거리에 심어진 나무는 보기에도 좋지만, 지구온난화 문제에도 도움이 됩니다. 공기 중 이산화탄소를 제거하고 산소를 방출하기 때문입니다. 성숙한 나무는 연간 21킬로그램에 달하는 이산화탄소를 대기에서 흡수한다고 알려져 있습니다. 인상적인 수치이지만 과학자들은 더 개선할 수 있다고 믿습니다. 화학자, 엔지니어, 환경 전문가로 이루어진 연구진이 더 강력하게 탄소를 포집하는 나무 개발에 나섰습니다. 사이언스 저널에 13일(현지시간) 논문으로 그동안 얻어낸 연구 성과를 공개했습니다.

유전적 구조를 조작하는 방법에 매달렸습니다. 논문의 수석저자인 다니엘 술리스 노스캐롤라이나 주립대학교 연구원은 "일반 대중이 나무가 우리 사회에서 가지는 중요성과 탄소 배출을 줄이는 역할에 대해 충분히 이해하거나 인식하지 못하고 있다고 생각한다"며 "(나무라는) 핵심적인 자원의 유전학을 이해하는 과정은 중요하다, 특히 소비 경제에서 필요한 섬유를 생산하는 작업에서 필요한 일이다"고 주장했습니다.

술리스와 연구팀은 목재에서 섬유를 추출하는 작업 개선에 몰두했습니다. 유전자 편집으로 나무를 딱딱하고 견고하게 만드는 리그닌을 줄이려고 노력했습니다. 포플러 나무에서 리그닌을 줄이는 데 성공하자 제조 단계를 간소화할 수 있었습니다. 종이 생산에 걸리는 시간이 단축되고 결과적으로 오염물질도 덜 배출했습니다.

잭 왕 노스캐롤라이나 주립대학교 연구원은 "수십 년 동안 리그닌을 연구했지만, 목재 내부에 있는 폴리머 복잡성 때문에 생산 공정에 적합한 형태로 바꾸기 정말 어려웠다"고 회고했습니다.

재생할 수 있는 종이를 만들려면 목재에서 리그닌을 절단하고 해로운 화학 물질로 녹여야 합니다. 에너지가 많이 소비되는 공정입니다. 또한 리그닌이 연소할 때 이산화탄소가 방출됩니다.

연구진은 유전자 편집 도구 크리스퍼 가위로 리그닌 비율을 낮추고 탄수화물 농도를 늘렸습니다. 여기서 탄수화물은 종이로 변환할 수 있는 셀룰로스입니다. 최종 목표는 자연 속 개체보다 리그닌이 35% 적은 나무를 탄생시키는 것이었습니다. 탄수화물과 리그닌 비율이 일반 나무보다 200% 높기 바랬습니다. 

인공지능 기계학습 기술로 유전자를 어떻게 편집할지 기획했습니다. 잠재적 제거 유전자를 350개 미만으로 좁히고 7만 개 편집 전략을 세웠습니다. 후속 실험으로 섬유 생산용 목재에 적합한 전략을 7가지로 압축했습니다. 거의 모든 전략이 2개 이상 유전자를 조작하는 방안이었습니다.

다음 단계에서 각기 다른 방식으로 유전자를 조작한 포플러 나무 174개를 6개월 동안 온실에서 키웠습니다. 자란 나무의 성분을 분석하자 리그닌이 줄어든 것으로 나타났습니다. 일반 나무의 절반 정도인 경우도 있었습니다. 리그닌 대비 탄수화물 비율도 228% 증가했습니다.

리앙빙 후 메릴랜드 에너지혁신연구소 재료혁신센터 담당자는 "리그닌 함량을 정밀하게 제어하는 능력은 새롭게 나무로 종이를 만들고 목재를 가공하게 만든다"고 설명합니다.

연구진은 리그닌이 적은 포플러 나무는 기존에 비해 섬유 생산 시 탄소를 20% 이상 줄일 수 있다고 밝혔습니다. 일반 목재에 비해 생산 효율도 높습니다. 친환경 섬유를 이전보다 40% 더 많이 생산할 수 있었습니다. 

과학자들은 나무 개조 기술을 다른 종으로 확대하고 싶어 합니다. 종이 재료로 흔히 쓰이는 가문비나무와 소나무 등이 거론됩니다. 나무에서 리그닌이 생성되는 구조는 비슷하므로 연구진은 성공 가능성을 희망적으로 바라보고 있습니다. 

왕은 개조한 나무라 실제 재료로 상용화되려면 오랜 시간이 필요하다고 말합니다. 그는 2040년 정도까지 기다려야 한다고 예상했습니다. 

※이 기사는 popsci.com 원문을 바탕으로 작성됐으며, 번역은 파퓰러사이언스코리아 소속 기자가 도왔습니다.

/ 글 JOCELYN SOLIS-MOREIRA 기자 & 육지훈 기자