이 연구 결과는 옥수수를 상업적으로 재배하는 농민들에게 상당한 부분의 질소를 공급하는 유전자 편집 미생물에 대한 최초의 피어 리뷰 증거이다
버클리, 캘리포니아, 2024년 11월 15일 /PRNewswire/ -- 오늘 사이언티픽 리포트(Scientific Reports ) 지에 발표된 피어 리뷰 연구는 한 세기 동안 농작물에 질소를 공급한 방식에 혁명을 일으킬 수 있는 새로운 기술을 설명하고 있다. 위스콘신 대학 매디슨 캠퍼스, 퍼듀 대학과 지속 가능한 농업을 선도하는 회사인 피벗 바이오(Pivot Bio)의 연구자들의 협업을 통해 진행된 이 연구는 유전자 편집 기술이 대기 중 질소를 고정하고 이를 곡식 작물에 전달하는 미생물의 능력을 어떻게 향상시키는지 보여주는 최초의 증거를 제시했다.
A scientist at Pivot Bio scraping corn roots to measure the colonization of Pivot Bio's nitrogen producing microbe.
연구자들은 동위원소로 표지된 질소를 사용하여 대기 중의 질소가 옥수수 잎의 엽록소로 이동하는 과정을 추적함으로써 유전자 편집 미생물이 대기 중에 있는 질소를 고정했다는 증거를 제시했다. 현장 연구에서도 이 미생물들이 최대 40파운드의 합성 질소 비료와 비슷한 질소를 유사한 수율로 고정하여 공급할 수 있는 것으로 나타났다.
질소 비료의 효과를 개선하는 것은 오랜 과제였다. 이 연구에 참여하지 않은 미시간 주립대학 환경과학과 교수 브루노 바소(Bruno Basso) 박사는 "핵심 문제는 토양-식물-대기 시스템이 극도로 복잡하다는 것"이라고 설명한다. 예측할 수 없는 날씨로 인해 영양 공급을 식물이 필요로 하는 양과 일치시키고 작물에 필요한 질소의 양과 이 영양분이 토양에 남아 있는지 여부를 정확하게 파악하는 것이 어려워 진다. 박사는 "내 연구실은 수년 동안 농민들이 첨단 센싱 기술과 컴퓨터 모델을 사용하여 자신의 분야를 더 잘 이해할 수 있으며, 질소 비료를 더 효율적으로 사용함으로써 수익을 늘리고 지하수로의 영양분 누출과 대기로의 온실가스 배출과 같은 환경 영향을 줄일 수 있도록 지원했다"고 덧붙인다.
자연에서 발생하는 특수한 유형의 박테리아인 디아조트로프는 대기 중의 질소 가스를 아미노산과 단백질의 기본 요소인 암모늄으로 바꾸는 독특한 능력을 가지고 있다. 일반적으로 생물학적 질소 고정(BNF)으로 알려진 이 과정은 합성 질소 비료가 발명되기 전 수천 년 동안 농작물에 질소 영양분을 공급하는 주요 형태였다
위스콘신 대학 매디슨 캠퍼스의 세균학 및 식물농생태학과 교수 장-미셸 아네(Jean-Michel Ané) 박사는 "토양에 자생하는 디아조트로프는 토양에서 고농도의 질소에 장기간 노출되면 BNF 수행 능력을 잃는다. 이는 BNF가 에너지를 매우 많이 소모하는 과정이기 때문에 에너지를 보존하려는 진화적 대응"이라면서 "우리는 이 박테리아들이 합성 비료가 사용된 토양과 같이 질소가 풍부한 환경에서 높은 수준의 BNF를 유지하도록 만들어야 한다"고 설명한다.
피벗 바이오의 연구자들은 디아조트로프가 심지어 질소가 많은 환경에서도 농작물에 질소를 계속 공급할 수 있도록 비유전자 변형 방법을 사용하여 유전자 편집 미생물을 개발했다. 피벗 바이오 최고혁신책임자 겸 동사의 공동 설립자이자 이 논문의 공동 저자인 카르스텐 템므(Karsten Temme) 박사는 "우리가 유전자 편집을 통해 미생물이 주변의 질소 존재를 보지 못하도록 만들었기 때문에 미생물은 계속해서 암모니아를 고정하여 뿌리 시스템에 직접 전달한다"면서 "또한 우리는 박테리아가 고정된 질소를 자신만을 위해 보유하지 않고 작물에 전달할 수 있도록 다른 편집 기술도 도입했다"고 말했다.
이 논문은 실험실과 현장 실험 농지에서 이 과정이 실제로 일어난다는 증거를 제시한다. 또한 이 논문은 유전자 편집된 질소 고정 미생물이 함유된 피벗 바이오의 2 세대 옥수수 상용 제품인 프루븐(PROVEN®) 40을 다룬 최초의 피어 리뷰 논문이기도 하다.
템므 박사는 "질소 비료는 논란이 있지만 지난 세기의 가장 중요한 발명품이며 당분간 전 세계 개발과 식량 안보에 필수적일 것이다. 하지만 우리는 질소 비료가 더 잘 사용될 수 있다고 생각한다"면서 "피벗 바이오는 우리의 유전자 편집 미생물을 통해 질소의 효율을 높이고 환경으로의 합성 비료 누출을 줄임으로써 농업 생산성을 향상시키는 데 전념하고 있다"고 말했다.
연구자들은 현장에서 다양한 동위원소 실험을 통해 이번에는 실제 상황에서 질소 고정을 다시 한 번 입증하고 식물 내 질소 수준을 정량화했다. 또한 그들은 질소 비료 사용량을 에이커당 35~40파운드까지 낮추고 피벗 바이오의 프루븐 40으로 대체한 농민들로부터 수백 개의 샘플을 수집했다. 평균적으로 연구자들은 푸르븐 40을 투여한 식물이 시즌 초기에 질소 수치가 더 높고 식물이 합성 비료를 적게 받았지만 수확량에 부정적인 영향을 미치지 않았다는 사실을 발견했다.
아네 박사는 "질소가 대기에서 미생물로, 그리고 미생물에서 식물로 이동하는 과정을 추적하는 것은 매우 어렵다"면서 "우리는 대기 중의 질소 원자와 토양에 있는 질소 원자의 동위원소 신호를 이용한다"고 설명한다. 연구자들은 이러한 측정을 통해 실험실의 옥수수 잎 엽록소에서 동위원소로 표지된 질소를 발견했는데 이는 미생물이 그 질소를 식물에 공급했음을 나타내는 신호이다.
템므 박사는 "이 광범위한 연구는 농민들이 생산성을 떨어뜨리지 않으면서도 질소 비료를 줄이기 시작할 수 있다는 것을 의미하기 때문에 희망적이며 이는 농민과 환경 둘 모두에게 윈-윈 상황"이라면서 "이 기술은 확장성이 매우 크기 때문에 흥미롭다. 우리 제품들은 상업 출시 5년 만에 미국에서 이미 1,300만 에이커 이상에 사용되었는데 이는 실제적인 영향을 주고 있다는 것으로 해석된다"고 말했다.
바소 박사도 동의한다. 그는 "이 기술이 계속 발전하여 더 많은 질소를 농작물에 공급하고, 환경 오염과 전체 농업의 탄소 배출 감소로 이어진다면, 이는 질소 관리의 게임 체인저가 될 것"이라면서 "우리가 합성 비료를 더 효율적이고 지속 가능한 질소 공급원으로 대체하여 작물 수확을 늘리면 늘릴 수록, 농민, 지역 사회, 그리고 환경 모두에게 더 좋은 결과를 가져 올 것"이라고 말한다.
이 논문 전체는 사이언티픽 리포트 지에서 확인할 수 있다. 2011년에 창간된 사이언티픽 리포트 지는 자연 및 임상과학 전반에 걸친 주목할 만한 독창적인 연구를 발표하는 네이처(Nature) 포트폴리오의 오픈 액세스 저널이며 엄격한 피어 리뷰 프로세스로 유명하다.
피벗 바이오
피벗 바이오는 변동성이 커지는 상황에서 자연의 힘을 활용하여 전 세계가 필요로 하는 식량을 안정적이고 생산성 높게 재배할 수 있는 특허 작물 영양 기술을 농민들에게 제공하는 선도적이며 지속 가능한 농업 회사이다. 현재 북미와 곧 브라질에서 구입할 수 있는 동사 제품들은 획기적이며 혁신적인 제품들이다. 동사 제품들은 업계에서 가장 유망한 기후 솔루션 중 하나이다. 동사의 질소는 기후에 강하고, 더 안전하게 취급할 수 있으며, 질소 산화물 침출을 일으키거나 누출되지 않는다. 피벗 바이오는 타임 지가 선정한 연례 최고의 발명품 목록에 세 번이나 올랐으며, 패스트 컴퍼니가 선정한 세계를 변화시키는 아이디어와 전 세계 가장 혁신적인 50대 기업, CNBC가 선정한 혁신적인 50대 비공개 기업, 포춘이 선정한 사회적 선을 견인하며 영향력 있는 20대 스타트업, MIT 테크 리뷰 지가 선정한 주목해야 할 15개 기후 기술 회사 중 하나에 올랐다. 상세 정보는 PivotBio.com에서 입수할 수 있다.
