식물 생산량을 향상시키기위한 합성 대사 접근법

1798 년에 출판 된“인구 원칙에 관한 에세이”에서 Thomas Malthus는 그의 유명한 인구 함정 개념을 제시하여 식량 공급 부족으로 인구 증가의 종말을 가정했습니다. 그 이후로, 우리는 피할 수없는 것을 연기하는 데 다소 좋은 일을했습니다.

20 세기 초에 개발 된 Haber-Bosch 공정은 무제한의 질소 비료를 제공했습니다. 지난 세기 중반에 녹색 혁명은 고수익 식물 변형을 채택하고 화학 비료를 사용하며 새로운 재배 기술을 도입함으로써 전 세계의 농업 수익률을 높였습니다. 1960 년에서 2010 년 사이에 농업 수익률은 꾸준히 증가했습니다. 예를 들어,이 기간 동안 밀 수율의 평균 증가는 ~ 170%입니다.

그러나 2050 년까지 전세계 인구를 ~ 100 억의 인구를 공급하기 위해서는 이러한 수율 증가로 인해 충분하지 않습니다. 이 기능 부전은 자연 서식지를 희생시키면서 경작지를 확장하는 환경 비용과 기후 변화, 식량 분포 불평등, 다른 산업 (예 :생물 연료 재분배 및 사회 경제적 불안정의 결과로 식량 안보의 지속적인 침식에 의해 더욱 복잡해집니다.

세계 기근을 피하기 위해서는 비교적 짧은 시간 내에 농업 수익률을 크게 향상시켜야합니다. 농업 생산성을 높이는 오래된 방법이 그들의 한계에 접근하는 것처럼 보이기 때문에, 그러한 수확량은 지금까지 거의 손길이 닿지 않은 공정을 조작함으로써 만 실현 될 수 있습니다. 이 중 가장 중요한 것은 가로 채기 된 빛을 식물 바이오 매스로 전환하는 것입니다. 현재 ~ 2%의 낮은 효율로 작동하는 과정

그러한 중심 과정이 비효율적이라는 것은 놀라운 일입니다. 또한 수억 년의 엄청난 선택적 압력에 걸릴 것으로 예상되는 프로세스를 개선 할 수 있다는 것은 놀라운 일입니다. 그러나 농업 재배에 우리가 사용하는 조건은 자연의 식물 경험과는 상당히 다르다는 것을 기억해야합니다. 자연 선택은 우리가 제공하는 아늑한 조건에서 수율을 증가시키지 않았으며 대신 자연에서 발견되는 스트레스가 많은 자원 제한 조건에서 성장을 향상 시켰습니다. 더욱이, 땜장이로서 일하는 진화는 다소 적은 수의 구성 요소로 제한되며, 최적화는 한계가 있습니다. 반면에, 우리는 엔지니어로서 쉽게 진화 할 수는 없지만 구체적으로 제어되는 조건에서 생산성을 높일 수있는 솔루션을 고려할 수 있습니다.

이 개념에 따라, 최근 몇 년 동안 몇몇 합성 생물학 프로젝트는 에너지 저장 분자 ATP 및 NADPH의 합성 인“광 반응”을 최적화함으로써 식물 수율을 증가시킬 수 있었다. 이 성공은 매우 고무적이지만 우리는 아마도 더 나아질 수 있습니다. 지금까지, 엔지니어링 노력은 기존 구성 요소의 소규모 세트의 활동을 수정하거나 자연적으로 발생하는 대사 경로를 식물로 이식하는 데 중점을 두었습니다. 그러나 생물학적 과정의 조합 특성을 고려할 때, 하나의 새로운 성분 만 추가하면 용액 공간을 극적으로 확장하여 합성 생물학의 잠재력을 완전히 실현할 수 있습니다.

보다 구체적인 용어로, 엔지니어링을 기존 효소 활동으로 제한하지 않고 알려진 효소에 의해 지원되지 않는 대사 변환을 고려하면 (Bio) 화학 용액 공간을 완전히 활용하고 탄소 고정을 촉진하는 최상의 경로를 식별 할 수 있습니다. 이러한 혁신적인 솔루션을 실현하려면 효소 공학 분야를“합성 대사”접근법을 제공하기 위해 통합 된 대사 공학 분야를 결합해야합니다.

탄소 고정의 효율을 심각하게 제한하는 대사 과정 중 하나는 광 임원입니다. 광 음성은 폐기물 부산물 2- 포스 포 글리콜 레이트를 재활용하는 데 도움이되며, 이는 Rubisco (주요 탄소 고정 효소)의 산소와 비생산적인 반응에 의해 생성된다. 필수적인 대사 작업에도 불구하고, 기본 광자는 에너지 소비가 비효율적이며, 가장 중요한 것은 Co 2 를 방출함으로써 이는 탄소 고정에 직접 대응합니다. 기존의 효소 및 대사 경로로 제한된 이전의 연구는 더 나은 자원 이용을 향한 광자 관계의 대사 재선과 공동 2 를 입증했습니다. 재활용은 탄소 고정 및 광합성을 향상시킬 수 있습니다. 그러나, 이러한 모든 이전의 노력에서, Co ₂ 네이티브 광로 내에서와 마찬가지로 풀려났습니다.

광 임원의 부작용을 진정으로 최소화하려면 Co 2 의 비생산적인 방출을 방지해야합니다. . 그러나 이것은 기존 효소와 경로 만 사용하여 불가능합니다.

따라서 FET 오픈 프로그램에 따라 유럽위원회가 자금을 지원하는 미래의 농업 프로젝트에서, 우리는 광도의 문제를 해결하기 위해“합성 대사”접근법을 적용하는 것을 목표로합니다. 우리는 실리코에서 로 시작했습니다 알려진 대사 경로와 새로운 대 대사 반응으로 구성된 유망한 대사 경로를 식별하여 Co 2 를 방출하지 않고 광 임원을 대체 할 수 있습니다. . 계산 모델을 사용하여 새로 식별 된 합성 경로가 생리 학적 범위의 조사 및 CO <서브> 2 에 걸쳐 탄소 고정 속도를 잠재적으로 향상시킬 수 있음을 보여주었습니다. . 에서 시험 관내에서 성분, 우리는 효소를 발전시키기 위해 효소를 발전시켜 유망한 경로 중 하나의 새로운 반응을 촉진시켰다. 구체적으로, 본 발명자들은 완전성 중간체 글리콜 레이트를 Glycolaldehyde라는 화합물로 전환시키는 2 개의 새로운 효소를 조작했는데, 이는 기존 효소를 사용하여 탄소 고정 공정으로 동화 될 수 있으며 탄소 손실없이