식물의 광합성을 담당하는 기구의 기능을 개선하여 광합성 효율이 향상된 작물 등을 제작하는 기술

다양한 식물 종에 도입할 수 있는 범용성을 기반으로 식물이 확보할 수 있는 에너지의 총량을 증가시켜 식량 및 바이오소재 생산 효율을 크게 향상

향후 5년 : 식물 광합성 효소 디자인 및 유전자 치환 기술 등 기반기술 개발

향후 10년 : 생산성이 극대화된 식물체의 개발 및 재배를 통해 풍부한 식물 유래 소재 및 식량자원 확보

1) 광합성 효소 디자인 기술 - AI 기반의 정밀한 단백질 구조 예측기술을 바탕으로 광합성에 관여하는 효소들을 새롭게 디자인하여 고효율 효소를 제작하는 기술 - 광합성 기구는 종에 따라 크게 다르지 않아 기존 생물의 효소를 활용하는 방법으로는 한계가 있어 단백질을 완전히 새롭게 디자인하여 불필요한 부분을 제거하고 효율을 극대화시키는 기술 2) 유전자 치환 기술 - 내재 유전자를 제거하고 해당 유전자의 기능을 대체할 수 있는 새로운 유전자를 도입하는 기술 - 고효율의 광합성 효소를 디자인하여 도입한다고 해도 기존에 존재하는 내재효소와 경쟁이 발생해 효율이 떨어질 수 있어 내재 유전자를 제거하고 새로운 효소 유전자를 도입하는 유전자 치환 기술 3) 식물 형질전환 및 재분화 기술 - 식물 종과 관계없이 단일세포에서 식물체로 분화시킬 수 있는 범용성 분화 조절 기술 - 식물 내 유전자를 도입하기 위해서는 단일세포에 도입한 후 식물체로 분화를 유도해야 하지만 현재 식물 종에 따라 분화 장벽이 존재하여 일부 품종만 이 과정이 가능한데, 이를 극복할 수 있는 기술

식물의 개량은 육종을 통해 이뤄져 왔지만 현대에 들어 한계에 봉착했으나, 광합성 효율을 향상시키는 방식으로 극복 가능

영국 에식스대학 RIPE 연구팀은 이산화탄소 고정에 관련된 효소와 에너지 전달체계 단백질을 동시 과발현시키는 방식으로 식물의 광합성 효율을 최대 27% 향상시킨 결과를 발표(Nature Plants 6, 1054-1063, 2020) - 식물 광합성 시스템의 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 효율 저하의 원인이 되는 효소로 SBPase를 지목 - 상대적으로 효율이 높은 남세균의 SBPase와 동시에 효소에 에너지를 공급해주는 단백질인 cytochrome C6를 도입하여 식물의 광합성 효율이 향상된 사례 보고 미국 일리노이 대학 Long 교수 연구팀은 식물 내 광보호 시스템의 on/off 전환속도를 빠르게 하여 광합성 효율을 최대 15% 향상(Science, 354, 857-861, 2016) - 식물 내 광보호 시스템은 빛의 세기가 지나치게 강하면 광합성을 일시정지 시키지만 다시 가동시키는 시간적 딜레이가 커 광합성 효율 저하의 원인이 됨 - 광보호 시스템의 전환에 관여하는 3가지 효소의 동시 과발현을 통해 식물의 광보호 시스템 전환 속도를 높이고, 이를 통해 광합성 효율이 향상

포항공과대학에서 농촌진흥청의 지원으로 탄소대사 개선 기술 개발 연구 진행 - 엽록체의 분열 과정이나 고효율 광합성 시스템을 가진 C4 식물의 유전체를 분석하여 광합성 유전자의 기능 규명 충남대학교에서 남세균 유전자를 식물에 적용하여 광합성 효율을 향상 - 광합성 기구를 산화 스트레스로부터 보호하는 역할을 하는 색소 관련 유전자 등 6개 남세균 유전자의 유용성 검증 신라대학교에서 식물공장 광원의 색조합 연구를 통해 광합성 활성화에 최적인 조합을 찾아냄 - 식물의 품종에 따라 필요한 빛의 파장별 연구를 통해 광합성 효율을 최대로 높일 수 있는 조합을 연구 국내에서는 간헐적으로 광합성 관련 연구를 진행하고 있지만 대부분 원리 규명에서 그칠 뿐 실질적으로 광합성 기구를 개량하여 효율을 향상시키는 연구가 매우 부족

광합성 기구의 개량을 통해 효율이 향상된 식물은 현재와 같은 투자 비용으로 50% 이상 향상된 생산 효율을 낼 수 있어 식물을 활용한 그린바이오산업 활성화전 세계 25조원에 달하는 생명공학 종자시장에 진출할 수 있는 핵심 기술

식물공장에 적용할 경우 생산성을 극대화시킬 수 있어 노지 농업을 대체할 미래 농업 형태로 전환시킬 수 있으며, 이는 한정된 토지의 활용도를 다양화 시킬 수 있음고효율·고생산 식물체를 공급하여 인구증가에 따른 식량문제가 심각한 국가의 기아문제 해결 및 식량 자급률 향상

원천기술 개발을 위한 장기간의 연구 투자 필요생명공학 작물에 대한 사회적 인식 및 규제개선 필요

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