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  광합성을 재설계하다
광합성의 효과와 효율성은 지구상에서 사용할 수 있는 음식과 산소의 양을 ...


  • 광합성의 효과와 효율성은 지구상에서 사용할 수 있는 음식과 산소의 양을 결정한다. 이것은 역으로 지구에서 생존하고 번성할 수 있는 ‘인간’과 ‘기타 다른 종’의 전체 인구를 결정하는 것이기도 하다. 급증하는 인구와 전 세계 곳곳에서 점점 더 커지고 있는 풍요로움에 대한 니즈는 그 어느 때 보다 더 풍부하고 다양한 식량을 필요로 한다. 이러한 니즈를 충족시키기 위해 광합성 메커니즘을 어떻게 향상시킬 수 있을까? 반대로 이에 대한 장애와 한계는 무엇일까? 이와 관련된 비즈니스 기회와 리스크는 어떤 관련이 있을까?

    영양가 있는 음식의 적절한 공급보다 인간의 건강과 웰빙에 더 중요한 것은 없다 해도 과언이 아닐 것이다. 지난 50년 동안 세계 곳곳에서 발생한 영양실조는 전 지구적 생산의 문제가 아닌 식량에 대한 접근성에 대한 실패로부터 기인된 것이었다. 사실 이 기간 동안, 우리는 모든 주요 작물에 있어 큰 성과를 거두었다. 그리고 그것이 대부분의 지구촌 인구에게 부족함(shortage)이란 단어가 먼 관심사였던 이유였다. 수백만 톤을 기준으로 볼 때, 가장 주요한 주요 식량은 옥수수, 쌀, 밀, 대두이다. 이 네 가지 작물은 전 세계적으로 소비되는 칼로리의 약 2/3를 차지한다. 더욱이, 각 작물의 단위 면적당 세계 평균 수확량은 1960년 이후 두 배 이상 증가했다.

    그렇다면 우리는 왜 2020년대에 이르렀는데도 ‘식량 안보’를 논의하고 있을까? 한 가지 이유는 주식으로 사용되는 주요 작물들에 대한 전 세계적 잉여로 인해 식물 과학 연구와 작물 개선에 대한 비용이 꾸준히 줄어들었기 때문이다.

    그러나 우선순위에 대한 이러한 변화는 매우 근시안적인 것일 수 있다. 전 세계 인구는 현재 73억 명에서 2050년에는 95억 명으로 30% 증가할 것으로 예상된다. 더욱이 증가하는 인구 비율은 도시에 거주하는 중산층이 될 것이며, 이는 쌀, 밀과 같은 주식에서 가공 식품, 더 많은 육류와 유제품으로 점점 더 이동하는 결과를 낳게 된다. 그런데 1파운드의 소고기를 생산하는 데 약 10파운드의 사료가 필요하다. 도시 인구가 증가하면 보다 높은 품질의 육류에 대한 수요가 커지기 때문에, 증가할 것으로 예상되는 인구만을 기준으로 추정한 것보다 훨씬 더 빠르게 더 많은 작물 생산을 필요로 하게 될 것이다. 이러한 추세는 앞으로도 계속될 것으로 예상되며 전문가들은 2050년에 이르면 세계 주요 식량이 2020년보다 약 80% 더 필요할 것으로 예측하고 있다.

    그렇다면 현재의 작물 수확량 증가율은 이렇게 증가하는 수요를 충족하기에 충분할까? 안타깝게도 그렇지 않은 것 같다. 현재의 1헥타르 당 작물 수확량 증가율이 미래에도 그대로 유지된다면 2050년대에 이르러 공급은 수요보다 한참 크게 낮은 수준일 것이다. 그 결과 전 세계적으로 식량 가격이 상승하고 이는 가장 가난하면서도 가장 높은 인구 성장률을 가진 국가들에게 치명적인 영향을 미칠 것으로 예상된다. 특히 열대 지역에 위치한 국가들이 그렇다. 

    이들 열대 지역 국가에서 생계용 작물에 대한 개선은 4대 주요 작물에 대한 전 세계 평균 증가율보다 뒤처지는 경향이 있다. 예를 들어, 1960년에서 2010년 사이 사하라 사막 이남 아프리카의 주식 카사바의 1헥타르 당 생산량의 전 세계 평균 증가율은 63%였다. 이는 같은 기간 동안 171% 증가한 밀의 절반도 되지 않는 수준이다. 문제는 전 세계 일부 지역에서 주요 작물의 수확량 개선 속도가 정체되거나 역전되고 있다는 사실로 인해 더욱 복잡해진다. 예를 들어, 중국, 인도, 인도네시아는 세계 최대 쌀 생산국이다. 이들 국가의 헥타르 당 수확량은 1970년과 1980년 사이에 평균 36% 증가했지만 2000년과 2010년 사이에는 7%만 증가했다.

    이는 ‘수율 향상이 정체되는 이유는 무엇인가?’라는 질문을 던진다.

    지난 과거 녹색 혁명(the Green Revolution)의 이득은 더 높은 ‘유전적 수량 잠재력’을 실현할 수 있는 향상된 ‘농경학’과 ‘작물보호’와 결부되는 개선된 유전학을 통해 주로 달성되었다. 우리는 이를 수학적 용어로 정의하여 이러한 이득을 이해할 수 있다. 수량 잠재력(Yield potential, Yp)는 작물의 유전자형이 생물적/비생물적 스트레스가 없는 주어진 환경에서 생산할 수 있는 1헥타르 당 수확 물량의 최대치를 의미한다. 개선된 수량 잠재력은 녹색 혁명 기간 동안 달성되었는데, 특히 더 많은 바이오매스(biomass, 생물량)를 수확 작물에 분할하는 유전자형을 선택함으로써 그러했다. 예를 들어, 왜소한 밀의 유전형을 선택하면 곡물에는 더 많은 바이오매스가 생기고 줄기에는 더 적은 바이오매스가 발생했다. 쌀과 같은 수확 작물에 투입되는 식물의 바이오매스 비율을 수확 지수(harvest index)라 한다. 주어진 유전자형의 수량 잠재력은 성장기 동안 토지의 단위 면적 당 태양 복사와 작물이 해당 복사를 가로채고, 가로챈 복사를 바이오매스 에너지로 전환한 다음 바이오매스를 식물의 수확되는 부분으로 분할하는 효율성의 결과이다.

    이 방정식과 관련하여 녹색 혁명은 태양광 효율성과 수확 지수 모두를 증가시켰다. 사실, 지난 50년 동안 수확 지수는 주요 곡물 작물에서 거의 두 배가 되었고, 현재에도 오늘날의 쌀, 밀, 대두 품종의 경우 수확지수는 60%에 이르고 있다. 그러나 살아있는 식물은 단지 씨앗(곡물)으로만 구성될 수 없다. 즉 줄기, 뿌리, 그리고 추수할 때 씨앗을 보호하는 꼬투리와 구조적 요소들을 필요로 한다. 따라서 수확 지수에서 유전적 개선을 위한 여지는 거의 남아 있지 않다. 마찬가지로, 생장기 동안 작물이 가로채는 가시광선의 비율은 현대 작물의 경우 80∼90 %에 도달했다. 이는 수량 잠재력에 있어 이러한 결정 요인이 생물학적 한계에 거의 근접하고 있음을 나타낸다.

    그렇다면 이제 우리는 무엇을 할 수 있을까? 가시광 태양 에너지의 변환 효율이 거의 또는 전혀 개선되지 않은 한 분야가 약 2% 정도 남았다. 밀, 쌀과 같은 C3 작물의 경우 이론적 효율 10%의 약 1/5, 옥수수, 수수와 같은 C4 작물의 경우 약 13%이다. 따라서 방정식의 이 구성 요소는 수량 잠재력을 더욱 향상시키는 데 매우 유망한 지점으로 보인다.

    이러한 태양 에너지에 대한 식물의 전환 효율은 광합성 과정의 화학적 효율, 작물의 순 호흡 손실에 달려 있다. 지구 기후 변화에 대한 우려는 이산화탄소(CO2) 증가가 작물 생산 및 광합성에 미치는 영향에 대한 많은 연구를 일으켰다. 이산화탄소는 C3 작물의 광합성에 있어 제한적 요소이다. 따라서 우리는 이산화탄소 증가의 주요 효과가 인위적으로 광합성 속도를 높이는 것임을 알고 있다. 결국 이는 수확량 증가를 가져오고, 유전적으로 전체 작물 광합성이 증대될 수 있다면 수확량에 분명한 이점이 있음을 보여주고 있다.

    그러나 이것은 또 다른 질문을 던진다.

    “광합성이 작물 수확량에 큰 영향을 미친다면, 왜 전통적인 육종과 더 높은 수확량을 위한 선택에 있어서의 광합성 효율을 거의 향상시키지 않았는가?”

    이 효과에는 몇 가지 이유가 있다.

    어떤 작물 종과 그 친척 종 내에서, 식물이 성장하는 동안 잎에 투자된 바이오매스의 비율, 잎 성장 속도, 잎 크기 및 잎 수명과 같이 수확 지수에 영향을 미치는 요소와 태양 효율에는 매우 큰 다양성이 존재한다. 이는 육종가(breeder)들에게 향상된 태양광 효율과 수확 지수를 선택하는 데 많은 다양성을 제공했다. 이와 대조적으로, 광합성 과정은 작물 종 내에서 뿐만 아니라 광범위하게 식물에 높게 보존된 것이다. 더욱이 직접적인 육종 시도는 잎 수준에서 높은 광포화(light-saturated) 광합성을 가진 생식질(germplasm)로 선별되었고, 여기에서 선택한 것이 종종 다른 형질을 희생시켰다. 예를 들어, 잎 광합성의 더 높은 광포화율을 위한 선택으로 인해 종종 더 낮은 전체 잎 면적을 간접적으로 선택할 수 밖에 없는 상황이 되었다. 이는 작물에 있어 이점을 상쇄시켜 버린다. 이러한 접근법은 또한 농작물의 ‘탄소 획득량’의 약 절반이 빛이 제한된 조건에서 발생한다는 사실을 간과하는 것이다.

    그렇다면 어떻게 해야 제2의 녹색혁명을 위한 매력적인 전략인 이 광합성 효율을 높일 수 있을까?

    오늘날, 현실적인 가능성 면에서 전체적인 작물 광합성 효율을 개선하는 세 가지 요소가 있다.

    첫 번째는 광합성 과정에 대한 우리의 이해를 기반으로 한다. 녹색 혁명이 시작된 후 50년 동안 안료 분자에 의한 빛 포착에서 저장 탄수화물 생산애 이르기까지 광합성 과정에 대한 지식이 폭발적으로 증가했다. 지구상의 모든 생명체에 대한 이 근본적인 과정은 이제 매우 자세히 파악되었다. 고등 식물, 일부 해조류 종, 그리고 광합성 박테리아의 경우 모든 단계가 파악되었을 뿐만 아니라 주요 단백질의 구조가 고해상도로 밝혀져 그 작용 메커니즘까지 드러난 것이다. 한편, 주요 구성 요소에 대한 유전자 코딩도 특정화되었다.

    두 번째 요소는 고성능 컴퓨팅의 출현에 있다. 계산 능력과 새로운 소프트웨어 도구의 급속한 성장으로 인해 광합성 운동 모델의 전체 프로세스를 시뮬레이션하고 최적화 루틴을 적용할 수 있다. 더불어 신진 대사 경로와 세포 조직을 컴퓨터 시뮬레이션과 같은 가상 환경에서 표현할 수 있을 뿐만 아니라, 이제 이를 작물의 전체 캐노피에 대한 실제 표현으로 통합할 수 있는 기회가 있다. 이를 통해 세포, 잎, 전체 작물 수준에서 최적의 자원 분포를 예측할 수 있다. 고성능 컴퓨팅을 사용하면 광합성에 관여하는 유전자 및 단백질의 상하 조절에 대한 수천 개의 순열과 식물에 대한 외래 유전자 및 경로의 잠재적 추가 영향에 대한 가상 환경 시뮬레이션 연구가 가능하다. 이를 통해 연구자들은 실제 조작에 가장 적합한 표적을 식별할 수 있다.

    마지막 요소는 유전 공학 기술의 발전이다. 게놈 편집 및 합성 생물학은 이제 광범위한 작물 분야에서 점점 더 일상화되고 있다.

    이 세 가지 요소가 결합되어 과학자들은 광합성 효율을 개선하기 위해 정보에 입각한 직접적인 접근 방식을 취할 수 있다. 그리고 그 결과는 매우 혁명적일 것이다.

    이러한 추세를 고려하여 우리는 다음과 같은 예측을 내릴 수 있다.

    첫째, 2050년까지 광호흡을 단순화하고 줄이기 위해 설계된 상업용 작물이 실제 농업 조건에서 4대 작물의 식량 생산을 40% 증가시킬 것이다.

    전문가들은 오늘날 미국 중서부 지역에서만 매년 광호흡으로 인해 손실되는 농업 생산량이 2 억 명에게 공급할 수 있는 식량 수준이라고 추정한다. 식물의 호흡은 정상적인 현상으로 어두울 때 발생한다. 이른바 광호흡은 태양이 빛날 때 발생하며 광합성에 전념해야하는 자원을 낭비하게 된다. 연구원들은 광호흡을 단순화하고 경로를 변경하여 식물 성장을 극적으로 향상시키기에 충분한 자원을 절약하는 방법을 찾았다. 이미 일리노이 대학의 연구자들은 대두, 무지개콩, 쌀, 감자, 토마토, 가지의 수확량을 높이기 위한 그들의 초기 연구 성과를 적용하고 있다.

    둘째, 향후 10년 동안 주요 천연 효소의 생산 향상으로 인해 식량 작물의 생산성이 더욱 높아질 것이다.

    세계에서 가장 흔한 효소인 루비스코(RuBisCO)의 역할을 생각해보자. 증대된 루비스코는 옥수수와 같은 식물이 광합성 과정에서 대기 중 이산화탄소를 당으로 전환하는 데 사용하는 생물학적 기제를 지원한다. 연구자들은 식물이 더 많은 루비스코를 생성하도록 돕는 루비스코 어셈블리 팩터(RuBisCO Assembly Factor) 1으로 불리는 핵심 샤페론 효소를 과발현하도록 함으로써 옥수수 광합성의 주요 병목 현상을 제거했다. 이 샤페론 효소를 통해 과학자들은 루비스코가 올바른 생물학적 구조를 얻을 수 있는 비율을 제한하는 화학적 속도 장애를 개선하여, 식물이 더 많은 루비스코를 축적할 수 있게 했다. 결과적으로 광합성은 더 효율적이고 주어진 양의 햇빛에서 더 많은 음식을 생산할 수 있다.

    셋째, 또 다른 절묘한 생물 공학적 변화가 광합성을 더욱 생산적으로 만들고 작물 재배에 필요한 물의 양을 줄여줄 것이다.

    간단히 말해, 식물은 광합성이라는 과정을 통해 빛과 이산화탄소로 음식을 생산하는 공장이다. 앞서 강조했듯 이 복잡한 프로세스의 일부는 원자재와 기계의 부족으로 인해 방해를 받는다. 식량 생산을 최적화하기 위해 에섹스 대학의 과학자들은 최근 실제 현장 조건에서 식물 생산성을 27% 향상시키는 두 가지 주요 광합성 병목 현상을 해결했다. 「네이처 플랜츠(Nature Plants)」저널에서는 이러한 광합성 효율은 물도 절약할 수 있다.

    넷째, 작물을 인공적으로 개선하지 않아도 대기 중 이산화탄소가 증가함에 따라 광합성이 급격히 증가할 것이다.

    OECD 국가의 이산화탄소 배출량 감소에도 불구하고 인공 및 자연 배출량은 모두 대기 중 이산화탄소 수준을 높이고 있다. 「네이처」지에 발표 된 연구에 따르면 이산화탄소 수준이 두 배가 되면 전 세계적으로 광합성이 1/3 증가할 것이다. 분명히 이것은 모든 종의 식량 공급을 증가시키고 지구를 훨씬 더 푸르게 만들 것이다. 중요한 것은 바이오매스의 결과적 증가가 이산화탄소의 증가 속도를 늦추는 역할을 하여 폭주하는 온난화 또한 방지한다는 것이다.

    다섯째, 중기적으로 볼 때 과학자들이 광합성에 대해 밝혀낸 것이 식량 공급보다 훨씬 더 많은 것에 영향을 미칠 것이다.

    일리노이 대학의 화학자들은 인공 광합성을 사용하여 물, 이산화탄소, 가시광선으로부터 액체 연료를 생산하고 있다. 이산화탄소를 프로판과 같은 더 복잡한 분자로 변환함으로써 태양 에너지가 훨씬 더 유용해질 것이다. 예를 들어 태양이 빛나지 않을 때 사용할 수 있고, 최대 수요 시간까지 저장하고, 배터리보다 훨씬 더 에너지 밀도가 높은 형태로 저장할 수 있을 것이다.

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    References List :
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    2. Nature.2016.Sabrina Wenzel, Peter M. Cox, Veronika Eyring & Pierre Friedlingstein. Projected land photosynthesis constrained by changes in the seasonal cycle of atmospheric CO2.

    3. Nature Plants.2018.Coralie E. Salesse-Smith, Robert E. Sharwood, Florian A. Busch & Johannes Kromdijk, Viktoriya Bardal, David B. Stern. Overexpression of Rubisco subunits with RAF1 increases Rubisco content in maize.

    4. Molecular Plant.2019.Bo-Ran Shen, Li-Min Wang, Xiu-Ling Lin, Zhen Yao, Hua-Wei Xu, Cheng-Hua Zhu, Hai-Yan Teng, Li-Li Cui, E.-E. Liu, Jian-Jun Zhang, Zheng-Hui He & Xin-Xiang Peng. Engineering a New Chloroplastic Photorespiratory Bypass to Increase Photosynthetic Efficiency and Productivity in Rice.

    5. Matthias M. May, Kira Rehfeld. ESD Ideas: Photoelectrochemical carbon removal as negative emission technology. Earth System Dynamics, 2019; 10 (1): 1.

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    7. Nature Plants. 2020.Patricia E. López-Calcagno, Kenny L. Brown, Andrew J. Simkin, Stuart J. Fisk, Silvere Vialet-Chabrand, Tracy Lawson, and Christine A. Raines. Stimulating photosynthetic processes increases productivity and water-use efficiency in the field.

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