[PRNewswire] 사이언티픽 리포트 지에 획기적인 연구 발표

-- 유전자 편집 미생물이 농민들에게 새로운 질소 공급원을 제공하는 방법을 입증

-- 이 연구 결과는 옥수수를 상업적으로 재배하는 농민들에게 상당한 부분의 질소를 공급하는 유전자 편집 미생물에 대한 최초의 피어 리뷰 증거이다

버클리, 캘리포니아 2024년 11월 15일 /PRNewswire=연합뉴스/ -- 오늘 사이언티픽 리포트(Scientific Reports[https://www.nature.com/articles/s41598-024-78243-3 ]) 지에 발표된 피어 리뷰 연구는 한 세기 동안 농작물에 질소를 공급한 방식에 혁명을 일으킬 수 있는 새로운 기술을 설명하고 있다. 위스콘신 대학 매디슨 캠퍼스, 퍼듀 대학과 지속 가능한 농업을 선도하는 회사인 피벗 바이오(Pivot Bio[https://www.pivotbio.com/ ])의 연구자들의 협업을 통해 진행된 이 연구는 유전자 편집 기술이 대기 중 질소를 고정하고 이를 곡식 작물에 전달하는 미생물의 능력을 어떻게 향상시키는지 보여주는 최초의 증거를 제시했다.

연구자들은 동위원소로 표지된 질소를 사용하여 대기 중의 질소가 옥수수 잎의 엽록소로 이동하는 과정을 추적함으로써 유전자 편집 미생물이 대기 중에 있는 질소를 고정했다는 증거를 제시했다. 현장 연구에서도 이 미생물들이 최대 40파운드의 합성 질소 비료와 비슷한 질소를 유사한 수율로 고정하여 공급할 수 있는 것으로 나타났다.

질소 비료의 효과를 개선하는 것은 오랜 과제였다. 이 연구에 참여하지 않은 미시간 주립대학 환경과학과 교수 브루노 바소(Bruno Basso) 박사는 "핵심 문제는 토양-식물-대기 시스템이 극도로 복잡하다는 것"이라고 설명한다. 예측할 수 없는 날씨로 인해 영양 공급을 식물이 필요로 하는 양과 일치시키고 작물에 필요한 질소의 양과 이 영양분이 토양에 남아 있는지 여부를 정확하게 파악하는 것이 어려워 진다. 박사는 "내 연구실은 수년 동안 농민들이 첨단 센싱 기술과 컴퓨터 모델을 사용하여 자신의 분야를 더 잘 이해할 수 있으며, 질소 비료를 더 효율적으로 사용함으로써 수익을 늘리고 지하수로의 영양분 누출과 대기로의 온실가스 배출과 같은 환경 영향을 줄일 수 있도록 지원했다"고 덧붙인다.

자연에서 발생하는 특수한 유형의 박테리아인 디아조트로프는 대기 중의 질소 가스를 아미노산과 단백질의 기본 요소인 암모늄으로 바꾸는 독특한 능력을 가지고 있다. 일반적으로 생물학적 질소 고정(BNF)으로 알려진 이 과정은 합성 질소 비료가 발명되기 전 수천 년 동안 농작물에 질소 영양분을 공급하는 주요 형태였다

위스콘신 대학 매디슨 캠퍼스의 세균학 및 식물농생태학과 교수 장-미셸 아네(Jean-Michel Ane) 박사는 "토양에 자생하는 디아조트로프는 토양에서 고농도의 질소에 장기간 노출되면 BNF 수행 능력을 잃는다. 이는 BNF가 에너지를 매우 많이 소모하는 과정이기 때문에 에너지를 보존하려는 진화적 대응"이라면서 "우리는 이 박테리아들이 합성 비료가 사용된 토양과 같이 질소가 풍부한 환경에서 높은 수준의 BNF를 유지하도록 만들어야 한다"고 설명한다.

피벗 바이오의 연구자들은 디아조트로프가 심지어 질소가 많은 환경에서도 농작물에 질소를 계속 공급할 수 있도록 비유전자 변형 방법을 사용하여 유전자 편집 미생물을 개발했다. 피벗 바이오 최고혁신책임자 겸 동사의 공동 설립자이자 이 논문의 공동 저자인 카르스텐 템므(Karsten Temme) 박사는 "우리가 유전자 편집을 통해 미생물이 주변의 질소 존재를 보지 못하도록 만들었기 때문에 미생물은 계속해서 암모니아를 고정하여 뿌리 시스템에 직접 전달한다"면서 "또한 우리는 박테리아가 고정된 질소를 자신만을 위해 보유하지 않고 작물에 전달할 수 있도록 다른 편집 기술도 도입했다"고 말했다.

이 논문은 실험실과 현장 실험 농지에서 이 과정이 실제로 일어난다는 증거를 제시한다. 또한 이 논문은 유전자 편집된 질소 고정 미생물이 함유된 피벗 바이오의 2 세대 옥수수 상용 제품인 프루븐(PROVEN®) 40을 다룬 최초의 피어 리뷰 논문이기도 하다.

템므 박사는 "질소 비료는 논란이 있지만 지난 세기의 가장 중요한 발명품이며 당분간 전 세계 개발과 식량 안보에 필수적일 것이다. 하지만 우리는 질소 비료가 더 잘 사용될 수 있다고 생각한다"면서 "피벗 바이오는 우리의 유전자 편집 미생물을 통해 질소의 효율을 높이고 환경으로의 합성 비료 누출을 줄임으로써 농업 생산성을 향상시키는 데 전념하고 있다"고 말했다.

연구자들은 현장에서 다양한 동위원소 실험을 통해 이번에는 실제 상황에서 질소 고정을 다시 한 번 입증하고 식물 내 질소 수준을 정량화했다. 또한 그들은 질소 비료 사용량을 에이커당 35~40파운드까지 낮추고 피벗 바이오의 프루븐 40으로 대체한 농민들로부터 수백 개의 샘플을 수집했다. 평균적으로 연구자들은 푸르븐 40을 투여한 식물이 시즌 초기에 질소 수치가 더 높고 식물이 합성 비료를 적게 받았지만 수확량에 부정적인 영향을 미치지 않았다는 사실을 발견했다.

아네 박사는 "질소가 대기에서 미생물로, 그리고 미생물에서 식물로 이동하는 과정을 추적하는 것은 매우 어렵다"면서 "우리는 대기 중의 질소 원자와 토양에 있는 질소 원자의 동위원소 신호를 이용한다"고 설명한다. 연구자들은 이러한 측정을 통해 실험실의 옥수수 잎 엽록소에서 동위원소로 표지된 질소를 발견했는데 이는 미생물이 그 질소를 식물에 공급했음을 나타내는 신호이다.

템므 박사는 "이 광범위한 연구는 농민들이 생산성을 떨어뜨리지 않으면서도 질소 비료를 줄이기 시작할 수 있다는 것을 의미하기 때문에 희망적이며 이는 농민과 환경 둘 모두에게 윈-윈 상황"이라면서 "이 기술은 확장성이 매우 크기 때문에 흥미롭다. 우리 제품들은 상업 출시 5년 만에 미국에서 이미 1,300만 에이커 이상에 사용되었는데 이는 실제적인 영향을 주고 있다는 것으로 해석된다"고 말했다.

바소 박사도 동의한다. 그는 "이 기술이 계속 발전하여 더 많은 질소를 농작물에 공급하고, 환경 오염과 전체 농업의 탄소 배출 감소로 이어진다면, 이는 질소 관리의 게임 체인저가 될 것"이라면서 "우리가 합성 비료를 더 효율적이고 지속 가능한 질소 공급원으로 대체하여 작물 수확을 늘리면 늘릴 수록, 농민, 지역 사회, 그리고 환경 모두에게 더 좋은 결과를 가져 올 것"이라고 말한다.

이 논문 전체는 사이언티픽 리포트 지[https://www.nature.com/articles/s41598-024-78243-3 ]에서 확인할 수 있다. 2011년에 창간된 사이언티픽 리포트 지는 자연 및 임상과학 전반에 걸친 주목할 만한 독창적인 연구를 발표하는 네이처(Nature) 포트폴리오의 오픈 액세스 저널이며 엄격한 피어 리뷰 프로세스로 유명하다.

피벗 바이오

피벗 바이오는 변동성이 커지는 상황에서 자연의 힘을 활용하여 전 세계가 필요로 하는 식량을 안정적이고 생산성 높게 재배할 수 있는 특허 작물 영양 기술을 농민들에게 제공하는 선도적이며 지속 가능한 농업 회사이다. 현재 북미와 곧 브라질에서 구입할 수 있는 동사 제품들은 획기적이며 혁신적인 제품들이다. 동사 제품들은 업계에서 가장 유망한 기후 솔루션 중 하나이다. 동사의 질소는 기후에 강하고, 더 안전하게 취급할 수 있으며, 질소 산화물 침출을 일으키거나 누출되지 않는다. 피벗 바이오는 타임 지가 선정한 연례 최고의 발명품 목록에 세 번이나 올랐으며, 패스트 컴퍼니가 선정한 세계를 변화시키는 아이디어와 전 세계 가장 혁신적인 50대 기업, CNBC가 선정한 혁신적인 50대 비공개 기업, 포춘이 선정한 사회적 선을 견인하며 영향력 있는 20대 스타트업, MIT 테크 리뷰 지가 선정한 주목해야 할 15개 기후 기술 회사 중 하나에 올랐다. 상세 정보는 PivotBio.com에서 입수할 수 있다.

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A scientist at Pivot Bio scraping corn roots to measure the colonization of Pivot Bio's nitrogen producing microbe.

출처: Pivot Bio, Inc

Breakthrough Research Presented in Scientific Reports Demonstrates How Gene-Edited Microbes Offer a New Source of Nitrogen to Farmers

-- Findings are the first, peer-reviewed evidence of gene-edited microbes supplying a material proportion of corn farmers' nitrogen in commercial production

BERKELEY, Calif. Nov. 15, 2024 /PRNewswire/ -- Peer-reviewed research published today in Scientific Reports [https://www.nature.com/articles/s41598-024-78243-3 ] describes a new technology that could revolutionize a century-old approach to providing nitrogen to crops. The study, a collaboration of researchers from the University of Wisconsin-Madison, Purdue University, and Pivot Bio [https://www.pivotbio.com/ ], a leading sustainable agriculture company, presented first-of-its-kind evidence showing how gene-editing enhances microbes' ability to fix atmospheric nitrogen and transfer it to cereal crops.

Using isotopically labeled nitrogen, researchers traced nitrogen in the air to chlorophyll of corn leaves, providing evidence that it was fixed from the air by the gene-edited microbes. Field studies also showed that these microbes could fix and supply nitrogen comparable to up to 40 pounds of synthetic nitrogen fertilizer with similar yields.

Improving the effectiveness of nitrogen fertilizers has been a long-standing challenge. "The core issue," explains Dr. Bruno Basso, a professor of environmental science at Michigan State University, who was not involved in the study, "is that the soil-plant-atmosphere system is extremely complex." Unpredictable weather makes it difficult to match nutrient supply to plants' demand, and to determine precisely how much nitrogen a crop will require and whether the nutrient will remain in the soil. "My research lab has spent years helping farmers, using advanced sensing technology and computer models to help them better understand their fields and use nitrogen fertilizer more efficiently to increase profit and reduce environmental impact, such as nutrient losses to groundwater and greenhouse gas emissions to the atmosphere."

Diazotrophs, special types of bacteria that occur in nature, have a unique ability to turn atmospheric nitrogen gas into ammonium, the building block of amino acids and proteins. This process, commonly known as biological nitrogen fixation (BNF), was the main form of nitrogen nutrition for crops for thousands of years before synthetic nitrogen fertilizer was invented.

"Native soil diazotrophs lose their ability to perform BNF when exposed to high concentrations of nitrogen in the soil for extended periods of time. This is an evolutionary response to conserve energy because BNF is a very energy-intensive process," explains Dr. Jean-Michel Ane, professor of bacteriology and plant and agroecosystem sciences at the University of Wisconsin-Madison, a co-author of the study. "We need to convince these bacteria to maintain high levels of BNF in environments with lots of nitrogen, such as synthetically fertilized soils."

Researchers at Pivot Bio developed gene-edited microbes using non-transgenic methods to enable diazotrophs to continue providing nitrogen to the crop even under high nitrogen conditions. "With the gene edits, we blind microbes to the presence of nitrogen in their surroundings, so they continue to fix ammonium, delivering it directly on the root system," said Dr. Karsten Temme, chief innovation officer and co-founder at Pivot Bio and a co-author of the paper. "We also introduced other edits to ensure the bacteria can transfer the fixed nitrogen to the crop instead of keeping it for itself."

The paper presents evidence of this process happening in the lab and field test plots. It is also the first peer-reviewed paper covering PROVEN® 40, Pivot Bio's second-generation commercial product for corn containing gene-edited nitrogen-fixing microbes.

"Nitrogen fertilizer is arguably the most significant invention of the past century and will be essential to the world's development and food security for the foreseeable future. However, we believe it can be used better," said Dr. Temme. "Pivot Bio's focus is on improving the productivity of farming by increasing the efficiency of nitrogen with our gene-edited microbes and reducing losses of synthetic fertilizer to the environment."

In the field, the researchers used a variety of isotopic experiments to again demonstrate nitrogen fixation, this time under real-world conditions, and quantify the nitrogen levels in the plant. They also collected hundreds of samples from farmers who reduced nitrogen fertilizer rate by 35 to 40 pounds of nitrogen per acre, replacing it with Pivot Bio's PROVEN 40. On average, researchers found plants treated with PROVEN 40 had higher nitrogen levels early in the season and no negative impacts on yield, even though they had received less synthetic fertilizer.

"It is very hard to keep track of nitrogen as it moves from the air to the microbe and then to the plant. We rely on the isotopic signatures of nitrogen atoms coming from the air versus those in the soil," Dr. Ane explains. With these measurements, researchers detected isotopically labeled nitrogen in the chlorophyll of corn leaves in the lab, a sign that microbes supplied that nitrogen to the plant.

"This extensive research is promising because it means that farmers can start reducing nitrogen fertilizer without compromising productivity: a win-win for the farmer and the environment," said Dr. Temme. "This is very exciting because the technology is highly scalable. Our products have already been used on over 13 million acres in the U.S. since their commercial launch five years ago, which translates into real impact."

Dr. Basso agrees. "If this technology continues to improve and deliver more nitrogen to crops, and they show this translates to reductions of environmental pollution and the overall agricultural carbon footprint, it could be a game changer for nitrogen management. The more we replace synthetic fertilizer for more efficient and sustainable sources of nitrogen to support crop yield, the better is for farmers, communities and the environment."

The full paper can be found in Scientific Reports [https://www.nature.com/articles/s41598-024-78243-3 ]. Founded in 2011, Scientific Reports is an open-access journal from the Nature Portfolio, publishing notable original research across the natural and clinical sciences and known for its rigorous peer review process.

About Pivot Bio

Pivot Bio is a leading sustainable agriculture company delivering to farmers patented crop nutrition technologies that harness the power of nature to reliably and productively grow the food the world needs in the face of increasing volatility. Currently available in North America, and soon in Brazil, the company's products are a breakthrough innovation. They are among the industry's most promising climate solutions. The company's nitrogen is weatherproof, safer to handle, and does not leach or contribute to nitrous oxide emissions. Pivot Bio has been recognized three times by Time magazine on its annual list of best inventions, by Fast Company on its World Changing Ideas and World's 50 Most Innovative Companies lists, by CNBC on its Disruptor 50 list of private companies, by Fortune on its Impact 20 list of startups driving social good and by MIT Tech Review as one of 15 climate tech companies to watch. For more information, visit PivotBio.com.

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A scientist at Pivot Bio scraping corn roots to measure the colonization of Pivot Bio's nitrogen producing microbe.

Source: Pivot Bio, Inc

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(끝)

출처 : PRN 보도자료