광합성에 의하지 않고 작물을 생산할 수 있을까?

광합성에 의하지 않고 작물을 생산할 수 있을까?

-제일보가 되는 연구에 성과-

 

 

 

 

 

우주에서 자급자족이나 적은 공간에서의 식료생산에 새로운 문

 

유채의 묘는 초산염을 영양분으로 하여 취할 수가 있다. 초산염은 단순한 유기물로 태양광 발전한 전기를 써서 이산화탄소나 물을 만둘 수가 있다.

SF작품에서는 화성의 지하도시, 태양에서 멀리 떨어진 우주정거장 등의 미래의 살림살이를 그리고 있다. 지구상과는 전혀 다른 이러한 가혹한 환경에서 인간이 살아남기 위해서는 한정된 자원을 활용하여 식료를 생산하지 않으면 안 된다. 식물이 태양광을 당으로 바꾸는 광합성은 지구상에서는 대성공을 거두고 있는데 에너지의 효율이 나쁘기 때문에 지구 외에서는 쓸모가 없을는지 모른다.

그래서 일부 과학자들은 광합성에 의지하지 않고 식물을 키운다는 것으로 보다 효율이 좋게 식료를 생산할 수 있는 것이 아닌가 하고 생각하게 되었다.

 

화성의 도시와 같은 정도의 SF같은 이야기이지만 어느 연구팀이 6월 23일부 학술지 「Nature Food」에 논문을 발표하여 실현을 향한 제일보를 내디뎠다. 연구에서는 태양광발전을 이용하여 만든 초산염이라는 화합물을 영양으로 하여 어둠 속에서 조류(藻類)나 효모, 균류를 키울 수 있음이 나타났다.

과학자들은 이 방법은 일종의 <인공광합성>이고 종래의 농업보다도 적은 물리적 공간과 에너지로 식료를 생산하는 새로운 방법의 문을 열 것이라고 기대하고 있다.

다른 연구자들은 식물의 생태를 여기까지 근본적으로 바꿀 수 있는지 회의적이기는 하지만 이번의 기술이나 발상의 자유로움에는 기대를 걸고 있다.

<우리들은 식물을 더 효율 좋게 재배하는 방법을 생각하지 않으면 안 된다.>고 말하는 것은 논문 공저자인 미국 델라웨이대학(University of Delaware）의 화학. 생체분자공학 교수 팬 자오 씨이다. <어느 방법이 최적인가? 나는 모든 가능성을 찾는 것이 과학의 훌륭함이라고 생각하고 있다.>

자료 : 본문

자연보다도 효율 좋게

 

해저의 열수분출공에서 나오는 유화수소를 이용하여 살아있는 심해생불 등 극히 소수의 극한 환경생물을 제외하고 지구상의 거의 모든 생물은 태양을 에너지원으로 하고 있다. 호랑이나 상어 같은 정점 포식자도 물론이다. 육상의 식물이나 해양의 식물 플랑크톤 등이 광합성에 의하여 만들어낸 유기물을 복잡한 식물망을 통하여 이용하고 있다.

광합성은 생물로서 뺄 수 없는 과정인데 그 에너지 변환효율은 높지 않다. 식물에 쏟아지는 태양광 중 실제로 유기물의 생성에 이용되는 것은 겨우 1%정도이다. 인류가 우주에서 자급자족생활을 영위하기 위해서는 가능한 한 적은 자원으로 식료를 생산하는 것이 불가결인 때문에 광합성의 효율의 나쁨은 큰 문제가 된다.

또 지구상의 인구가 증가하여 같은 면적의 토지에서 많은 식물을 생산할 필요가 생기고 있는 지금 에너지의 효율적인 이용은 중요한 과제이다.

 

일부 과학자는 이 문제의 해결책으로서 작물의 유전자를 조작한 광합성의 효율을 높이려고 하고 있지만 이번 논문을 발표한 연구팀이 생각하고 있는 것은 더 특이한 방법이다. 생물에 의한 광합성을 인공광합성이라 불리는 인공적인 프로세스에 치환하는 것이다. 인공광합성이라 말은 이전부터 있고 태양광이나 물이나 이산화탄소를 다른 화학물질에 치환할 수 있는 여러 가지 프로세스가 제안되고 있다. 이번 연구는 인공광합성시스템을 일반적인 식용작물의 재배와 조합시키는 처음의 시도라 한다.

이 시스템의 기초에 있는 것은 전해조에서의 전기분해이다. 연두 팀은 이번 태양전지에서의 전류를 이용하여 이산화탄소나 물 등에서 산소나 초산염(탄소페이스의 단순한 화합물)을 생성하는 2단계의 전기분해시스템을 만들었다.

그들은 이리하여 만든 초산염을 클라미도모나스（Chlamydomonas reinhardtii）라는 녹조(綠藻)나 버섯을 만드는 균류, 영양효모에 주었다.

그 결과 어느 생물도 태양광이나 광합성유래의 탄소가 없어도 어둠 속에서 초산염을 취하여 성장할 수가 있다. 광합성과 비교하면 인공광합성은 놀라울 정도로 효율이 좋았다. 인공광합성을 이용한 녹조는 통상의 광합성의 약 4배의 효율로 태양에너지를 바이오마스로 변환할 수가 있다. 또 인공광합성을 이용하여 배양한 효모에서는 에너지효율이 약 18배나 높았다.

<이것은 자연의 경로가 아니라 인공적인 경로를 이용하는 것의 중요한 이점의 하나이다.>고 자오 씨는 말한다.

 

어둠 속에서 작물을 키운다?

 

과학자들은 이전부터 클라미도모나스（Chlamydomonas/녹조류）가 어둠 속에서 초산염을 받아들여서 성장할 수 있다는 것을 알고 있었다. 클라미도모나스는 혼합영양생물로서 광합성으로 자신의 식물(食物)을 만드는 것도 다른 식물이 생산한 유기물을 먹을 수도 있다. 그러나 논문의 상석 저자인 미국 캘리포니아대학 리버사이드교( University of California, Riverside)의 로버트 징가송 씨에 따르면 클라미도모나스가 생물학적인 광합성 유래가 아닌 초산염으로 성장한 것은 이것이 처음이라고 한다. <조류(藻類)나 식물과 같은 광합성생물이 진화한 이래 처음으로 광합성을 이용하지 않고 성장한 것이다.>

광합성에 의하지 않고 조류를 키우는 데 성공한 연구자들은 보다 어려운 문제에 눈을 돌렸다. 그처럼 하여 작물을 키우는 것은 가능할 것인가?

최초의 실험 성과는 상상이었다. 연구자들은 어둠 속 초산염을 함유한 현탁액 중에서 레타스의 조직을 배양하고 외부로부터 공급되는 탄소원을 받아들여 대사할 수 있다는 것을 확인했다.

그들은 다시 레타스, 벼, 유채, 토마토 등을 밝은 데서 재배하고 초산염을 보급한바 식물이 초산염을 조직에 받아들이는 것을 확인하였다. 탄소13(탄소의 무거운 동위체)으로 표식한 초산염을 여러 가지 대사과정에 이용하고 있음이 시사되었다.

그러나 이 연구는 식물이 태양광이 없는 환경에서 초산염만으로 성장할 수 있음을 나타낸 것은 아니다. 실제 레타스를 쓴 시험에서는 초산염이 너무 많으면 식물의 성장이 저해 받는다는 것을 나타내었다. 징가송 씨의 연구실은 현재 유전자조작과 품종개량에 보다 초산연에 내성이 있는 식물을 만들어내려고 하고 있다. 인공광합성에 의한 수법이 식물의 성장과 식료생산을 착실히 지원할 수 있게 하기 위해서는 초산염에 대한 내성을 가지게 할 필요가 있다.

 

이번 연구 성과에 대해서 미국 브레이크스루연구소(Breakthrough Institute)의 식품. 농업 아나리스트인 에마 고바크 씨는 <옥내에서의 식물 생산에 초산염을 양분으로 하여 이용할 수 있게 하기 위한 제일보>라고 말한다. 그것이 가능해지면 옥내 농장의 광량을 내릴 수 있어서 농장 운영에 필요한 에너지를 삭감할 수 있을는지 모른다. 그러나 고바크 씨는 광량이 적은 조건하에서도 초산염을 써서 식물이 착실히 자라게 하기 위해서는 <비약적인 진보가 필요하다.>고 한다.

미국 캘리포니아대학 버클리교에서 광합성의 효율을 높이기 위한 식물의 유전자조작의 연구를 하고 있는 에반 그루바 씨도 같은 생각이다. <이번 연구는 식물이 초산염을 받아들이는 것을 나타내었으나 그것은 식물이 초산염으로 성장할 수 있는 것과 충분한 양의 식물(食物)이나 연료나 의약품을 함성할 수 있다는 증거는 아니다.>고 그는 말한다. 특히 후자의 실현을 위해서는 <식물(植物)을 완전이 재프로그램할>필요가 있다고 한다.

동시에 구루바 씨는 이 논문에 들떴다고 한다. <지구이외의 모르는 환경이나 종래의 방법으로는 농업을 할 수 없을 것 같은 환경이라도 광과 탄소를 잡을 수 있을는지도 모르기 때문이다.>

 

심 우주식료 챠렌지

 

인공광합성의 기술이 최초로 응용되는 것은 지구외의 환경인지 모른다. NASA는 현재 장기우주밋션에서 우주비행사에게 식사를 재공하기 위한 혁신적인 아이디어를 제안한 그룹에 상금을 수여하는 콘테스트 『심우주식료 챠렌지（Deep Space Food Challenge）』를 개최하고 있다. 연구팀은인공광합성의 아이디어에서 이 콘테스트에 응모하였다. 2021년 가을 그들은 미국의 18팀의 하나로서 일차 예선을 통과하였다. 이차예선에서는 실제로 식료를 생산하는 프로트타입 (prototype=상품이나 서비스 등 시작품을 말함)을 만드는 것이 요구 된다. 수상자는 내년 발표될 예정이다.

이 콘테스트에 이겼다고 해도 장래의 우주밋션에 채용이 정해지는 것은 아니다. NASA의 에임스연구소의 사급연구원인 린 로스차일드 씨는 이번 연구에는 관여하고 있지 않으나 먼저는 많은 기술적과제를 해결할 필요가 있다고 말한다. 열쇠가 되는 것은 중량이다. 인공관합성을 행하기 위해서는 전용의 태양광전지 파넬이나 전해조(電解槽) 등의 새로운 장치를 우주에 운반할 필요가 있다.

한편 로스차일드 씨는 광합성과 같은 기본적인 생물학프로세스를 재설계하여 우주나 지구상에 응용하는 방법에 대해서는 열린 마음을 계속 가지고 있는 것이 중요하다고 한다. <어쩌면 지금의 우리들에게는 상상도 할 수 없을 것 같은 되돌아옴이 있을는지 모르기 때문이다.>

 

글＝Madeleine Stone／번역＝미에타사야코(三枝小夜子)

일본어원문=光合成に頼らず作物を生産できるか、第一歩となる研究に成功

출처=https://natgeo.nikkeibp.co.jp › atcl › news