2023년 과학적으로 발견한 7가지 새로운 청색기술

지난 주 12월 26일자 미국의 유수 국제예술문화과학지 '스미소니언 매거진(Smithsonian Magazine)'은 전 세계 생물학자들은 2023년에도 동물과 식물을 스승삼아 많은 것을 배웠고, 그들의 발견이 더 나은 로봇, 의학 및 환경 기술에 영감을 줄 수 있게 됐다고 밝혔다.

발명가들은 인류의 삶을 개선할 방법을 고안할 때 종종 자연에서 영감을 얻는다. 수천 년에 걸쳐 각자의 환경에서 번성하도록 진화한 동물과 식물은 혁신을 위한 훌륭한 청사진을 제공하기 때문이다.

예를 들어, 지난해 중국과 스위스의 과학자들은 문어의 빨판과 유사한 약물 전달 패치를 선보였다. 이 흡입 컵 모양의 장치는 환자의 뺨 안쪽에 부착하여 바늘 없이도 약물을 경구로 주입한다. 또한 엔지니어들은 쫄깃쫄깃한 해삼에서 영감을 얻어 가열하면 액화되고 식으면 다시 형태가 바뀌는 자성을 띤 '모양 변형' 로봇을 개발했다. 이 발명품은 언젠가 환자의 뱃속에서 해로운 물건을 제거하는 등 의료용으로 사용할 수 있으며, 손이 닿기 어려운 회로를 조립하거나 범용 나사의 역할을 할 수도 있다.

하지만 이러한 발명품이 나오기 전에 과학자들은 먼저 자연계에 대해 배워야 했다. 2023년, 그들은 애벌레 독의 단백질, 제왕나비의 공기역학적 패턴, 갑각류 눈의 반사 물질을 통해 엔지니어에게 교훈을 줄 수 있는 청색기술을 전파했다. 이처럼 자연의 생물에서 영감을 얻거나 모방하는 청색기술을 통해 오늘날의 혁신은 미래의 기술에 또다른 영감을 줄 수 있다.

그럼 이제부터 새로운 발명으로 이어질 수 있는 2023년의 과학적 발견 7가지를 소개한다.

① 세포벽에 구멍 뚫는 애벌레 독의 쓰임새

털복숭이 애멸구 애벌레는 무해하고 걸어 다니는 거북이처럼 보이지만, 손을 뻗어 만져보고 싶은 충동을 참아야 한다. 부드러운 외피 아래에는 독이 가득한 가시로 이루어진 위협적인 무기가 숨어 있다. 애벌레 나방은 길이가 1인치를 조금 넘지 않지만, 쏘이면 성인도 병원에 입원할 수 있다. 올해 과학자들은 이 나방의 강력한 독이 어떻게 작용하는지 분석하는데 성공했다.

지난 7월 미국 국립과학원 회보에 발표된 연구에 따르면, 애멸구 애벌레 독에는 모양을 바꾸는 특이한 단백질이 포함되어 있는 것으로 밝혀졌다. 독소가 세포의 외부 표면에 도달하면 이 단백질은 도넛 모양으로 변한 다음 세포벽에 구멍을 뚫는다.

대장균이나 살모넬라균과 같은 박테리아가 만드는 독소도 비슷한 방식으로 세포에 침입한다. 따라서 과학자들은 오래 전에 어떤 종류의 박테리아가 자신의 유전자를 애멸구 애벌레의 DNA에 삽입한 것으로 추정하고 있다. 그리고 애벌레가 성충으로 성장한 후 이 유전자를 자손에게 물려준 것으로 추정한다.

이 연구의 공동 저자인 호주 퀸즐랜드 대학의 분자 생명과학자 앤드류 워커는 호주 공영방송의 안토니아 오플래허티와의 인터뷰에서 "애벌레 단백질의 구멍 뚫기 특성을 모방하여 '약물이 작용해야 하는 세포 내부로 약물을 전달하는' 약물 전달 전략을 개발할 수 있다"면서 "인간 세포는 그대로 두고 암세포를 표적으로 삼거나 병원균을 표적으로 삼도록 이러한 종류의 독소를 설계할 수 있을 것"이라고 설명했다.

이러한 작업은 앞으로 적어도 10년 내지 20년은 더 걸릴 수 있다. 하지만 이 연구 분야가 발전하면 언젠가는 애멸구 애벌레의 독이 통증을 완화하는 데 도움이 될 수 있을 것이다.

② 동면하는 곰은 혈전이 생기지 않는다

장시간 비행기를 타는 것부터 수술 후 침대에 누워 쉬는 것까지, 장시간 앉아 있으면 정맥이 구부러져 혈액이 고이고 응고 또는 심부정맥 혈전증의 위험이 높아질 수 있다. 그러나 동면하는 곰은 몇 달 동안 거의 가만히 누워 지내는데, 이 비활동성의 대가들은 혈전이 생기지 않는다.

왜 그렇까? 그 비결을 알아보기 위해 과학자들은 겨울과 여름 동안 스웨덴의 불곰을 추적했다. 과학자들은 이 거대한 생명체를 진정시키고 두 시기에 혈액 샘플을 채취했다. 현장의 임시 실험실에서 그들은 한 단백질이 계절에 따라 큰 변화를 보인다는 사실을 발견했다. 이 단백질은 여름에는 높은 수준으로 존재하지만 동면기에는 거의 존재하지 않는 것으로 나타났다.

과거의 연구를 바탕으로 과학자들은 'HSP47'라는 혈소판이 백혈구와 결합하여 감염과 싸우는 데 관여한다는 것을 파악했다. 따라서 곰이 동면 중에 이 단백질의 수치를 낮춤으로써 혈전에 대한 보호막을 구축하는 것으로 추측했다.

그래서 연구팀은 곰에게서 발견한 사실에 착안하여 인간을 대상으로 연구를 진행했다. 연구팀은 장시간 앉아서 생활하지만 혈전증으로 고생하지 않는 척수 손상 환자의 HSP47 수치를 측정했다. 당연히 이들의 HSP47 수치는 평균보다 낮았다. 연구팀은 10명의 지원자를 대상으로 27일간 침상 안정을 취하게 한 결과, 그 기간 동안 혈전 생성 단백질의 수치가 감소하는 것을 관찰했다.

HSP47을 이해하는 것은 의학적으로 중요한 의미를 가질 수 있다. 의사가 혈전증 위험이 높은 사람을 판단하는 데 도움이 될 수 있기 때문이다. 또는 혈전 발생 가능성이 높은 암 환자와 수술 후 회복 중인 환자에게 예방 치료를 위한 방법을 제공할 수도 있다.

벨기에의 루뱅 대학교 생물의학 과학자인 킴 마르티노드는 "심부정맥 혈전증에 대한 이상적인 치료법은 신체의 정상적인 혈액 응고 메커니즘을 방해하지 않으면서도 혈전이 형성되지 않도록 예방하는 것"이라며 "바로 그렇게 될 가능성이 있다"고 말했다.

③ 반짝이는 눈으로 포식자를 속이는 갑각류

바다에서 살아남기 위해 많은 생물들이 위장을 선택한다. 하지만 어떤 동물들은 한 단계 더 진화했다. 유령같은 동물은 기본적으로 빛 자체를 피하고 투명한 몸체로 시야에서 완전히 사라진다. 유리 오징어(Glass Squid)는 여러 어류의 애벌레 형태와 함께 이 전략을 사용하지만 한 가지 함정이 있다. 이 생물의 눈은 빛을 반사하기 때문에 포식자에게 자신의 위치를 알려줄 수 있는 약간의 빛만 발산할 뿐이다. 투명한 눈은 특정한 어두운 색소가 시력에 필수적이기 때문에 제 기능을 하지 못한다.

하지만 일부 새우와 새우 유충은 이러한 단점을 극복하는 방법을 진화시켜 왔다. 새우와 새우 유충의 눈은 빛을 조절하는 유리로 덮여 있어 주변의 물 색깔과 눈빛을 효과적으로 일치시킨다. 이런 식으로 작은 갑각류는 눈에 띄지 않게 된다.

지난해 2월 「사이언스」지에 발표된 논문에서 연구자들은 이와 같이 눈 보호 유리를 형성하는 복잡한 물질을 조사했다. 이 물질은 이소산토프테린(isoxanthopterin)이라는 물질로 만들어진 폭이 10억 분의 1미터에 불과한 작은 구체들로 구성되어 있다.

디스코장의 반짝이는 미니어처 디스코볼처럼 빛을 반사하는 이 구들은 무질서한 배열을 이루며 그 사이에 틈이 있어 갑각류는 여전히 볼 수가 있다. 이 유리 보호막은 동물의 위장 필요에 따라 진한 파란색부터 황록색까지 다양한 색상의 빛을 반사할 수 있다. 실험실 실험에서 몇 시간 동안 햇빛에 노출된 새우의 눈은 노란색으로 반사되었지만, 밤새 어둠 속에 방치된 새우의 눈은 녹색으로 반사되었다. 흥미롭게도 구의 크기와 배열에 따라 반사되는 빛의 색이 달라졌으며, 모든 시야각에서 일관된 색을 보였다.

이 작은 구체에 대한 추가 연구를 통해 연구팀은 태양 전지판, 원격 감지 및 통신에서 빛을 조작하는 기술을 개선할 수 있는 방법을 발견할 수 있을 것이라고 이 논문은 전망하고 있다.

이 연구의 공동 저자이자 이스라엘 네게브 벤구리온 대학의 화학자인 벤자민 팔머는 「뉴사이언티스트」와의 인터뷰에서 "현재 안료, 화장품 및 기타 광학 재료에서 무기 물질을 대체할 수 있는 유기적이고 생체 적합하며 굴절률이 높은 물질을 찾는 데 큰 관심이 있다"라고 말했다.

또는 작은 유리 구가 균일한 색상을 만들기 때문에 이 구조는 친환경 페인트나 매니큐어에 영감을 줄 수 있다.

④ 날개에 있는 반점을 통해 더 많은 양력을 얻는 제왕나비

북미와 중앙아메리카에 주로 분포하는 제왕나비는 죽음을 불사하는 이동으로 유명하다. 다른 어떤 나비 종도 새처럼 겨울을 나기 위해 남쪽으로 향했다가 기온이 따뜻해지면 북쪽으로 돌아오는 양방향 여행을 하지는 못하는 것으로 알려져 있다.

그런데 이 제왕나비는 하루에 100마일을 이동하기도 하며, 최종 목적지에 도달하기까지 총 3,000마일의 거리를 이동하기도 한다. 에너지를 절약하기 위해 종종 기류를 타고 이동한다. 그리고 지난해 6월 과학 및 의학전문지 「PLOS One」에 발표된 연구에 따르면 나비의 날개 패턴도 나비의 비행에 도움이 될 수 있다고 한다.

연구에 따르면 제왕나비는 날아갈 때 날개 가장자리에 어둡고 밝은 색의 조각보 모양(patchwork)이 고르지 않은 가열 및 냉각 패턴을 만드는 것으로 나타났다. 어두운 부분은 약간 더 따뜻하고 흰색 부분은 약간 더 차가워지면 그 주변에 소용돌이치는 작은 공기 주머니가 형성될 수 있다. 이러한 소용돌이는 곤충에게 추가적인 양력을 제공하고 공기가 나비를 지나가는 방식을 변화시켜 날개의 항력을 줄일 수 있게 된다.

제왕나비와 다른 종의 반점 크기를 비교한 결과 이러한 생각이 뒷받침되었다. 이동하지 않는 나비는 제왕나비보다 흰 반점이 더 작았으며, 여름에 태어나 가을에 이동하는 시기를 놓친 세대에 속하는 일부 비이동성 제왕나비도 마찬가지였다.

연구팀은 제왕나비의 흰 반점을 모방하면 엔지니어가 더 효율적인 드론을 만드는 데 도움이 될 수 있다고 말한다.

박제된 새로 드론을 만든 뉴멕시코 공대의 기계 엔지니어인 모스타파 하사날리언은 "이 색상이 드론의 양력을 높이는 데 도움이 되기 때문에 이를 모방하면 드론이 더 많은 것을 운반할 수 있을 것"이라고 미국의 과학기술지 「Popular Science」와의 인터뷰에서 말했다.

이 연구는 색의 미묘한 변화도 큰 차이를 만들 수 있다는 것을 보여주고 있다. 멕시코에 성공적으로 도착한 제왕나비는 미국 남부에서 철새 여행을 마친 나비에 비해 흰색 반점이 3% 정도만 더 컸다. 이 수치는 낮게 보일 수 있지만, 조지아 대학의 동물 생태학자인 앤디 데이비스는 「내셔널 지오그래픽」과의 인터뷰에서 "이 수치는 제왕나비에게 중대한 결과를 가져올 수 있다"면서, "이는 이동하는 동안 삶과 죽음의 차이가 될 수 있다"고 강조했다.

⑤ 특별한 소금으로 공기 중 수분을 끌어당기는 사막 식물

사막에 사는 생물은 물 없이도 생존하는 데 있어서는 혁신의 대가다. 미국 힐라 강의 괴물이라는 뜻으로 별명이 힐라몬스터(Gila monster)인 아메리카독도마뱀과 같은 일부 동물은 체내에 물을 저장하는 데 능숙해져 있다. 그리고 식물은 뿌리를 깊게 뻗어 지하 깊은 곳에서도 물을 얻을 수가 있다.

그러나 건조에 적응한 한 가지 식물은 수분을 얻기 위해 다른 공급원, 즉 공기에 의존한다. 가시가 많은 관목인 아텔 타마리스크(athel tamarisk)는 토양에서 짠 물을 빨아들여 잎에서 염분을 배출한다. 지난해 10월 미국 국립과학원 회보에 발표된 논문에 따르면, 밤이 되면 이 결정체가 공기 중에서 물을 모으는 역할을 한다고 한다.

과학자들은 아텔 타마리스크의 가지를 잘라 실험실로 가져왔다. 그리고 사막의 환경을 모방한 섭씨 35도, 습도 80%의 환경 조건으로 제어 챔버에 나뭇가지를 놓았다. 2시간이 지난 후, 잎에 소금 결정이 묻은 나뭇가지에는 15밀리그램의 수분이 축적되었다. 같은 나뭇가지에 소금을 뿌리지 않고 실험했을 때는 1.6밀리그램만 모였다.

연구팀은 소금의 성분을 조사한 결과, 적어도 10가지 이상의 물질이 함유되어 있어 55%의 비교적 낮은 습도에서도 공기 중에서 물을 끌어당길 수 있다는 사실을 발견했다. 이 성분 중 하나는 황산리튬으로, 가장 낮은 습도에서도 물을 모을 수 있었다.

논문 저자들은 식물에서 자연적으로 생산되는 이 소금은 환경적으로 안전할 가능성이 높다고 말한다. 이러한 소금을 발견하면 물이 부족한 지역의 공기에서 수분을 끌어올리는 방법을 개선하는 데 도움이 될 수 있게 되는 것이다. 구름에 결정을 추가하여 비를 내리게 하는 구름 씨 뿌리기 기술은 이미 아랍에미리트와 같은 국가에서는 건조한 환경과 싸우기 위해, 파키스탄에서는 스모그 완화를 위해 사용되고 있다.

뉴욕대학교 아부다비 분교의 화학자이자 이 연구의 수석 저자인 마리 알 한다위(Marieh Al-Handawi)는 성명에서 "이 연구는 구름 씨 뿌리기 관행을 보다 효과적이고 환경 친화적으로 만드는 동시에 지구의 부족한 수자원을 현명하게 사용해야 하는 우리의 책임과도 일치시킴으로써 혁신을 일으킬 수 있는 가능성을 제시한다"고 말했다.

⑥ 에너지 절약 위해 오줌을 싸는 '샤프슈터' 벌레

'명사수(sharpshooter)'라고 불리는 작은 곤충은 매일 자기 체중의 300배에 달하는 수분을 섭취한다. 이들은 99%가 물로 이루어진 저에너지 물질인 식물의 자일럼 수액(xylem sap)만을 섭취하기 때문에 과도한 수분을 많이 배출해야 한다. 그 결과 이 벌레는 거의 끊임없이 소변을 보게 된다.

하지만 그 방식은 놀랍다. 항문 스타일러스(anal stylus)라고 불리는 유연한 체위에 소변 방울을 떨어뜨린다. 스타일러스는 경첩처럽 생긴 부위를 따라 회전하면서 오줌을 빠른 속도로 벌레로부터 멀리 방출한다.

2023년 2월 과학종합지 「네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)」에 발표된 연구에서 과학자들은 이상하게도 오줌 방울이 스타일러스보다 공기를 통해 40퍼센트 더 빠르게 이동한다는 사실을 발견했다. 발사체가 발사 장치보다 더 빨리 날아가는 이 현상을 '초추진력(superpropulsion)'이라고 한다.

슬로우 모션 비디오와 현미경 관찰을 통해 연구진은 이 곤충이 스타일러스를 사용하여 물방울을 압축하고 적절한 순간에 물방울이 떨어질 때까지 에너지를 저장하는 표면 장력을 생성하는 것을 발견했다. 이는 마치 다이버가 점프할 때 보드를 튕기면서 점프 시간을 조절하여 추가적인 양력을 얻는 것과 유사하다.

이러한 능력은 이 곤충을 다른 모든 동물과 차별화하기 때문에 과학자들로부터 흥미를 끌고 있다. 다른 어떤 동물도 초추진력을 발휘하는 것으로 기록되지 않았기 때문이다.

하지만 이 곤충들에게는 이러한 기묘한 전술이 보다 실용적인 이득이 있다. 연구진은 오줌줄기를 만드는 대신 물방울을 날려 에너지를 절약할 수 있으며, 실제로 오줌줄기를 만드는 것이 다른 방법보다 4~8배 더 효율적이라는 사실을 발견했다.

엔지니어들은 샤프슈터에서 힌트를 얻을 수 있었다. 이 곤충이 사용하는 메커니즘은 스피커 진동을 통해 액체를 배출할 수 있는 스마트워치와 같이 전자 장치에서 물을 제거하는 더 나은 방법으로 이어질 수 있다. 초추진력은 고글이나 안경의 표면을 진동시켜 김서림을 제거하는 기술에도 영감을 줄 수 있다.

⑦ DNA 복구 능력으로 암에 대한 저항력을 높이는 혹등고래

동물 왕국에서 암 발생률은 신비로운데, 통계상으로는 전체 세포 수가 많은 큰 동물이 작은 동물보다 암에 더 자주 걸리는 것이 당연하게 여겨진다. 하지만 코끼리와 고래를 보면 그렇지 않다. 이 거대한 동물들은 각각 인간보다 세포 수가 약 100배, 1,000배나 많지만 암 발생률은 훨씬 낮다.

'페토의 역설(Peto’s paradox)'이라고 불리는 이 모순은 오랫동안 과학자들을 당혹스럽게 해왔다. 과거의 연구를 보면 코끼리에서 종양을 억제하는 것으로 보이는 유전자가 발견되어 이 문제에 대한 해답을 암시한 바 있다. 작년 5월 생명과학 분야 온라인 저장 및 배포 서비스를 하는 '바이오 아카이브(bioRxiv)'에 게재된 사전 인쇄 논문에 따르면 과학자들은 혹등고래에서 DNA 복구와 관련하여 동물의 암 저항성을 증가시킬 수 있는 두 가지 단백질을 발견했다.

혹등고래는 지구상에서 가장 수명이 긴 포유류로, 수명이 200년을 넘을 수 있다. 이 연구는 고래의 DNA 복구 능력이 장수의 비결 중 하나일 수 있음을 시사하고 있다.

이 연구에서 연구원들은 인간, 소, 생쥐, 혹등고래의 세포에서 DNA 분자의 두 가닥을 모두 절단했다. '이중 가닥 끊김(double-strand break)'이라고 하는 이러한 종류의 손상은 암 위험을 증가시키는 것으로 알려져 있기 때문이다. 다른 종의 세포에 비해 혹등고래 세포는 2배 이상 많은 수의 DNA를 복구할 수 있었다. 인간, 소, 쥐의 세포는 종종 DNA 서열을 잘못 나누거나 삭제하는 등 복구 작업을 엉성하게 처리하는 반면, 고래 세포는 DNA를 정확하게 원상복구하는 데 훨씬 더 능숙했다. 또한 이러한 실수는 암 발생 위험을 높일 수도 있다.

연구팀은 혹등고래에서 CIRBP(저온 유도성 RNA 결합) 단백질과 RPA2(복제 단백질 A2)가 훨씬 더 흔하며 이 유전자 복구에 중요한 역할을 한다는 사실을 발견했다. 과학자들은 아마도 인간에서 이러한 단백질을 조절하면 DNA 손상을 완화할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

이 연구에 참여하지 않은 프랑스 국립과학연구센터의 진화 생태학자 오르솔야 빈체(Orsolya Vincze)는 「사이언스 뉴스」의 메건 로젠(Meghan Rosen)에게 "우리는 이미 자연계에 암 치료에 대한 해답을 가지고 있을 것"이라며, "우리는 그것을 찾기만 하면 된다"고 방향을 제시했다.