배경

토양 미생물과 작물의 공생은 질소 고정, 양분 흡수, 병해충 방어 등 농업 생산성을 좌우하는 주된 축으로 꼽힌다. 화학 비료와 농약 사용을 줄이려는 농업 현장의 요구에 발맞춰, 특정 유익 형질을 지닌 미생물 제제를 토양에 공급하려는 시도가 꾸준히 이어져 왔다.

하지만 야외 포장에 투입된 유전자 변형 미생물을 선택적으로 제어하기란 불가능에 가까웠다. 외부에서 특정 화학 물질을 토양 전반에 살포하는 방식은 막대한 비용을 초래할뿐더러 토양 생태계에 예기치 않은 부담을 남긴다. 조작된 세균이 표적 작물을 벗어나 잡초나 비표적 식물 주변에 번식하거나, 배수로를 거쳐 하천으로 번져나가는 생물학적 격리 실패의 위험 역시 고질적인 난제로 지목됐다.

연구자들은 작물 스스로 유익균의 생리 활성을 조절하는 분자 통신망 구축에서 해법을 모색했다. 자연계에 존재하지 않는 인공 아미노산을 신호 전달의 암호로 삼아, 표적 식물이 자라는 뿌리 주변에서만 미생물이 지정된 단백질을 합성하도록 설계하는 구상이다.

핵심 발견

제니퍼 브로피(Jennifer A. N. Brophy) 미국 스탠퍼드대 교수 연구팀은 비천연 아미노산(ncAA) 기반 유전 암호 확장(GCE, Genetic Code Expansion) 기술을 적용해 식물이 토양 세균의 단백질 발현을 제어하는 인공 신호 체계를 구축했다고 밝혔다. 연구 성과는 국제 학술지 네이처 바이오테크놀로지(Nature Biotechnology) 최신호에 실렸다.

연구진이 낙점한 화학 신호는 티로신 유사체인 오메틸-L-티로신(OMe-Tyr)이다. 식물 대사에 관여하지 않는 이 직교성 분자를 만들어내고자, 연구팀은 모델 식물인 애기장대(Arabidopsis thaliana)와 대표적 원예 작물인 토마토, 목본 식물인 포플러에 OMe-Tyr 생합성 효소 경로를 이식했다. 각 식물의 뿌리 조직은 OMe-Tyr을 합성한 뒤 체외로 분비해 근권 토양에 안정적으로 공급했다.

신호를 받아들일 대상으로는 농업 유용 세균인 고초균(Bacillus subtilis)이 낙점됐다. 연구팀은 B. subtilis 유전체에 OMe-Tyr에만 반응하는 직교성 아미노아실-tRNA 합성효소 및 tRNA 쌍을 도입하고, 발현을 유도할 표적 단백질 유전자 서열 사이에 종결 코돈인 UAG(호박색 코돈)를 삽입했다.

이 체계에서 B. subtilis는 식물 뿌리가 분비한 OMe-Tyr이 존재하는 환경에서만 UAG 코돈을 OMe-Tyr으로 인식해 온전한 단백질을 만들어낸다. OMe-Tyr 신호가 없는 일반 토양 환경에서는 리보솜이 UAG 위치에서 번역을 멈추기 때문에 단백질 합성이 곧바로 중단된다.

실제 공생 조건에서 녹색 형광 단백질(GFP)을 표적으로 실험한 결과, OMe-Tyr을 분비하는 식물 뿌리에 정착한 세균만이 강한 형광을 나타냈다. 비분비 대조군 식물이나 일반 토양 조건과 비교했을 때 세균의 단백질 발현 유도 비율은 10배 이상 치솟았다는 설명이다.

의미와 전망

이번 연구는 식물과 미생물이라는 서로 다른 생물계(kingdom) 사이의 소통을 합성 분자 언어로 직접 중개한 첫 사례로 꼽힌다.

기존 미생물 비료는 파종 시 살포해도 비바람이나 토양 유실로 농도가 옅어지거나, 주변 잡초 뿌리로 흩어져 정작 작물 생육에는 충분한 효능을 내지 못하는 일이 잦았다. 이번에 개발된 기술을 활용하면 조작 세균이 표적 작물의 뿌리 주변에 정확히 닿았을 때만 질소 고정 효소나 병원균 억제 물질을 생산하도록 유도할 수 있다. 작물이 미생물의 생산 스위치를 직접 쥐고 흔드는 셈이다.

유전자 변형 생명체의 야생 방출에 따르는 안전성 우려를 해소할 돌파구도 열렸다. 세균의 생존에 필수적인 효소 유전자에 UAG 코돈을 심어두면, OMe-Tyr을 분비하는 지정 작물의 근권을 벗어난 세균은 단백질을 합성하지 못해 스스로 사멸한다. 인위적인 화학 살포 없이도 엄격한 생물학적 격리(biocontainment) 장치가 작동하게 된다.

다만 영농 현장 상용화에 앞서 넘어야 할 문턱은 뚜렷하다. 식물이 OMe-Tyr을 합성하고 분비하는 과정에서 생육 지연이나 수확량 감소 같은 대사적 부담이 생기지 않는지 장기 실증 재배가 뒤따라야 한다. 복잡다단한 실제 토양 환경에서 토착 미생물이 OMe-Tyr을 분해하거나 변형해 신호 강도를 떨어뜨릴 위험성도 향후 검증해야 할 숙제다.