한 연구팀이 특정 화학 물질을 감지하면 보라색으로 변하는 풀을 유전적으로 조작하여, 농부들이 문제를 조기에 발견하고 전 세계 곡물 공급을 보호하는 데 도움이 될 수 있는 살아있는 바이오센서를 개발했습니다.
미래 농업의 모습을 엿볼 수 있는 사례로, 과학자들은 평범한 풀을 환경 속 극미량의 화학 물질을 감지하면 색이 변하는 살아있는 경고 시스템으로 탈바꿈시켰습니다.
도널드 댄포스 식물과학센터, 플로리다 대학교, 아이오와 대학교의 공동 연구팀은 특정 화학 물질에 노출되면 선명한 보라색 색소를 생성하는 잔디를 개발했습니다. 첨단 영상 장비와 결합된 이 식물은 생체 센서 역할을 하여, 화학 물질 노출, 오염 또는 기타 스트레스 요인으로 인한 피해가 눈에 띄게 나타나기 훨씬 전에 이를 감지할 수 있습니다.
연구, 출판 식물생명공학저널(Plant Biotechnology Journal)에서는 다음 사항에 중점을 둡니다. 세타리아 비리디스옥수수나 수수 같은 주요 곡물 작물과 밀접한 관련이 있는 작은 풀 종류입니다. 나란히 비교한 이미지에서 야생 식물은 녹색을 유지하는 반면, 유전자 변형 식물은 안토시아닌이라는 천연 색소 덕분에 눈에 띄는 보라색으로 변합니다.
아이디어는 간단하지만 강력합니다. 색상을 내장형 경보 시스템으로 활용하는 것입니다.
연구팀은 농부들이 밭을 관리하는 방식을 혁신할 수 있는 질문에서 출발했습니다. "식물이 농부들에게 불리한 환경 조건이나 원치 않는 화학 물질을 알려줄 수 있다면 어떨까?" 오늘날 농부들은 농약 비산, 토양 오염 또는 영양 불균형과 같은 문제를 감지하기 위해 실험실 검사, 센서 또는 육안 검사에 의존하는 경우가 많습니다. 이러한 방법은 시간이 오래 걸리고 비용이 많이 들거나 수확량 손실을 막기에는 너무 늦을 수 있습니다.
반면, 주변 환경에 뚜렷하게 반응하는 식물은 들판 전체에 걸쳐 조기 경보 "파수꾼" 역할을 할 수 있습니다.
이러한 기능을 구축하기 위해 댄포스 식물과학센터의 드미트리 누시노프와 말리아 게한 연구원은 식물 고유의 안토시아닌 경로를 활용하는 합성 유전자 회로를 개발하는 데 앞장섰습니다. 안토시아닌은 많은 과일과 꽃에 붉은색, 보라색 또는 파란색을 부여하는 천연 색소입니다. 이 시스템에서 해당 경로는 식물이 특정 화학 신호를 만났을 때만 활성화됩니다.
연구팀은 유전자 활동을 조절하는 단백질인 두 가지 핵심 전사 인자를 확인했는데, 이 두 인자는 단일 유전자 전사체에서 함께 발현되어 안토시아닌 생성을 안정적으로 유도할 수 있습니다. 이러한 설계 덕분에 시스템이 더욱 소형화되어 주요 작물을 포함한 다양한 풀 종류에 쉽게 적용할 수 있습니다.
연구팀은 이렇게 설계된 회로가 원형질체라고 불리는 분리된 식물 세포와 전체 식물 모두에서 작동한다는 것을 보여주었습니다. 어떤 경우에는 색소 생성이 항상 활성화되어 있고, 다른 경우에는 특정 화학 물질이 존재할 때만 활성화되는 리간드 유도성 색소 생성이 나타납니다.
색깔 변화는 이야기의 절반에 불과합니다. 이 식물들을 실용적인 바이오센서로 만들기 위해 연구진은 식물에 해를 끼치지 않고 멀리서도 미묘한 색소 변화를 감지할 수 있는 초분광 이미징 및 분석 방법을 개발했습니다. 초분광 이미징은 인간의 눈이 볼 수 있는 범위를 훨씬 뛰어넘는 다양한 파장의 빛에 걸쳐 정보를 포착하므로 컴퓨터가 초기 또는 미세한 색깔 변화까지 감지할 수 있습니다.
유전학적 도구와 영상 기술을 결합하면 풀밭의 화학 물질 노출을 정밀하게 원격 감지할 수 있는 시스템이 구축됩니다. 실제 환경에서는 드론, 트랙터 또는 위성을 이용하여 들판을 스캔하고 오염, 화학 물질 이동 또는 스트레스 발생을 나타내는 보라색 부분을 찾아낼 수 있습니다.
누시노우는 보도자료에서 "곡물 작물은 세계 식량 안보의 핵심"이라며 "식물을 들판의 파수꾼으로 활용하면 식량 안보를 강화하고 농업의 지속가능성을 향상시킬 수 있다"고 말했다.
식물 기반 바이오센서는 유전자와 경로를 재구성하여 새로운 생물학적 기능을 설계하는 합성 생물학의 새로운 분야입니다. 지금까지 대부분의 식물 바이오센서 도구는 쌍떡잎식물과 같은 모델 식물에서 개발되었습니다. Arabidopsis thaliana벼과 식물, 즉 외떡잎식물은 전 세계 곡물 생산의 주축임에도 불구하고 발전이 더뎠습니다.
연구팀은 C4 모델 식물에서 강력하고 유도 가능한 색소 시스템을 시연함으로써 이러한 격차를 해소하고 옥수수 및 기타 곡물에서 유사한 시스템을 개발할 수 있는 길을 열었습니다. 앞으로 다양한 회로를 조정하여 각기 다른 화학 물질에 반응하도록 함으로써 식물이 작물 생산성과 인간 건강에 영향을 미치는 다양한 환경 조건에 대한 정보를 "보고"할 수 있게 될 것입니다.
잠재적 응용 분야는 광범위합니다. 농경지로 스며드는 산업 오염 물질을 감지하거나, 인근 작물에 피해를 주기 전에 제초제 비산을 파악하거나, 색소 생성을 스트레스 반응 경로와 연결하여 열이나 가뭄과 같은 기후 변화 관련 스트레스 요인을 모니터링하는 데 활용될 수 있습니다.
연구진은 또한 자신들이 개발한 도구를 널리 공유하기로 의도적으로 결정했습니다.
"저희는 다른 연구자들이 쉽게 사용할 수 있는 시스템을 구축하고 싶었습니다. 저희가 개발한 구조와 영상 기법을 공개함으로써 연구 커뮤니티 전반의 혁신을 가속화할 수 있을 것입니다."라고 게한은 덧붙였습니다.
이를 위해, 풀에서 이러한 바이오센서를 구축하는 데 필요한 분자 구성 요소와 민감한 색소 검출 방법이 공개 저장소에 등록되었습니다. 이러한 개방형 과학 접근 방식은 다른 연구실에서 시스템을 적용하고 확장하여 식물 합성 생물학의 발전을 가속화하는 데 도움이 되도록 설계되었습니다.
이 프로젝트는 식물 유전학, 공학 및 원격 감지 분야의 전문가들을 한데 모았습니다. 공동 저자로는 플로리다 대학교 전기 및 컴퓨터 공학과 교수이자 인공지능 및 정보학 연구소 소장인 알리나 자레와 아이오와 대학교 지구, 환경 및 지속가능성 대학원의 수잔 미어딩크 조교수가 참여했습니다.
이번 연구는 모델 식물을 이용한 개념 증명이지만, 연구진은 이를 주요 작물에 적용하는 실질적인 발판으로 보고 있습니다. 향후 연구에서는 특정 농약이나 오염 물질에 반응하도록 회로를 맞춤화하고, 감도를 향상시키며, 현장 적용이 가능한 영상 플랫폼과 시스템을 통합하는 데 초점을 맞출 것으로 예상됩니다.
만약 성공한다면, 미래의 곡물밭은 단순히 세계 식량 공급에 그치지 않고, 문제가 생겼을 때 보라색으로 변해 우리에게 경고를 보내는 등 지구를 보호하는 데에도 도움을 줄 수 있을 것이다.
출처: 도널드 댄포스 식물 과학 센터