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식물 마이크로바이옴 엔지니어링 관련 기술개요 및 시사점

저자 윤성진, 신아영 소속 한국생명공학연구원 환경질환연구센터, 식물시스템공학연구센터
발간일 2021-06-28 조회수 1561
발행호 제91호
첨부파일

[BioINPro 91호]2021년 바이오미래유망기술_그린분야...(1005.208 KB)

평점 5점만점에 5.0점입니다. (참여자 2명)


식물 마이크로바이옴 엔지니어링  관련 기술개요 및 시사점 

한국생명공학연구원 환경질환연구센터 윤성진, 식물시스템공학연구센터 신아영1.png

 


 

가. 개요

인류 공동의 행복과 지속가능한 발전을 위하여 유엔(UN)에서는 2030년까지   달성해야 하는 17가지 목표와 169개의 세부 목표들을 설정하였으며1), 이에 따라 세계 각국은 지속 가능 발전목표를 이행하기 위한 노력을 하고 있다. 특히 인구증가와 기후 변화에 따른 식물 자원의 감소를 해결하기 위해 식물의 생산량   증진 및 멸종 위기 보호종을 보존하기 위한 노력이 인류의 식량 자원 확보 측면에서 중요한 문제로 인식되고 있다.

또한 전 세계적으로 2050년까지 농작물의 수요가 적어도 60% 이상 증가될 것이라는 예상과 식물 자원으로부터 생산되는 바이오연료(Biofuel), 섬유(Fiber),  바이오물질(Biomaterials)에 대한 수요 증가는 인류의 지속 가능한 발전을 위한 자원으로써 식물 자원 확보 및 보존 기술 발전의 필요성에 대한 충분한 이유가 된다고 할 수 있다2,3). 

이렇게 인류의 생존, 지속가능한 식량 자원의 확보 및 생태계 보호를 위한 식물 자원 확보를 위해서 다양한 농업 기술이 개발되고 있으며, 현재 IT 기술과 접목한 스마트팜 조성과 같은 농업 기술의 발전은 식물 자원의 보호 및 작물의 생산  효율을 높이는 데 기여하고 있다. 이와 더불어 식물 및 작물의 성장에 도움을 주는 마이크로바이옴에 대한 연구 결과들이 보고되면서, 바이오비료로 식물 마이크로바이옴에 대한 관심이 높아지고 있다.

식물은 다양한 역할이 가능한 미생물과 상호작용을 통하여 성장하거나 면역  시스템을 조절하여 환경에 적응하며 생존한다4,5). 식물 성장의 촉진작용(Plant Growth-Promoting, PGP)에 있어 두 그룹간의 상호작용은 매우 중요하며, 이러한 상호관계를 이해하기 위하여 식물과 마이크로바이옴(Microbiome)의 전반적인  관계를 분석하는 식물 마이크로바이옴 연구는 식물과 공생 미생물의 성장 및  생존을 위한 대사물질 네트워크와 유전자 발현에 따른 기능 조절에서 중요한 사실들을 제공해주고 있다. 

식물과 미생물의 상호작용에 대한 중요성을 기반으로 식물 생장에 도움을 주는 미생물의 발굴 및 개발에 관한 연구는 최근 합성생물학의 발전으로 인해 그 가능성이 커지고 있다. 합성생물학에서 발전된 기술을 기반으로 식물의 성장에 관련된 유효 물질을 생산할 수 있는 식물 공생 미생물 개발을 통해, 식물 생장 및 병충해에 강한 식물 자원을 생산하고 유지하여 식물 보호뿐만 아니라 품종 개량에 활용도 가능할 것으로 기대되고 있다(그림 1). 

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<그림 1> 식물 마이크로바이옴 엔지니어링 기술
출처 : Trends Biotechnol. 2020 Aug 13;S0167-7799(20)30203-1

나. 식물 마이크로바이옴 엔지니어링 기술

식물 마이크로바이옴 엔지니어링 기술은 합성생물학의 한 분야로 식물 생장에 도움을 주는 식물 마이크로바이옴의 발굴 및 개발을 위해 식물 생장 조절 인자를 생산하는 미생물을 제작하는 기술로 정의할 수 있다6).
합성생물학은 생물학적 기능을 구현하기 위해서 DNA 부품을 이용한 바이오 논리회로를 설계하여 네 가지 염기쌍(ACGT)를 이용하여 의약물질 생산 및 바이오에너지, 식량 등 인류의 생활에 필요한 자원을 생산할 수 있는 기술로 주목받고 있는 분야이다7).
 

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<그림 2> 마이크로바이옴 엔지니어링에서 DBTL과정
출처 : Nat Rev Microbiol. 2019 Dec;17(12):725-741., Trends Biotechnol. 2020 Nov;38(11):1192-1196. 

마이크로바이옴 엔지니어링 기술은 Design-Build-Test-Learn (DBTL)이라는 일련의 과정들을 통하여 기능성 미생물 군집을 구축한다7,8). 초기 선정된 미생물 군집에 기능 변화를 유도하기 위한 전략을 설계하고 (Design), 미생물에 모듈을 이식하여 미생물 군집을 형성(Build)한다. 


 

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