여자의 80%가 입원하는 사고 이후 몇 십 년 동안이나 중단된 상태였다.
이후 과학자들이 밝혀낸 임상시험의 실패 원인은 다음과 같다.
RSV 전체 바이러스를 화학약품을 처리하여 불활성화되도록 만든 임상시험용 백신은 상대적으로 약한 항체만 유도함으로써 바이러스의 감염을 막지 못했을 뿐만 아니라 감염된 바이러스가 원인 모르게 기도를 손상시켰기 때문이었다.
개발 막바지 단계에 있는 새 RSV 백신은 2013년 미국 국립 알레르기 및 감염병 연구소 National Institute of Allergy and Infectious Diseases의 연구원들이 기존 백신의 부작용이 일어나지 않도록 개발한 것이다.
기존 백신의 부작용은 백신으로 사용된 바이러스의 표면 단백질이 기도의 세포 수용체와 결합하면서 표면 단백질 모양이 바뀌게 되는데, 이렇게 모양이 바뀐 백신 내 표면 단백질이 기도 세포와 융합됨으로써 기도 감염이 발생하는 것이었다.
따라서 RSV 백신 개발 연구팀은 RSV 바이러스의 표면 단백질이 세포 수용체와 결합하더라도 그 모양이 변하지 않고 원래 상태로고정시키는방법을알아내어 적용한 결과, 새 RSV 백신의 예방접종으로 훨씬 높은 수준의 강력한 항체가 형성되는 것이다.
GSK와 화이자 Pfize가 실시한 2022년 임상시험에서의 좋은 소식이 이 전략이 성공적임을 입증했다.
얀센제약 Janssen Pharmaceuticals과 바바리안 노르딕 Bavarian Nordic에서도 노인을 위한 RSV 백신의 효능 시험을 진행하고 있으므로 더 많은 결과가 나오게 될 것이다.
이들 두 가지 백신 모두 개발 초기 단계가 성공적이었다.
하지만 개발 회사들은 과거의 백신 임상시험 실패 때문에 여전히 소극적인데, GSK는 2022년 2월 임상시험에서 규명되지 않은 위험을 알리는 '안전 신호 safety signal'가 나타나면서 산모용 RSV 백신 개발을 중단한 상태이다.
그러나 현재까지 다른 회사들의 임상시험에서는 위험 신호가 보고된 바 없으며, 그 중 일부 후보 백신은 2023년에 세계 각국의 식품의약품 기관의 승인을 받을 수 있을 것으로 기대하고 있다.
6. 다발경화증 원인 바이러스 규명
방대한 군 의무기록을 바탕으로 하여 분석한 결과 사람의 면역 체계가 뉴런을 공격함으로써 생기는 질병인 다발경화증 multiple scelerosis(MS)은 일반적인 헤르페스바이러스 herpes virus가 그 원인이라고 2022년 보고되었다.
이 연구 결과는 전 세계 280만 명의 환자 중 일부는 흐려보임(흐린 시력), 피로, 무감각(저림) 등의 경미한 증상을 보이지만 또 다른 환자들은 점점 말할 수 없게 되거나 걸을 수 없게 되는 신비한 장애인 다발경화증을 치료하거나 예방하는 새로운 방법을 찾는 계기가 될 지도 모른다.
MS의 가장 유력한 병원체는 어린 시절 감염되어 특정 백혈구에 잠복해 있는 헤르페스바이러스 종류인 엡스타인-바 Epstein-Barr 바이러스이다.
주로 침을 통해 감염되는 이 바이러스는 새로이 감염된 십대 및 젊은 성인에게 흔히들 키스병 kissing diease라고 하는 감염단핵구증을 일으킬 수 있다.
MS 환자 거의 모두는 엡스타인-바 바이러스 항체를 가지고 있으며, 건강한 성인의 95% 또한 이 항체를 가지고 있어 엡스타인-바 바이러스 자체가 MS 원인이라고 단정하기 어려운 상황이다.
그래서 MS와 엡스타인-바 바이러스의 연관성을 확실히 파악하려고 역학자들은 천만 명 이상의 미군 신병의 20년간의 의무기록을 수집하고 저장된 혈액시료 일부를 분석했다.
MS에 걸린 801명의 군인 중 한 명을 제외한 전원이 걸리기 전에 실시했던 엡스타인-바 바이러스 양성 반응을 보였다.
그리고 당시 바이러스 음성이었던 군인들도 그 후 엡스타인-바 바이러스에 감염됨으로써 MS 위험이 32배 증가했다고 연구팀은 2022년 1월 '사이언스'에 보고했는데, 이런 엡스타인-바 바이러스 감염에 따른 MS 위험 증가율은 흡연으로 인한 폐암 위험 증가율을 뛰어넘는 것이다.
한편 다른 연구자들은 백혈구에 잠복 중인 엡스타인-바 바이러스가 재활성화됨으로써 신경 손상을 일으킬 수 있다고 '네이처'에 보고함으로써 또 하나의 기전이 밝혀졌다.
엡스타인-바 바이러스의 단백질 중 하나는 사람의 뇌와 척수에서 만들어진 단백질과 닮았는데, 이렇게 사람 단백질과 비슷한 바이러스 단백질이 우리의 신경세포를 감싸고 있는 껍질을 공격하도록 면역계를 속이는 것으로 보인다.
이런 추정은 다발경화증 환자의 약 20~25%는 혈액에 바이러스 단백질과 사람 단백질 양쪽 모두와 결합하는 항체를 가지고 있는 것으로 확인되었기 때문에 가능한 것이었다.
이러한 사실들을 토대로 엡스타인-바 바이러스를 표적으로 삼아 MS 치료 약물을 개발하려는 노력에 박차를 가하고 있다.
그리고 현재 임상시험 중인 엡스타인-바 바이러스 백신 중 하나라도 그 효과가 입증되어 전 세계 어린이가 접종을 받게 된다면 언젠가 MS는 회색질척수염(소아마비) polio처럼 사실상 박멸의 길을 밟게 될 것이다.
7. 미국의 획기적인 기후 법안 통과
몇 십 년 동안 미국 과학자들은 기후 변화의 위험을 알리는 데 있어 세계를 이끌었고, 국제포럼에 참가한 미국 외교관들은 지구 온난화를 심각한 위협으로 간주했다.
하지만 미국의 기후 변화에 대한 경고는 공허하게 들렸는데, 그 이유는 많은 부유국들과는 달리 세계에서 두 번째로 큰 온실기체 greenhouse gas 생산국인 미국은 온실기체 배출량을 실질적으로 줄이는 법을 통과시킨 적이 없었기 때문이다.
그리고 2022년 여름에도 이런 기후 법안을 통과시키려는 시도가 또 다시 실패로 끝날 운명인 것처럼 보였다.
그러다가 법안 표결 순간 한 핵심 상원의원이 갑자기 반대를 철회하면서 모든 것이 바뀌어 버렸다.
소위 인플레이션 감축법 Inflation Reduction Act(IRA)의 기후 규정은 미국이 지구 온난화를 늦추기 위해 취한 가장 큰 조치에 해당합니다.
이 법안은 앞으로 10년 동안 3,690억 달러를 지원하여 재생 가능한 자원과 원자력 발전을 지원하는 동시에 전기 자동차로의 대대적인 이동과 산업 배출량을 줄이는 방법에 대한 연구에 박차를 가하는 것이 목적이다.
그러나 IRA 법안으로는 미국이 2030년까지 온실기체 배출량을 50% 감축하겠다는 2016년 파리협정의 약속을 이행하기에 불충분하다.
분석가들은 이를 위해서는 각 주의 청정에너지 생산량을 늘려야 할 것이라고 말한다.
환경보호국 Environmental Protection Agency(EPA)은 또한 발전설비에 대해 오랫동안 기대해 온 온실기체 규정을 발표·시행해야 하며, 미래의 대통령과 법원은 이 규정을 그대로 유지해야 한다.
일부 기후 운동가들은 굴뚝에서 탄소를 포집하는 데 따른 인센티브 제공과 멕시코만에서 석유 및 가스 시추를 계속할 수 있도록 하는 조치들에 대해서는 IRA 법안을 비판하고 있다.
이런 조치들은 법안 통과에 필요한 지지를 얻는 데 도움이 되었던 반면 더 이상 존속시킬 필요가 없는 화석연료 산업을 영속시키는 것으로 비평가들은 보고 있기 때문이다.
한편, 산업화 이전부터 이미 1.2°C 상승한 세계 기후는 이제 국제협상에서 설정한 '위험한 기후 온난화'의 한계인 1.5°C를 도달한 시간이 얼마 남지 않았다.
온실기체 배출량은 2022년 전 세계적으로 감소하기보다는 다시 증가할 것으로 예상되므로, 많은 기후과학자들은 세계 기온 상승폭이 1.5°C를 확실히 넘을 것으로 믿고 있다.
비록 IRA가 온실기체 감축에 있어 올바른 방향으로 나아가는 법안이긴 하지만, 지구 온난화를 막기 위해서 인류가 훨씬 더 많은 조치를 취할 필요가 있다고 기후운동가들은 말한다.
8. 유럽인 유전자에서 흑사병 유산 발견
700년 전 흑사병(페스트 pest)으로 유럽 인구의 3분의 1에서 2분의 1이 사망한 이후 이 치명적인 흑사병이 생존자들에게 어떤 흔적을 남겼는지 연구원들은 알고 싶었다.
이런 파괴적인 범유행병(팬데믹 pandemic)은 특히 면역 방어 체계가 효과적인 사람들에 대한 감염력이 강력한 어떤 선택력을 갖고 있었음에 틀림없다.
하지만 우리의 면역 유전자는 새로운 병원체에 대해 반응하면서 자주 변하기 때문에 살아있는 사람에게서 그 흔적을 찾아내는 것은 불가능하다.
2022년 연구원들이 고대인의 DNA를 조사하는 도구를 활용하여 흑사병 팬데믹 기간 동안 살고 죽은 사람들의 면역 유전자 차이를 비교해 보고서 극적 효과를 확인했다.
연구팀은 런던과 덴마크에서 흑사병 팬데믹 전후 및 도중에 매장된 500명 이상의 뼈에서 고대인들의 DNA를 분석한 결과, 생존자들은 페스트 병원체로서 벼룩이 매개하는 세균인 페스트균(예르시니아 페스티스 Yersinia pestis)에 대한 면역반응을 강화시키는 유전자 변이체를 보유하고 있었을 가능성이 훨씬 더 높다고 2022년 10월 '네이처'에 게재했다.
놀랍게도 245개의 유전자 변이체가 런던의 흑사병 이후 빈도가 증가하거나 감소했습니다.
그 중 4개의 유전자 변이체는 덴마크 사람들의 고대 DNA에서도 나타났다.
특히 ERAP2라는 한 유전자가 눈에 띄었는데, 이 유전자는 면역세포가 위협적인 바이러스를 인식하고 싸우는 데 도움을 주는 단백질인 세포질그물(소포체) 아미노펩티드분해효소 endoplasmic reticulum amionopeptidase 2의 유전암호이다.
연구팀은 고대인의 유전암호에서 단 하나의 염기만 다른 ERAP2의 두 가지 변이체를 찾아냈는데, 그 중 하나는 완전한 크기의 단백질을, 다른 하나는 잘린 단백질을 각각 만든다.
완전한 크기의 단백질을 암호화하는 유전자 변이체를 물려받은 사람들은 잘린 단백질을 암호화하는 유전자 변이체를 물려받은 사람들보다 페스트에서 살아남을 가능성이 2배 더 높았다.
현대 영국인 25명의 면역세포을 배양하여 얻은 완전한 크기의 ERAP2를 가진 면역세포를 페스트균에 노출시켰을 때 사이토카인 cytokine이라는 면역단백질을 더 많이 생산한다는 사실 또한 확인되었다.
흑사병 이후 100년 동안 유럽에서 이 보호 유전자 ERAP2의 변이가 빠르게 확산된 것은 인간 유전체에 나타난 가장 강력한 자연선택의 한 예로 보인다.
ERAP2 보호 유전자 변이체는 오늘날 영국인 인구의 45%에서 여전히 발견되고 있다.
이 보호 유전자 변이체가 최근까지도 계속 유지되는 이런 지속성의 이유는 아마도 페스트가 19세기 초까지 유럽과 아시아의 풍토병(엔데믹 endemic)이었기 때문에 최근까지도 계속 자연선택됨으로써 후손에게 유전되었을 것으로 추정된다.
그러나 이런 보호에 따른 대가를 치를 수도 있는데, 그것은 바로 ERAP2 보호 유전자 변이체를 가진 사람은 크론병 Crohn’s disease 및 류마티스 관절염과 같은 자가면역질환의 발병 위험성이 더 크다는 것이니다.
9. 지구와 충돌할 소행성 궤도 변경 성공
지구에서 몇 백만 킬로미터 떨어져 있는 디모르포스 Dimorphos라는 작은 소행성은 몇 천 년 동안 자신보다 더 큰 소행성 주위를 맴돌고 있다.
2022년 9월 26일, NASA는 디모르포스에 우주선을 충돌시켜 그 궤도를 영원히 변경시켜 버림으로써 언젠가는 있을 지도 모르는 소행성의 지구 충돌을 막아 인류를 구하는 전략을 증명했다.
냉장고 크기의 DART(Double Asteroid Redirection Test) 위성이 폭 160m의 디모르포스 소행성에 초속 6km의 속도로 성공적으로 돌진했을 때 NASA 과학자들은 행성 방어 임무의 최초 모의시험을 자축했다.
NASA의 목표는 DART와 충돌된 디모르포스가 자신의 공전 궤도를 벗어나 자신이 돌고 있는 더 큰 소행성에 더 가까워지게 만드는 것이었는데, 이렇게 된다면 지구로 향하는 소행성이 감지될 경우 발사체를 쏘아 소행성의 궤도를 변경시킬 수 있어 소행성의 실제 위협을 저지한다는 전략이 증명되는 것이다.
이 모의시험을 하기 전까지 몇 년 동안 과학자들은 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 위성 발사체가 작은 크기의 소행성 복제품과 충돌했을 때 전달되는 추진력이 얼마나 될 지 예측했다.
최종 충돌까지 몇 분 동안 DART에 탑재된 카메라는 디모르포스의 영상을 계속 전송했는데, 더 가까이에서 보면 표면이 계란 모양의 잔해 더미로 덮여있는 것으로 나타났다(위 사진).
과학자들은 수집한 자료들을 통해 충돌 2주 후 디모르포스의 공전주기 12시간 궤도가 32분 단축되었다는 것을 확인했는데, 이는 NASA의 목표치보다 26배를 넘는 큰 변화였다.
충돌 시험은 일회성이긴 했지만 그 결과는 NASA 과학자들이 미래의 소행성 궤도 변경 임무를 설계하는 데 중요한 자료들을 제공해 주었다.
지금까지 천문학자들은 대도시를 파괴할 만큼 크면서 위협이 될 정도인 지구 근처 소행성 25,000개 중 약 40%만 감지했을 뿐이다.
오랫동안 기다려온 우주 기반 적외선 망원경인 '지구 근접 물체 탐사자(NEO 서베이어) Near-Earth Object Surveyor'는 이런 소행성을 더 많이 찾아주긴 하겠지만, 지금 NASA는 반복되는 자금 삭감과 지연에 직면해 있다.
DART의 과녁이 무엇인지 알게 되긴 했지만 유용한 행성 방어 시스템이 되기 위해서는 위협이 되는 소행성에 대한 더 많은 정보가 필요하다.
10. 2백만 년 전 DNA로 고대 생태계 재현
최근까지 DNA의 유효 저장 기간은 약 100만 년으로 고정되어 있었는데, 아마도 이보다 더 오래되면 DNA가 심하게 분해되어 유전정보를 읽을 수 없을 것으로 생각했기 때문이다.
2022년 과학자들이 북극 사막의 동토에서 최소 200만 년 된 작은 DNA 조각을 추출하여 분석함으로써 DNA 유효기간은 두 배 이상 늘어나게 되었다.
'뛰어난 성취(투어 드 포스 tour de force)'로 칭송받는 이 연구는 잃어버린 세계를 재현하는 환경 DNA environmental DNA(eDNA)의 힘을 보여준다.
재현된 생태계는 오늘날 존재하지 않으며 온난 기후 시기에 그린란드 북부 끝에서 번성했던 해안 숲이다.
피오르 어귀에 쌓인 두꺼운 퇴적물 층에서 채취한 41개의 유기물 퇴적토 시료에 포함된 DNA 조각에서 미루나무(포플러 poplar), 서양측백 및 여러 바늘잎나무(침엽수)로 구성된 우거진 숲과 흑기러기와 투구게, 그리고 순록, 나그네쥐(레밍 lemming)와 같은 포유류와 함께 마스토돈 mastodon과 같은 멸종된 포유류까지 확인되었다.
특히 멸종된 코끼리 종류인 마스토돈이 이렇게 북쪽 지역에서 살았을 것이라고는 예상하지 못했다.
이렇게 오랜 세월 동안 DNA가 보존될 수 있었던 것은 천연 아이스박스인 영구 동토층과 더불어 석영과 점토, 특히 스멕타이트 smectite의 전하를 띤 표면이 DNA와 결합되어 보호했기 때문이었다.
연구팀은 광물에서 DNA 조각을 추출하는 기술과 추출한 대량의 DNA를 고속으로 염기서열을 분석하는 차세대 분석법인 고속처리 서열결정 High-throughfput sequencing 기술을 연마하는 데 몇 년이 걸렸다.
이번 발견으로 화석이 드문 북극 지역에서도 eDNA를 추출한 가능성이 커졌다.
그러나 과거로 거슬러 올라갈수록 고유전학자들이 일부 생물종 특히 유전체가 현존 생물종과는 유사성이 거의 없을 가능성이 있는 막다른 계통의 종에 대한 식별은 더욱 어려워질 것이다.
고대 퇴적물에서 eDNA를 분석하면 동식물이 오늘날보다 더 따뜻한 온도에서 북쪽 끝 지역에서 번성할 수 있게 만드는 유전 적응을 밝히는 성과를 얻을 수 있다.
더 논란이 되는 하나의 예를 들면, 고대 유전체에서 농작물을 더 일찍 발아시키는 새로운 유전자 서열을 찾아내어 CRISPR 유전자 편집 기술로 현존 생명체에 끼울 수 있다는 것이다.
고대 유전자가 부활될 것이란 전망은 많은 과학자들을 불편하게 만드는 반면 지지자들은 다가오는 기후 위기를 생각하면 과감한 시도가 필요하다고 주장한다.
※출처
1. Science, News '2022 Breakthrough of the Year', 15 DEC 2022. (https://www.science.org/content/article/breakthrough-2022#section_breakthrough)
2. 국가생명공학정책연구센터('22. 12. 29), '사이언스 선정, 2002년 과학기술 혁신성과', BioINwatch(BioIN+Issue+Watch): 22-89.
3. 구글 관련 자료
2023. 1. 7 새샘
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