질소 고정 곡물 작물

생명공학의 꿈을 현실로 만들기

화학 비료 : 그것이 어떻게 돕고 상처를 주는가. 질소는 식물의 성장을 가능하게 하는 핵심 영양소입니다. 콩과 식물과 같은 식물은 공기로부터 질소를 고정하고 토양에 넣을 수 있는 박테리아와의 공생 관계를 통해 자신을 제공할 수 있으며, 그런 다음 식물이 뿌리를 통해 끌어올립니다. 옥수수, 밀, 쌀과 같은 주요 식량 작물을 포함한 다른 유형의 작물은 일반적으로 분뇨, 퇴비 및 화학 비료를 포함한 질소 비료에 의존합니다. 이것들이 없으면 자라는 식물은 더 작고 곡물을 적게 생산합니다. 오늘날 35 억 명이 넘는 사람들이 음식을 위해 화학 비료에 의존하고 있습니다. 오늘날 화학 질소 비료의 80 % 는 니트릴 가스를 암모니아로 변환하는 Haber-Borsch 공정을 사용하여 만들어집니다. 질소 비료는 지난 세기에 농업 생산량을 늘 렸지만 상당한 비용이 발생했습니다. 첫째, Haber-Borsch 공정 자체는 매우 에너지와 화석 연료 집약적이므로 급변하는 기후에 직면하여 지속 불가능합니다. 둘째, 화학 비료를 너무 많이 사용하면 질소 오염이 발생합니다. 비료 유출은 강과 바다를 오염시켜 조류가 번성하여 해양 생물을 질식시킵니다. 이 오염을 정화하고 공중 보건 및 환경 피해에 대한 비용을 지불하는 데 미국은 연간 1,570 억 달러를 지출합니다. 셋째, 화학 비료에 관해서는 형평성과 접근성에 문제가 있습니다. 이 비료는 주요 성분 인 포스트 애쉬가 풍부한 주요 선진국에서 북반구에서 생산됩니다. 그러나 특히 남반구 국가의 경우 운송 비용이 높습니다. 따라서 가난한 지역의 농부들에 게이 장벽은 작물 수확량을 감소시킵니다. 이러한 환경 및 사회적 문제는 큰 문제를 야기하지만, 특히 인구와 기후 변화가 세계의 식량 공급을 압박하기 때문에 농부들은 세계의 식량 수요를 충족하기 위해 필요한 농업 생산성을 유지하기 위해 여전히 질소를 적용해야 합니다. 따라서 비료는 중요한 도구이며 앞으로도 계속될 것입니다. 하지만 다른 방법이 있을까요? 엽록체와 미토콘드리아의 박테리아 호환성 이것이 바로 Voigt 연구소의 연구자들이 질소 고정 시리얼 곡물을 개발하기 위해 노력하는 문제입니다. 그들이 개발 한 전략은 nif 유전자라고 불리는 콩과 식물과 공생 적으로 작동하는 질소 고정 박테리아의 특정 유전자를 표적으로 삼는 것입니다. 이 유전자는 공기로부터 질소를 고정하는 단백질 구조 (질소 화 효소 클러스터)의 발현을 유발합니다. 이 유전자가 곡류 작물에서 성공적으로 전달되고 발현될 수 있다면, 이 작물이 질소를 스스로 얻을 수 있기 때문에 필요한 질소를 추가하기 위해 화학 비료가 더 이상 필요하지 않을 것입니다. 그러 나이 유전 공학 작업은 오랫동안 중요한 기술적 과제로 간주되어 왔습니다. NIF 경로는 매우 크고 다양한 유전자를 포함한다. 큰 유전자 클러스터를 전달하는 것은 그 자체로 어려운 작업이지만이 특정 경로에는 복잡성이 추가됩니다. 미생물의 nif 유전자는 상호 연결된 유전 부분의 정확한 시스템에 의해 제어됩니다. 경로의 질소 고정 기능을 성공적으로 전달하기 위해 연구자들은 유전자 자체를 전달해야 할 뿐만 아니라 경로를 제어하는 세포 구성 요소도 복제해야 합니다. 이것은 또 다른 도전으로 이어집니다. 콩과 식물에서 질소 고정을 담당하는 미생물은 원핵생물이며, 지난 2 년 동안이 프로젝트를 진행해온 Voigt 연구소의 박사 후 연구원 인 Eszter Majer는 “유전자 발현은 식물에서 완전히 다릅니다. , 진핵 생물입니다.” 예를 들어 원핵생물은 자신의 유전자를 오페론으로 구성하는데, 이는 Voigt가 실험에 사용하는 담배 잎과 같은 진핵 생물에는 존재하지 않는 유전 적 조직 체계입니다. 진핵 생물에서 nif 경로를 재 설계하는 것은 완전한 시스템 점검과 같습니다. Voigt 연구소는 해결책을 찾았습니다. 식물 세포 전체를 표적으로하는 것이 아니라 세포 내 세포 기관, 특히 엽록체와 미토콘드리아를 표적으로 삼고 있습니다. 미토콘드리아와 엽록체는 모두 고대 세균 기원을 가지고 있으며 한때 진핵 세포 외부에서 원핵 생물로 독립적으로 살았습니다. 수백만 년 전, 그들은 세포 기관으로 진핵 시스템에 통합되었습니다. 그들은 자신의 유전 데이터를 가지고 있으며 현대 원핵 생물과 많은 유사성을 유지한다는 점에서 독특합니다. 결과적으로, 그들은 질소 화 효소 전달을위한 훌륭한 후보입니다. Majer는“전체 경로를 재 설계하고 진핵 생물로 옮기려고 시도하는 것보다 원핵 생물에서 원핵 생물 유사 시스템으로 옮기는 것이 훨씬 쉽습니다.”라고 설명합니다. 유전자 구조 외에도 이러한 세포 기관은 질소 화 효소 클러스터가 기능하기 위한 적절한 환경을 만드는 추가 속성을 가지고 있습니다. 질소 분해 효소는 기능하는 데 많은 에너지를 필요로 하며 엽록체와 미토콘드리아는 이미 세포를 위해 ATP 형태로 다량의 에너지를 생성합니다. 질소 분해 효소는 또한 산소에 매우 민감하며 환경에 산소가 너무 많으면 작동하지 않습니다. 그러나 밤에는 엽록체와 식물의 미토콘드리아는 산소 수준이 낮아 질소 분해 효소 단백질이 작동하기에 이상적인 위치입니다. 국제 전문가 팀 팀은 진핵 세포를 변형하기 위한 접근법을 고안했지만, 그들의 프로젝트는 여전히 고도의 기술적 생물학적 공학 과제를 수반했습니다. J-WAFS 보조금 덕분에 Voigt 연구소는 해외 대학의 두 전문가와 협력하여 중요한 전문 지식을 얻을 수 있었습니다. 하나는 스페인 마드리드 폴리 테크닉 대학교에서 질소 고정의 생화학을 연구하는 부교수 인 루이스 루비오 (Luis Rubio)였습니다. Rubio는 질소 화 효소 및 질소에서 영감을받은 화학의 전문가입니다. 미토콘드리아 DNA를 변환하는 것은 어려운 과정이므로 팀은 효모를 사용하여 질소 효소 유전자 전달 시스템을 설계했습니다. 효모는 조작하기 쉬운 진핵 생물이며 미토콘드리아를 표적으로 삼는 데 사용할 수 있습니다. 연구팀은 효모 핵에 질소 분해 효소 유전자를 삽입 한 다음 펩티드 융합을 사용하여 미토콘드리아를 표적으로 삼았습니다. 이 연구는 질소 화 효소 구조 단백질의 형성을 입증 한 최초의 진핵 생물을 탄생 시켰습니다. Voigt 연구소는 또한 독일 막스 플랑크 분자 식물 생리학 연구소의 엽록체 전문가 인 Ralph Bock과 협력했습니다. 그와 Voigt 팀은 질소 고정 곡물 작물의 목표를 향해 큰 진전을 이루었습니다. 밭작물 공학을 발전시키고 질소 고정 작업을 추진하는 최근의 성과에 대한 세부 사항은 몇 달 안에 발표 될 것입니다. 꿈을 계속 추구 J-WAFS의 지원과 그 결과 귀중한 국제 협력을 통해 Voigt 연구소는 획기적인 결과를 얻을 수 있었고 질소 고정 곡물을 통해 비료 독립에 더 가까이 다가 갈 수있었습니다. 그들은 질소 효소를 미토콘드리아로 표적화하는 데 앞장서고 효모 미토콘드리아에서 질소 효소 클러스터의 핵심 단백질 인 완전한 NifDK 사량 체를 발현 할 수있었습니다. 이러한 이정표에도 불구하고 더 많은 작업이 아직 완료되지 않았습니다. Chris Voigt는 “Voigt 실험실은 질소 고정 곡물을 만드는 꿈에 더 가까이 다가가기 위해이 연구를 진행하는 데 투자되었습니다. 이러한 이정표를 바탕으로 이 연구자들은 큰 발전을 이루 었으며 전 세계적으로 곡물 생산에 혁명을 일으킬 수 있는이 혁신적인 비전의 실현을 계속 추진할 것입니다.