Gun들지마의 Bioinformatics 생명정보학

비료를 뿌리고 있는 인도의 한 농부. 질소를 공기로부터 직접 고정할 수 있는 식물은 이러한 비료의 사용을 줄일 수 있습니다. 사진출처: Visuals Stock/Alamy Stock Photo

질소는 농산물 생산량을 결정짓는 주요 영양소 중의 하나이므로, 질소 기반의 화학 비료는 정기적으로 농업에 이용되고 있습니다. 선진국에서는, 이러한 비료의 과도한 사용이 환경 및 비용 면에서 문제가 되고 있으며 (1), 반면에 후진국에서는 이 비료의 부족으로 농작물 생산량이 감소하여 굶주림과 영양 실조를 초래합니다. 이러한 문제들은 만약 식물이 대기 중에서 바로 질소를 흡수 및 사용할 수 있다면 대부분 해결될 것입니다.

약 100년 전에는 과학자들이 질소를 고정하는 박테리아를 농작물의 뿌리에 공생관계로 만드는 시도를 하였습니다 (2). 현대의 DNA 기반 기술의 발전은 1970년대에 두번째 방법을 고안해내게 했습니다. 그것은 질소 고정 관련 유전자를 식물에 직접 주입하는 것이었습니다. 하지만, 이러한 방법은 당시에는 현실화 되지 못하였습니다 (3, 4). 이 글에서는 두번째 방법인 질소 고정 유전자를 식물에 주입하여 nitrogenase (주. 질소를 고정하여 암모니아로 만드는 효소)를 만들게 하는 연구의 현재와 미래에 대해 살펴보겠습니다.

생명체에서 질소를 고정하는 반응은 Nitrogenase 에 의해 진행되며, 이 효소는 여러 유전자를 요구하는 복잡하고 산소에 매우 민감한 효소입니다 (5). 가장 연구가 활발하게 진행된 nitrogenase 인 molybenum (Mo) nitrogenase 는 철분 (Fe) 단백질인 NifH 와 MoFe 단백질인 NifDK 로 구성되어 있습니다 (5). 유전자 적인 측면에서 볼 때에, 대장균에서 Mo nitrogenase 의 활성화를 위한 최소한의 요소는 위의 두 단백질을 발현하는 유전자 (nifH, D, K)와 구조적인 요소의 정확한 폴딩을 위한 샤페론 (nifM), 전자 전달 단백질 (electron-transfer protein) 유전자인 nifF와 J, 그리고 공동인자 조립 단백질 (cofactor assembly protein) 등이 필요합니다 (3, 6).

López-Torrejón 등은 질소 고정 박테리아인 Azotobacter vineladii 의 nifH 와 nifM 유전자를 효모인 Saccharomyces cerevisiae 의 유전체에 집어넣는 데 성공했습니다 (7). NifH 와 NifM 의 발현은 공동인자 조립 단백질 (NifS, NifU)이 없는 상태에서도 활성화된 nitrogenase Fe 단백질을 생성하였습니다. 이 결과는 미토콘드리아가 산소에 민감한 Fe 단백질을 보호하여 그 단백질의 조립을 성공적으로 할 수 있다는 것을 보여주었습니다.

질소 고정 식물의 예상도. 박테리아 유전자인 nif를 식물에 집어넣어 대기 중의 질소를 식물에서 직접 고정할 수 있도록 하는 연구가 진행되고 있습니다. 이러한 식물을 농작물로 사용한다면 비료의 사용을 줄일 수 있을 것입니다. ADP: adenosine diphosphate, Pi: inorganic phosphate, 그림 출처: A. Kitterman/Science

Nitrogenase 유전자를 식물에 직접 집어 넣는 연구도 진행 중에 있습니다. Progress has also been made in introducing nitrogenase genes into plants. Ivleva 등은 nifH 와 nifM 유전자를 담배 엽록체 유전체에 삽입하여서 이 유전자 조작 식물이 어느 정도의 Fe 단백질을 발현하는 것을 입증하였습니다 (8). Burén 등은 호열성 메탄 생성 미생물인 Methanocaldococcus infernus 로부터 얻은 인공 NifB 단백질을 담배에서 발현하였습니다 (9). Allen 등은 담배 작물에서 다양한 nitrogenase 단백질이 미토콘드리에를 타겟으로 일시적으로 발현 가능한 것을 보여주었습니다 (10). 또한, Yang 등은 식물에 기반한 전자 전달 연쇄계 (electron transport chain) 작용이 박테리아의 전자 전달 요소를 대체할 수 있다는 것을 보였습니다 (11)

이러한 연구들은 과학자들이 다양한 nitrogenase 유전자의 기능을 분석할 수 있는 가능성을 열어주는 것으로, 유전자 조작 식물들이 nitrogenase 중 산소에 민감한 부분인 Fe 단백질을 여러 세포 소기관에서 생성하여 박테리아에서 생성된 MoFe 단백질과 합쳐지면 기능을 발휘할 수 있는 것입니다 (7). 하지만, 이를 위하여 극복해야할 장애물들도 여전히 존재합니다. 예를 들어, 식물에서 생성된 nitrogenase 가 활성화 되기 위한 nif 유전자의 최소 개수, 식물의 어떠한 세포 소기관 (엽록체 혹은 미토콘드리아)를 타겟으로 할 지의 여부, 그리고 제 기능을 하기 위한 최적의 nitrogenase 발현양 등이 있습니다. Nitrogenase 는 대량의 ATP 를 사용하지만, 질소를 고정시키기 위한 에너지는 이론적으로 질산을 흡수하기 위한 에너지와 동일합니다 (12). 게다가, 콩과 식물에서 질산의 유무에 따른 생화학적인 질소 고정에 필요한 에너지를 측정하려는 시도는 식물의 생장에 (뿌리의 초기 성장기를 제외하면) 거의 영향이 없다는 것을 밝혀내었습니다 (12). 질소 고정의 생산물인 암모니아는 식물에게 독성을 가지지만, 식물은 암모니아를 미토콘드리아에서 세포질로 이동 시키고 그 후 물관 (xylem)으로 이동 시키는 ammonium gransporter 를 가지고 있습니다. 질소 고정의 결과로 생산된 암모니아가 식물에게 독성을 갖기에 충분한 양이 된다면, 어떤 면에서는 이 연구에 흥미로운 성공을 나타낼 수도 있을 것입니다.

유전자 조작된 식물이 연구실에서 nitrogenase 의 발현을 나타내게 된다면, 이러한 기술을 실제 농업에 적용 하는 데에도 많은 장애가 있을 것입니다. 유전자 조작 식물에 대한 대중의 편견을 차치하고도 말입니다. 모든 부작용들을 예상할 수는 없지만, 가장 좋은 방법은 과학자들 사이에서 질소 고정 식물 개발에 사용되는 모델 식물을 정하는 것도 포함할 것입니다. 유용한 쌍떡잎 식물 중에는 고전적인 모델인 담배를 포함하여 콩과가 아닌 씨앗에서 기름을 얻는 유채, 혹은 쌀과 밀 또한 좋은 선택이 될 것입니다.

질소 고정 식물의 개발로 인한 경제적인 이익은 상당할 것으로 예상됩니다. 전세계 적으로, 매해 1천억 달러 이상의 돈이 비료에 사용되며, 이 규모는 환경적인 이득을 포함하면 더욱 커질 것입니다. 미국에서만 농업 관련 질소 환경오염은 매년 1천5백7십억 달러의 비용이 드는 것으로 추산됩니다 (13). 비료의 사용은 기후 변화에도 영향을 미칩니다. UN의 기후 변화에 관한 정부간 협의체 (The Intergovernmental Panel on Climate Change; IPCC) 는 질소 비료의 1%가 질산의 형태로 소실되며, 이것은 3억톤의 이산화탄소와 동일한 영향을 끼치고, 매해 45억 달러의 가치가 있다고 합니다 (14). 질소 고정 식물은 식품 생산의 가격을 줄일 뿐 만 아니라, 이론적으로는, 많은 환경적인 비용도 해결할 것으로 예상됩니다.하지만, 현재 전세계에서 이러한 연구에 투자되는 비용은 비료에 쓰이는 어마어마한 돈의 극히 일부분인 5백만 에서 1천만 달러 사이일 뿐입니다.

충분한 연구비가 투자된다면, 앞으로 10년 안에 대기에서 질소를 흡수하는 유전자 조작 식물이 나오는 것도 불가능 한 일은 아닐 것입니다. 하지만, 진정한 어려움은 실제 농업에서 쓰일 정도로 실용성이 있느냐 입니다. 질소 고정에 관한 생화학적 및 유전자적인 현재의 우리의 이해도 및 최근의 식물 변형 기술의 발전으로 보아, 질소 고정 농작물의 꿈은 앞으로 수십년 안에 이루어질 것으로 보입니다.

References
1. J. N. Galloway et al., Science 320, 889 (2008).
2. T. J. Burrill, R. Hansen, Ill, Agric. Exp. Stn. Bull. 202, 115 (1917).
3. E. J. Vicente, D. R. Dean, Proc, Natl, Acad, Scie. U.S.A. 114, 3009 (2017).
4. P. H. Beatty, A. G. Good, Science 333, 416 (2011).
5. L. C. Seefeldt et al., Annu. Rev. Biochem. 78, 701 (2009).
6. J. Yang et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 111, E3718 (2014).
7. G. Lopez-Torrejon et al., Nat. Commun. 7, 11426 (2016).
8. N. B. Ivleva et al., PLOS ONE 11, e0160951 (2016).
9. S. Buren et al., Front. Plant Sci. 8, 1567 (2017).
10. R. S. Allen et al., Front. Plant Sci. 8, 287 (2017).
11. J. Yang et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 114, E2460 (2017).
12. I. R. Kennedy, Y. T. Tchan, Plant Soil 141, 93 (1992).
13. D. K. Sobota et al., Environ. Res. Lett. 10, 025006 (2015).
14. Based on the current value of CO₂ on the California carbon exchange of $15 ton. IPCC; 1% = 1 MMT = 30 MMT carbon equivalents. At a current cost of $15 per MT, this is equivalent to $4.5 billion annually.