햇빛과 물과 공기로부터 포도당을 합성하는 광합성 과정에는 흠잡을 데가 없지만, 상당수 식물들의 광합성 효율에는 개선의 여지가 있다. 과학자들은 식물에 남조류(blue-green algae)의 효소를 장착하여 이산화탄소가 당(糖)으로 전환되는 속도를 향상시킴으로써, 식물의 광합성 효율을 증대시키는 데 한걸음 더 다가섰다. Nature 9월 17일호에 실린 이번 연구결과는(참고 1), 식량증산을 가로막고 있는 걸림돌을 제거한 획기적 성과로 평가된다.
"증가하고 있는 세계인구를 부양하려면 식량증산이 필요하다. 그러나 농경지의 이용을 증가시키는 데는 한계가 있기 때문에, 세간의 관심은 작물의 소출을 증가시키는 데 쏠려 있다"고 듀퐁 작물보호 사업부의 스티븐 구테릿지 박사는 말했다.
과학자들은 오랫동안 농작물의 소출을 증가시키기 위한 수단으로 루비스코(Rubisco)라는 효소에 주목해 왔다. 루비스코는 이산화탄소를 당으로 전환시키는 효소로, 지구상에 가장 풍부하게 존재하는 단백질이며, 잎에서 발견되는 수용성 단백질의 절반을 차지한다. 그러나 뒤집어 말하면, 루비스코가 그렇게 풍부하게 존재한다는 것은 루비스코의 비효율성을 반영하는 것이라고 볼 수 있다. 즉, 식물들은 루비스코의 느린 촉매작용을 보상하기 위해 다량의 루비스코를 생성한다는 것이다. 어떤 과학자들은 "루비스코에 조작을 가하고 이산화탄소의 농도를 증가시킬 경우 쌀이나 밀의 수확량을 최대 60%까지 증가시킬 수 있다"고 추정한 바 있다(참고 2).
코넬 대학교의 모린 핸슨 교수(유전학)가 이끄는 연구진은 남조류인 Synechococcus elongatus가 보유한 빠른 루비스코를 빌려와 식물에 장착해 보기로 결정했다. 연구진은 로담스테드 연구소의 마틴 패리 박사(식물생리학)의 도움을 받아, 담배의 엽록체에 S. elongatus의 루비스코 유전자를 삽입했다. 한편 연구진은 루비스코의 폴딩을 도와주는 단백질과 루비스코를 구조적으로 지지하는 단백질도 첨가했다. (담배는 유전공학 연구에 흔히 사용되는 모델이다.)
연구 결과, S. elongatus의 루비스코 유전자가 장착된 담배들은 광합성을 활발히 수행하여, 정상적인 담배보다 빠른 속도로 이산화탄소를 당으로 전환시키는 것으로 나타났다. "이번 연구는 `루비스코의 효율이 높으면 식물의 생산성이 높아질 수 있다`는 가설을 입증하는 중요한 근거자료를 제시했다"고 일리노이 대학교의 도널드 오트 교수(식물생물학)는 말했다.
그런데 이번 연구에는 한 가지 문제점이 있다. 세균의 루비스코가 담배의 루비스코보다 빨리 작동하는 것은 사실이지만, 이산화탄소보다 산소와 반응함으로써 에너지를 낭비하는 경향이 있다. 따라서 광합성 세균은 카르복시솜(carboxysome)이라는 전문화된 구조체를 이용하여 이 문제를 극복한다. 카로복시솜은 루비스코를 울타리 속에 가둬 이산화탄소가 풍부한 환경을 조성함으로써 낭비적인 반응을 막는 역할을 한다.
연구진의 노력으로 탄생한 유전자조작 담배는 카르복시솜을 갖고 있지 않은 데다가 루비스코의 양도 적어, 이산화탄소를 고농도로 유지하기 위해 밀폐된 방(房) 안에서 재배해야 하는 문제점이 있다. 그러나 이 같은 문제점을 해결할 희망이 보이고 있다. 지난 6월 연구진은 "세균의 카르복시솜과 유사한 구조체를 생성하는 담배를 만드는 데 성공했다"고 보고했다. 핸슨 교수에 의하면, 연구진의 다음 과제는 `세균의 루비스코를 보유한 담배에 이 구조체를 발현시키는 것`이라고 한다. 오트 교수는 향후 5년 이내에 기능적 카르복시솜을 보유하는 담배가 탄생할 수 있을 것으로 전망하고 있다.
※ 참고문헌
1. Lin, M. T., Occhialini, A., Andralojc, P. J., Parry, M. A. J. & Hanson, M. R. Nature
http://dx.doi.org/10.1038/nature13776 (2014).
2. McGrath, J. M. & Long, S. P. Plant Physiol. 164, 2247–2261 (2014).
3. Lin, M. T. et al. Plant J. 79, 1–12 (2014).
출처: KISTI 미리안 글로벌동향브리핑
원문:
http://www.nature.com/news/hacked-photosynthesis-could-boost-crop-yields-1.15949 제공:kisti, 다른기사보기기사등록일시 : 2014.12.02 11:26
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