식물의 생산성을 높일 수 있는 광합성 방법 개발

식물이 빛의 모든 파장을 이용할 수 있다면 이는 생물공학의 새로운 길을 보여줌과 동시에 식물의 재배 측면에서도 많은 발전을 가져올 수 있음. EU의 지원으로 진행된 EngiNear-IR 프로젝트는 식물이 모든 파장을 이용하여 광합성을 할 수 있는 방법을 개발하였음.

지구상의 모든 동식물들이 그러한 것처럼 식물들은 생명을 유지하는 데 필요한 적절한 조건을 갖추고 있음. 선인장은 가시를 통해 목마른 동물들로부터 자신을 지키기도 하지만 광합성으로부터도 자신을 지킴. 다른 대부분의 식물들은 엽록체를 이용하여 최대한 많은 붉은 광선을 흡수하지만 선인장의 경우 붉은 광선이 필요하지 않으므로 엽록체를 최소한으로 사용하거나 거의 사용하지 않음.

다니엘 캔니프(Daniel Canniffe)박사는 이와 같은 점에 착안하여 광합성에 대한 연구를 시작하였음. 다니엘 캔니프 박사는 엽록소, 카로티노이드(Carotenoid) 등의 색소를 통한 광합성의 경로에 집중하면서 새로운 색소 개발을 추진하였음. 그의 목표는 새로운 색소의 개발을 통해 광합성의 범위를 확장하는 것이었음.

다니엘 캔니프 박사에 따르면 산소 광합성을 수행하는 유기체는 단백질과 색소가 복합된 두 개의 광화학계를 직렬로 사용하지만 이 두 광화학계는 같은 파장의 빛을 흡수함. 만약 두 개의 광화학계 중 하나가 다른 파장의 빛을 흡수하도록 설계할 수 있다면 두 광화학계는 같은 파장의 빛을 얻기 위해 서로 경쟁할 필요도 없을 뿐 아니라 빛의 흡수량은 두 배가 될 수 있음. 광합성 양의 증가는 식물 수확량의 증가를 의미하므로 이는 90억 인구를 위해 2050년까지 현재 수확량의 두 배를 확보해야하는 세계적 과제를 해결하는 데 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대됨.

다니엘 캔니프 박사는 박테리아 숙주에서 광색소의 생합성에 성공하였으며, EngiNear-IR 프로젝트는 이 색소를 식물의 반응 기관들에 결합하여 태양 파장의 근적외선 영역을 활용할 수 있는 새로운 광합성 시스템 개발을 시도하였음.

연구팀은 다양한 광합성 유기체의 반응구조를 파악할 수 있었으며 이를 통해 단백질을 채우고 있는 기존 색소가 다른 색소로 쉽게 대체될 수 있다는 사실을 확인할 수 있었음. 또한 아미노산을 사용하여 기존 단백질의 크기와 모양 재현에 성공하였음. 이렇게 새롭게 설계된 단백질을 암호화할 수 있는 DNA는 연구실에서도 수정이 가능하며, DNA 합성 업체에 생산의뢰를 할 수도 있음. 다니엘 캔니프 박사는 이 DNA가 광합체인 박테리아에 직접적으로 도입될 수 있다고 밝힘.

다니엘 캔니프 박사의 여러 성과들 중 눈여겨 볼 것은 엽록소 F의 형성을 담당하는 효소의 개발임. 엽록소 F는 가시범위 밖의 극적색광에서 광합성을 가능하게 하는 색소로 이 개발은 큰 의미가 있음. 다니엘 켄니프 박사는 1000 nm 이상의 파장으로 근적외선 복사를 사용하는 유기체의 반응구조 파악에도 일조하였음. 이는 빛보다는 열을 흡수하는 것에 가까운 적외선 광화학계로 자연에서 발견된 가장 극단적인 광화학계라 할 수 있음.

EngiNear-IR 연구는 생물공학 응용에도 광범위하게 활용될 수 있음. 다니엘 캔니프 박사는 빛을 더 많이 흡수하는 박테리아는 공기 중의 이산화탄소를 더 많이 제거할 수 있을 뿐 아니라, 흡수된 이산화탄소를 통해 생산된 당분은 바이오 연료나 의약품 같은 고부가가치 제품으로 활용될 수 있을 것이라고 강조함. 아울러 작물의 광합성 증가는 농작물 수확량을 증가와 직결되며, 농작물 재배 가능 기간을 연장해줌으로써 농업에 큰 영향을 줄 것으로 기대됨.

다니엘 캔니프 박사는 EngiNear-IR 프로젝트는 2018년 11월 종료되었지만 발표를 준비하고 있는 많은 성과들이 있다며 많은 관심과 지원을 호소함.

출처: CORDIS

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