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英 연구팀, 작물 생산량 높일 수 있는 광합성 재설계 방법 고안
등록일 : 2019-11-29 09:37 | 최종 승인 : 2019-11-29 09:39
김영석
광합성은 해조류와 식물, 박테리아 등이 햇빛에서 에너지를 활용하고 화학에너지로 전환하는 과정이다(사진=123RF)
 

[리서치페이퍼=김영석 기자] 영국 셰필드대학이 광합성에 대한 핵심 요소 중 하나에 대한 비밀을 풀었다. 이번 연구로 광합성을 재설계해 농작물 생산량을 높이고 점점 늘어가고 있는 세계 식량 보안 문제를 해결할 수 있으리라는 분석이다.

광합성의 '뛰는 심장'

이번 연구 결과에 따르면, '시토크롬 b6f'라는 단백질 복합체의 구조가 광합성을 통한 식물 성장에 영향을 미친다. 연구팀은 이 단백질 복합체를 광합성의 '뛰는 심장'이라고 표현했다.

광합성은 해조류나 식물, 박테리아 등이 햇빛을 받아 에너지를 활용하고 이 에너지를 다시 화학 에너지로 전환하는 일련의 과정을 일컫는다. 이러한 광합성은 자연에 의한 하나의 과정이지만, 학자들은 광합성의 결과를 개선하고 강화하기를 원했다.

이 같은 광합성은 인간 문명과 생물권을 유지할 수 있는 에너지와 산소, 식량을 제공하기 때문에 지구 위의 생명체의 토대라고 해도 과언이 아니다. 연구의 수석 저자인 로나 말론 박사는 시토크롬 b6f가 전류를 사용하는 방법을 연구했다. 그리고 살아있는 세포에서 광합성 과정을 유도하기 위해 에너지를 공급하는 복합 유기화학물질인 아데노신 3인산(ATP)를 만들기 위해 저장된 에너지를 사용하는 방법을 조사했다. 이는 식물에 에너지를 제공하는 반응으로 이산화탄소를 바이오매스와 탄수화물로 전환해 식량 사슬을 유지하게 만든다.

 

광합성 재설계하기

셰필드대학 식물 생물학자 매트 존슨 박사는 농작물 생산량을 높이기 위해 식물의 광합성을 합리적으로 재설계하기를 원했다. 2050년까지 세계 인구가 90억~100억 명에 이르면 이만한 인구를 유지할 수 있는 식량이 필요하기 때문이다. 이 때문에 존슨 박사는 시토크롬 b6f 수치를 조작해 사람과 식물을 도울 방안을 연구했다.

이를 위해 저온전자 현미경을 사용해 시토크롬 b6f의 고해상도 구조 모델을 개발했다. 이는 단백질 복합체의 복잡한 형태를 파악하고 광화학계Ⅰ과 광화학계Ⅱ의 전기적 연관성을 시각화하는 데 도움이 됐다. 광화학계Ⅰ과 Ⅱ는 엽록체에 들어있는 한 쌍의 엽록소 단백질이다.

연구팀은 다른 조절 단백질로 시토크롬 b6f를 조절하는 방법과 단백질 복합체의 기능에 영향을 미치는 방법을 추가로 연구하길 원하고 있다.

학자들은 농업 생산량을 증대하기 위해 광합성을 재설계할 방안을 고안하길 원했다(사진=123RF)
 

한편, 일리노이대학 식물 생물학자 아만다 카바나흐 박사는 시토크롬 b6f 단백질 복합체의 일부를 증가시키면 식물의 성장을 유도할 수 있다고 말했다. 그러나 표적으로 삼아야 하는 요소가 무엇인지 정확하게 짚어내는 것이 어렵다고 덧붙였다.

한편, 이번 연구에서는 글리콜산염을 처리할 수 있는 새로운 프로세스를 개발하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 사용했다. 글리콜산염이란 광호흡의 부산물로 식물에 독소로 작용한다. 연구팀은 새로운 DNA를 담배 식물의 엽록체와 연결시켰다. 그리고 실험을 통해 담배 식물이 생산하는 바이오매스의 양이 40% 이상 증가했다는 것을 확인했다.

환경에 부작용을 미치지 않고 농업 생산성 증대하는 방법

2015년, 중국 연구팀이 환경에 부작용을 유발하지 않고 농업 생산성을 높일 수 있는 혁신적인 방안을 도입했다. 연구팀은 옥수수와 밀, 쌀과 같은 주요 생산 지역에서 150회 이상의 실험을 거친 후 최적화된 영양소와 기후, 현지 토양 상태가 생산량을 증대하고 비료 의존도를 줄일 수 있다는 것을 확인했다. 중국은 최대 농업 국가로 세계에서 비료를 가장 많이 사용하는 소비 국가이기도 하다. 그리고 연구팀은 통합 토양-작물 시스템 관리를 도입해 농작물과 현지 기후 및 토양을 일치시키는 방안을 개발했다.

농업 산업 솔루션 제공 기업인 바이오플로라에 따르면, 오늘날 농가에서 직면하는 문제는 저생산 토양과 토양 병원균, 열악한 수자원 활용이다. 토양의 질이 악화되면, 작물 생산량과 품질이 낮아진다. 따라서 바이오플로라는 작물 생산량을 높이기 위해 처음부터 변화가 필요하다고 주장했다. 예를 들어, 토양에 작물 생산량을 낮추는 요인이 있는지 혹은 영양소가 부족하지 않은지 테스트를 해야 한다는 것이다.

 

[리서치페이퍼=김영석 기자]
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