온실가스 메탄을 작물생장 돕는 호르몬으로-메탄자화균 대사공학적 개량 통해 메탄에서 식물 생장호르몬 합성 유도

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2021. 10. 18.

온실가스 메탄을 작물생장 돕는 호르몬으로-메탄자화균 대사공학적 개량 통해 메탄에서 식물 생장호르몬 합성 유도

등록일2021.10.12

 

 

 

온실가스 메탄을 작물생장 돕는 호르몬으로 

메탄자화균 대사공학적 개량 통해 메탄에서 식물 생장호르몬 합성 유도

 

 

□ 축산과 논농사 등의 과정에서 발생하는 온실가스 메탄을 소화해 작물생장 촉진 호르몬을 생합성하는 개량 미생물이 소개됐다. 

 ○ 온실가스 감축과 친환경 농업이라는 두 가지 지향점을 동시에 달성 하기 위한 실마리가 될 것으로 기대된다. 

 

□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 이은열 교수(경희대학교) 연구팀이 농업 분야에서 배출되는 메탄을 식물 성장호르몬으로 전환할 수 있는 친환경 미생물 비료 플랫폼 기술을 개발했다고 밝혔다.

 

□ 메탄을 탄소원이자 에너지원으로 사용하는 메탄자화균은 상온·상압 조건에서 메탄을 알코올, 유기산, 올레핀 및 바이오 폴리머 등의 고부가가치 산물로 전환할 수 있는 미생물로 실제 단백질 사료 등에 활용되고 있다. 

 ○ 하지만 식물성장호르몬으로 전환할 수 있도록 한 시도는 이번이 처음이다.

□ 연구팀은 메탄자화균의 대사경로를 개량하여 대기 중 메탄을 식물의 성장과 뿌리내림을 돕는 호르몬으로 전환할 수 있도록 설계했다. 

 ○ 메탄자화균이 메탄을 아미노산인 L-트립토판으로 소화하는 대사 경로를 재구축하여 트립토판 생산성을 높이고 나아가 이를 다시 식물호르몬인 인돌아세트산으로 전환할 수 있도록 한 것이다. 

※ L-트립토판 : 필수 아미노산이며 사료용으로 활용되고 있으며, 현재 우리나라가 세계 1위 시장을 점유하고 있다. 

※ 인돌아세트산(Indole-3-acetic acid, IAA) : 식물생장호르몬인 옥신(Auxin)의 하나로 식물 성장과 뿌리내림을 촉진하는 호르몬이다.

 

□ 실제 이렇게 만들어진 메탄자화균이 포함된 미생물 비료를 처리한 밀 종자의 발아된 새싹 신장률과 뿌리 신장률이 대조군에 비해 각각 2배와 3.6배로 높아진 것으로 나타났다. 

 

□ 이은열 교수는 “남은 과제는 유전자 재조합 미생물비료 사용에 대한 규제로, 환경이 잘 제어되는 제한된 공간에서 메탄자화균 미생물 비료의 효과를 검증하는 필드 테스트 연구가 필요하다”고 밝혔다. 

 

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 C1 가스리파이너리 사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 화학공학 분야 국제학술지‘화학공학저널(Chemical Engineering Journal)’에 9월 20일 게재(온라인)되었다.

 

주요내용 설명

 

 <작성 : 경희대학교 이은열 교수>

 

논문명

Development of an engineered methanotroph-based microbial platform for biocatalytic conversion of methane to phytohormone for sustainable agriculture

저널명 

Chemical Engineering Journal

키워드 

메탄(methane), 메탄자화균(methanotrophs), 식물호르몬(plant hormone), 지속가능형 농업(sustainable agriculture)

DOI

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132522

저  자

이은열 교수(교신저자/경희대학교), 딥 녹 팜 (Diep Ngoc Pham) 박사과정(제1저자/경희대학교)

 

 

1. 연구의 필요성

 ○ 메탄은 이산화탄소와 더불어 대표적인 온실가스이다. 메탄은 대기상에 낮은 농도로 존재하고 있지만, 이산화탄소보다 지구온난화 잠재력이 84배 더 높아, 지구온난화 발생 원인의 약 15~20%를 차지하고 있어 이산화탄소에 이어 두 번째로 높다.

 ○ 지구상에서 매년 대기 중으로 약 6억 톤의 메탄이 배출되는 것으로 알려져 있고, 인간의 활동과 관련된 인위적 배출이 약 60%를 차지 하고 있다. 주로 에너지 생산, 농업, 폐기물 처리 과정 등에서 발생하고 있다.

 ○ 2021년 9월 17일 기후·에너지 관련 주요 경제국 포럼(MEF) 회의에서 바이든 미국 대통령은 EU, 한국과 함께 2030년까지 2020년 대비 메탄가스를 최소 30% 감축한다는“글로벌 메탄 공약(Global Methane Pledge)”을 발표하였다. 이로써 본격적인 메탄가스 감축이 시작 되었으며 한국도 메탄 감축에 참여를 서약하여, 이에 대한 방안 마련이 요구되고 있다.

 ○ 국내에서도 에너지 관련 산업에서 메탄이 가장 많이 발생하고 있다. 농업이 두 번째인데, 매년 축산에서 약 8백만 톤, 벼재배에서 약 6백만 톤이 발생하는 등 약 2,000만 톤 넘게 배출되고 있다. 

 ○ 온실가스 메탄을 탄소 자원으로 활용하여 유용한 물질로 전환하는 바이오 메탄 전환 기술이 최근 한국, 미국, 유렵 등에서 관련 기술 개발이 시도되고 있다. 메탄 바이오전환에 유일하게 활용할 수 있는 미생물이 메탄자화균(Methanotrophs)이다. 

 ○ 메탄자화균은 메탄을 탄소원으로 사용할 수 있어 메탄의 생물학적 전환을 위한 매력적인 플랫폼 균주로서, 메탄 저감과 동시에 상업적 으로 유용한 산물을 동시에 생산할 수 있으므로 일거양득의 특성을 가진다. 따라서 메탄자화균을 이용하여 농업 분야에서 발생하는 메탄을 유용한 물질로 전환하는 연구는 큰 의미를 가진다. 

 

2. 연구내용 

 ○ 연구팀은 농업 분야에서 메탄 발생, 예를 들어 벼농사에서 배출되는 메탄의 저감 방안 필요성에 주목하였다. 메탄을 식물 성장 호르몬으로 전환하면, 온실가스 메탄 절감과 동시에 작물의 생산성을 높일 수 있다는 아이디어를 도출하였다. 

 ○ 이를 구현하기 위하여 메탄을 유일 탄소원으로 활용할 수 있는 미생물인 메탄자화균의 대사과정을 분석하였고, 메탄을 식물호르몬 옥신(Auxin)인 인돌아세트산(Indole-3-acetic acid, IAA)으로 최종 전환할 수 있는 대사경로 구축 전략을 제시하였다.

    ※ 인돌아세트산(Indole-3-acetic acid), 옥신(Auxin) : 인돌아세트산은 식물의 생장을 촉진하는 물질로 이 같은 기능을 하는 천연물질을 통틀어 옥신이라고 한다. 옥신은 세포벽의 신장을 도와 세포 하나하나를 크게 생장시켜 성장을 촉진한다.

 ○ 메탄자화균에 대한 이해 부족 등으로 대사공학적 균주 개량 연구는 아직 초기 단계이다. 연구팀은 6년간의 연구에서 확보한 메탄자화균 개량을 위한 유전자 도구를 활용하여 필수 아미노산이면서 인돌아세트산 합성 전구체인 L-트립토판의 생산성을 높이는 대사 경로를 재구축함으로써 트립토판의 과잉생산 메탄자화균을 개발 하였다.

 ○ 인돌-3-피루브산 합성효소(indole-3-pyruvic acid, IPA), 인돌-3-아세트 알데 히드 합성효소(indole-3-acetaldehyde, IALA) 및 인돌-3-아세트산 합성 효소 (indole-3-acetic acid, IAA)를 코딩하는 유전자를 트립토판 과잉생산 메탄자화균에 제공하여 메탄으로부터 식물생장호르몬을 생합성하는 기술을 최초로 개발하였다.

    ※ 인돌-3-피루브산 합성효소, 인돌-3-아세트알데히드 합성효소, 인돌-3-아세트산 합성효소 : L-트립토판으로부터 식물생장호르몬을 합성하는 대사경로에 작용 하는 효소들

 ○ 식염수-알칼리성 조건에서 메탄자화균 미생물비료를 처리한 밀 종자의 새싹 및 뿌리의 발아율 및 신장률은 대조군 처리보다 114%, 199%, 362% 개선되었다.

 

3. 기대효과

 ○ 지속 가능한 농업을 위해 식물성장 촉진 박테리아 활용에 대한 연구 개발이 진행되고 있다. 식물성장 촉진 박테리아를 사용하면 화학비료 사용량도 줄일 수 있다. 본 연구는 이러한 기존의 장점을 살리면서 농지에서 나오는 메탄 배출량을 줄이는 새로운 개념의 식물성장 촉진 박테리아에 관한 연구 결과를 제시한 것이다. 

 ○ 농업은 전 세계적으로 메탄 배출의 주요 인위적 요인 중 하나이다. 지속가능한 미래를 위해 인류가 직면해야 하는 주요 과제 중 하나인 인위적 활동에 의한 메탄 배출을 최소화하면서, 점점 더 가혹해지는 환경에서 작물 수확량을 높이는데 기여할 수 있을 것이다. 

 

그림 설명

 

 

 

 

 

(그림1) 메탄을 작물생장 촉진 호르몬으로 전환하는 메탄자화균 미생물비료 개념도 

메탄을 작물 생장에 도움을 주는 식물호르몬으로 바로 전환하는 미생물비료 플랫폼 기술 개발에 대한 개념도

그림설명 및 그림제공 : 경희대학교 이은열 교수 

(Modified from Chem. Eng. J. 429, 132522 (2022))

 

 

 

 

 

(그림2) 식물생장호르몬을 만들어 내는 메탄자화균에 의한 식물성장 자극 효과

대사공학적으로 개량된 메탄자화균(RS01)이 공기 중의 메탄을 이용해 식물 호르몬 (옥신의 일종인 인돌아세트산)을 생합성함으로써 초기 단계의 식물 생장을 도왔다. 

(좌) RS01 처리한 종자와 대조군(20Z)의 성장 모습 

(우) RS01 처리한 종자의 새싹과 뿌리의 길이가 대조군(20Z)과 비교하여 각각 2배, 3.6배 증가

그림설명 및 그림제공 : 경희대학교 이은열 교수 

(Modified from Chem. Eng. J. 429, 132522 (2022))

 

 

 

연구 이야기

 

                                          <작성 : 경희대학교 이은열 교수 >

□ 연구를 시작한 계기나 배경은? 

 

 이번 연구는 대학원생들과의 농업 관련 환경 이슈에 관한 토론에서 시작되었다. 한국의 주식인 벼 재배를 위한 논농사 과정에서 많은 양의 메탄가스가 발생한다는 환경 이슈에 대한 논의가 있었다. 연구실에 있는 베트남 국적의 대학원생들이 베트남에서도 벼농사 경작지가 광대하며, 따라서 발생하는 메탄양이 한국보다 높을 수 있다고 이야기하였다. 이런 과정에서 메탄을 식물호르몬으로 전환할 수 있는 메탄자화균을 개발하면 온실가스 절감과 작물 재배 생산성을 동시에 높일 수 있다는 아이디어가 도출되었다. 

 연구를 시작하기 전에 나온 또 다른 이슈는 메탄자화균 미생물비료가 작물 생장을 향상시킬 수 있다는 것을 보여주는 실험을 어떤 식으로 진행할 것 인가였다. 이 문제는 의외로 순조롭게 해결이 되었는데, 연구에 참여한 베트남 대학원생이 학부 과정에서 농학을 전공하여 작물을 다룰 수 있었기 때문이다. 실험실 자체 내에서 서로 다른 학문 사이에서의 학제 간 연구가 진행된 것이다.

 

 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가? 

 

 식물 성장 촉진 메탄자화균은 온실가스 메탄 전환을 통해 토양의 탄소 순환을 제어하고, 식물호르몬을 통해 유익한 식물-미생물 상호작용을 제공하여 지속 가능한 농업을 위한 새로운 플랫폼 기술로 간주 될 수 있다. 

 일부 메탄자화균은 질소 고정에도 역할을 할 수 있으며, 합성된 아미노산을 분비하는 경우 질소 비료 역할을 일부 수행할 수 있다. 따라서 메탄자화균 미생물비료 기술은 대기 메탄 수준을 완화하고 질소 비료 사용량을 줄일 가능성이 있으므로 지속 가능한 농업에 기여할 수 있는 친환경 농업 플랫폼 기술로서의 가능성을 보여주었다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는? 

 

 메탄자화균 미생물비료의 유용성을 높이기 위하여, 1) 혹독한 환경에서도 작물의 성장 촉진을 위한 플랫폼 균주가 되도록 호염성 메탄자화균인 Methylotuvimicrobium alcaliphilum 20Z를 사용하였으며, 2) 여러 종류의 식물 발달을 자극하는 식물호르몬인 인돌아세트산(Indole-3-acetic acid, IAA)를 생합성 하도록 설계하였다. 

 실용화 가능성을 평가하기 위하여 반드시 진행해야 할 연구가 바로 필드 테스트이다. 현시점에서 유전자 재조합 미생물비료 사용에 대한 규제가 있으므로, 환경이 잘 제어되는 제한된 공간에서 벼농사 등을 진행하면서 메탄자화균 미생물비료의 효과를 검증하는 연구가 필요하다. 

 이를 위해서는 농업 분야 전문 연구 그룹과의 학제 간 공동 연구를 진행해야 한다. 실험실 내에서 진행하였던 전문성이 낮았던 학제 간 연구를 훨씬 뛰어넘는 범위에서 농업 전문가들과의 공동 연구를 진행해야 한다. 

 

 

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은? 

 

 메탄을 발생시키는 Methanogen 등을 포함하여 벼농사 과정에 직간접으로 참여하는 다양한 미생물들의 상호작용을 분석하는 마이크로바이옴에 관한 연구는 흥미로운 연구 주제가 될 수 있다. 또한, 작물 뿌리 주변에서의 식물과 미생물의 서로 다른 두 개의 kingdom 사이에서의 대사물질 분비 및 전달 현상과 관련하여 생태학 차원의 해석에 관한 연구 역시 흥미로운 연구 주제가 될 수 있다. 이러한 연구 역시 농업, 식물, 미생물 전문가 그룹과의 협업이 필요한 연구주제이다.