녹색혁명 이룬 암모니아 비료
박테리아 이용한 신기술 개발

1845년에 창간된 미국 과학지 ‘사이언티픽 아메리칸’은 올 12월호에서 ‘세계를 바꿀 10개 아이디어’를 발표했다. 사이언티픽 아메리칸은 세계를 바꿀 만한 기술적인 혁명이 종종 작은 아이디어에서 나온다고 지적하면서 옥수수, 밀 등 한해살이 농작물을 물과 비료를 덜 쓰는 여러해살이로 바꿔주는 유전자 조작 기술을 포함시켰다.

이종호 과학저술가

식량이 삶에 중요하다는 것은 수레와 청동기 없이 제국을 형성했던 마야제국이 멸망한 이유로도 알 수 있다. 마야가 멸망한 데는 여러 가지 이유가 있겠지만 늘어나는 인구를 먹여 살릴 수 있는 식량이 부족했다는 점도 한 요인이다. 밀림 속에서 화전(火田)으로 계속 농산물을 기르다보니 지력이 약해져 많은 식량을 생산하는 데 차질이 생긴 것이다.

지구상의 모든 생물은 질소가 없으면 생명을 유지할 수가 없다. 유전정보를 담은 DNA는 물론이고, 몸 안에서 일어나는 모든 화학반응을 정교하게 조절하는 단백질도 질소의 화합물이다. 그런데 지구를 구성하는 공기 중 질소는 79%나 되지만 공기 중 질소 분자는 너무 단단하게 결합돼 있어 생물이 이를 이용한다는 것은 간단한 일이 아니다.

지금까지 노벨화학상을 받은 화학자 150여명 중 노벨상 수여 취지에 가장 적합한 사람으로 프리츠 하버를 꼽는다. 그가 20세기 초 공기 중에서 분리한 질소로 생산한 암모니아를 화학비료로 사용하면서 녹색혁명이 가능해졌기 때문이다. 실제로 현대의 많은 나라가 인구 급증에도 불구하고 식량 부족이 아니라 초과 생산으로 고민하는 것은 하버의 화학비료 개발이 결정적인 역할을 했다.

식물의 생장을 돕는 방법으로 화학비료가 아니더라도 질소를 고정하는 생물 이용 방법도 있다. 뿌리혹박테리아 등으로 이들은 식물의 뿌리에 들어가서 질소를 암모니아로 전환시킨다. 식물은 이들 암모니아를 이용해 글루탐산이나 글루타민, 아스파라긴이나 아스파라긴산을 만든다. 이 때문에 콩과식물은 척박한 땅에서도 자랄 수 있어 우리 선조들은 지력이 떨어진 밭에 콩을 심었다. 박테리아를 이용해 공기 중의 질소 분자를 활용하는 방법을 찾아낸 것이다. 뿌리혹박테리아 외에도 몇몇 생물이 공기 성분의 질소를 고정시켜 질소 화합물을 형성할 수 있지만 활동 범위가 한정된다는 단점이 있다.

이에 학자들은 왜 특정 생물에서만 질소고정이 이루어질 수 있는지를 연구했다. 미국 캘리포니아대학의 토비 키어스 교수는 콩의 뿌리를 두 가닥으로 나눠 한쪽은 정상 공기, 나머지는 질소 대신 아르곤이 들어있는 공기에 뒀다. 박테리아는 아르곤이 포함된 공기에서는 질소를 고정할 수 없으므로 아르곤에 둔 뿌리혹의 크기는 정상 공기에 놓인 뿌리혹에 비해 작았다. 키어스 교수는 콩이 박테리아의 질소고정 실적에 따라 보상을 달리했기 때문이라고 설명했다. 많은 학자들은 일반 식물로 질소를 고정하게 만드는 것이 간단하지 않기에 낙담했다.

그런데 유전공학자들은 매우 놀라운 사실을 발견했다. 미국 캘리포니아대학의 버지니아 워터스 교수가 박테리아를 햄스터의 난소 세포와 함께 배양한 결과 박테리아의 DNA가 난소 세포로 전달된 것을 확인했다. 즉 우리 몸 속의 세포가 일종의 유성생식을 통해 박테리아 DNA를 전달받은 것이다. 학자들이 주목하는 것은 박테리아가 식물 세포에도 DNA를 전달한다는 것이었다. 결국 뿌리혹박테리아를 이용해 그동안 질소 고정이 불가능한 식물에도 적용할 수 있는 길이 열린 것이다. 이제 학자들의 꿈은 뿌리혹박테리아 등의 능력을 보다 업그레이드해 한해살이인 주요 농작물에 접목시켜 여러해살이로 바꿔 주는 것이다. 기존 생태계를 파괴하는 화학비료가 지구상에서 사라지게 될 날도 머지않았다.

이종호 과학저술가