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MIT Tech Review • 25일 전

유전자 조작 미생물로 세계 작물 먹이기

IMP
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핵심 요약

화학 비료 생산은 전 세계 온실가스 배출의 약 2%를 차지하는데, 스타트업 Switch Bioworks는 유전자 스위치(switch) 기술을 활용해 작물 뿌리에 정착해 질소를 공급하는 미생물 비료를 개발 중이다. 미생물이 먼저 건강한 군집을 형성한 후 토양 질소 농도가 떨어지면 암모니아를 생산하도록 유전적으로 설계된 이 기술은 상업화까지 2~3년이 남았지만, 미국 6개주에서 옥수수 대상 시험 중이며 초기 결과가 긍정적이다.

번역된 본문

경영진 요약: 비료는 세계 식량 공급에 필수적이지만, 그 생산은 많은 에너지를 사용하고 많은 배출을 발생시킨다. 일부 기업들은 미생물이 해결책이 되기를 희망한다. 점점 더 많은 연구가 작물 뿌리 주변 토양에 유익한 미생물을 접종하면 식물에 영양을 공급하고 성장에 필수적인 질소를 제공할 수 있음을 보여준다. 이는 화학 비료의 필요성을 줄일 수 있으며, 화학 비료 생산은 전 세계 온실가스 배출의 약 2%를 차지한다. 또한 농가의 비용을 절감할 수 있는 큰 혜택이 될 수 있다. 특히 최근 몇 달간 이란 전쟁으로 에너지와 비료 가격이 급등하면서 더욱 그렇다.

인류는 수천 년 동안 거름 같은 생물학적 비료를 사용해왔고, 기업들도 오랫동안 유전자 조작에 의존하는 것을 포함해 미생물 비료를 개발해왔다. 하지만 미생물이 스스로 번성하면서 작물에 안정적으로 질소를 공급하도록 설계하는 것은 어렵다. 스타트업 Switch Bioworks는 본질적으로 미생물이 먼저 정착해 건강한 군락으로 성장한 후 질소 생산 모드로 전환하게 하는 새로운 접근법을 취하고 있다. "우리는 비료를 재발명해야 한다"고 회사 창립자 겸 CEO인 팀 슈나벨(Tim Schnabel)은 말한다.

공기는 거의 80%가 질소지만, 식물은 이 '무료' 질소를 직접 사용할 수 없다. 질소는 다른 원소와 쉽게 반응하지 않기 때문이다. 대신 식물은 암모니아 같은 반응성이 더 높은 화합물로 전환된 이른바 고정 질소(fixed nitrogen)에 의존한다. 자연에서는 미생물이 이 질소 고정(nitrogen fixation)을 수행할 수 있다. 콩과 식물처럼 일부 식물은 뿌리의 뿌리혹에서 질소 고정 세균을 살게 하는 공생 관계를 맺기도 한다.

합성 비료는 본질적으로 하버-보쉬(Haber-Bosch) 공법을 통한 산업적 질소 고정으로, 천연가스를 사용해 암모니아를 만들고 이를 밭에 살포한다. 생물학적 비료는 식물을 위해 질소를 고정하는 데 도움이 되는 미생물로 합성 비료의 일부를 대체하는 것을 목표로 한다.

하지만 미생물 비료 기업들이 직면한 한 가지 과제는 미생물이 암모니아를 만들고 방출하는 데 에너지 비용이 많이 든다는 점이다. 질소 고정에 모든 에너지를 쏟으면 성장이 저해될 수 있다. 뿌리 주변에서 원하는 수준의 정착이 필요하다고 슈나벨은 설명한다. 모든 미생물을 식물에 투입하는 것은 비용과 물류 면에서 너무 어렵기 때문에, 소수의 미생물이 성장하고 분열하며 개체군을 형성하도록 해야 한다.

Switch Bioworks는 유전자 스위치가 해답이라고 베팅하고 있다. 유전자 스위치는 유전자가 켜지고 꺼지는 방식을 조절하는 DNA 구간이다. 이 경우 세포 내 암모니아 생산과 방출을 촉진하는 유전자를 활성화하는 방식으로 작동한다. 회사는 미생물에서 이러한 전환을 일으키는 여러 방안을 개발 중이다. 가장 앞선 방법은 미생물이 토양의 질소 수준에 반응하게 하는 것이다. 질소 수준이 일정 이하로 떨어지면 암모니아 생산을 시작한다.

"미생물이 질소를 고정하는 것은 에너지적으로 정말 비싸다는 고유한 생물학적 현실이 있다"고 브레이크스루 연구소(Breakthrough Institute)의 식품·농업 책임자인 댄 블라우스타인-레이토(Dan Blaustein-Rejto)는 말한다. 이는 많은 에너지가 들며, 미생물이 질소를 고정하면 자신들의 생존과 단백질 합성에 그 질소를 사용하고 싶어 한다고 그는 설명한다. 유전자 스위치를 추가하면 미생물이 먼저 성장하고 번성한 뒤 작물에 비료를 공급하도록 도울 수 있다.

Switch는 현재 미국 6개 주에서 제품을 시험하고 있지만, 상용 제품까지는 2~3년이 걸린다고 슈나벨은 말한다. 회사는 초기에 미국에서 가장 많이 재배되는 작물인 옥수수에 집중하고 있으며, 2026년 기준 9,000만 에이커(약 3,600만 헥타르) 이상이 재배되고 있다. "이 기술이 현장에서 얼마나 잘 작동할지 말하기엔 아직 이르다"고 슈나벨은 말한다. 회사는 10월 말이나 11월 초에 작물을 수확할 계획이지만, 8월 현재 Switch 미생물로 처리된 일부 옥수수는 처리되지 않은 것보다 육안으로도 더 건강해 보였다. 그리고 시장에 출시될 최종 제품은 여전히 개발 중이라고 그는 말한다. Switch의 제품은 상당한 도움이 될 수 있다.

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EXECUTIVE SUMMARY Fertilizer is crucial for the global food supply, but making it uses a lot of energy and produces a lot of emissions. Some companies hope microbes can help. A growing body of research shows that seeding the soil around a crop’s roots with beneficial microbes can help feed the plant, providing crucial nitrogen to help it grow. This could help reduce the need for chemical fertilizer, production of which accounts for roughly 2% of global greenhouse-gas emissions. It could also cut costs for farmers, a big boon—especially as the Iran war has sent energy and fertilizer prices skyrocketing in recent months. Humans have used biological fertilizers like manure for thousands of years, and companies have long been developing microbial fertilizers, including some that rely on genetic engineering. But it’s difficult to engineer microbes that can reliably provide nitrogen for crops while also thriving themselves. A startup called Switch Bioworks is taking a new approach that essentially allows microbes to establish themselves and grow into healthy colonies before shifting into nitrogen-producing mode. “We have to reinvent fertilizer,” says Tim Schnabel, the company’s founder and CEO. The air is nearly 80% nitrogen, but plants can’t use that “free” nitrogen directly because it doesn’t react readily with other elements. Instead, they rely on so-called fixed nitrogen, which has been converted into more reactive compounds such as ammonia. In nature, microbes can perform this nitrogen fixation. Some plants, like legumes, even have symbiotic relationships with nitrogen-fixing bacteria, housing them in nodules in their roots. Synthetic fertilizer is essentially industrial nitrogen fixation via the Haber-Bosch process , which uses natural gas to make ammonia that’s applied to fields. Biological fertilizers aim to replace some of the synthetic fertilizer with microbes that can help fix nitrogen for plants. But one challenge microbial fertilizer companies have run into is that it’s energetically expensive for microbes to make and release ammonia. Putting all their energy into nitrogen fixation can hamper their growth. There’s a certain level of colonization you want to see around the roots, Schnabel explains. It’s too expensive and logistically challenging to put all those microbes on the plant, so you have to rely on a smaller number of microbes to grow and divide, establishing the population. Switch Bioworks is betting that a genetic switch is the answer. A genetic switch is a section or sections of DNA that controls how genes are turned on and off. In this case it works by activating genes that help trigger ammonia production in and release from the cell. The company is working on several options for setting off this change in its microbes. The leading one is to have the microbes react to the nitrogen level in the soil: Once it drops to a certain level, they begin producing ammonia. “You have this inherent biological reality, where it’s really expensive for microbes to fix nitrogen,” says Dan Blaustein-Rejto, director of food and agriculture at the Breakthrough Institute. It takes a lot of energy, and if they do fix the nitrogen, they want to use it for themselves, to build proteins and survive, he says. Adding genetic switches could help microbes grow and thrive and then help fertilize crops. Switch is currently trialing its product in six US states, though it’s two to three years from a commercial product, Schnabel says. It’s initially focused on corn, the most-planted crop in the US, with over 90 million acres in 2026. “It’s too early to tell exactly how well this works in the field,” Schnabel says. The company plans to harvest the plants in late October or early November, though as of August, some corn plants treated with Switch microbes already looked visibly healthier than those that hadn’t. And it’s still developing the products that will eventually make it to the market, he says. Switch’s products could significantly help to clean up agriculture. “There’s a lot of potential for these companies and products to help farmers reduce emissions,” Blaustein-Rejto says. “This could be a really important solution for a quite hard-to-abate sector.” While lab results have been promising, field trials are a crucial step in proving a product, Blaustein-Rejto says: “This is one of the final steps before they can go to market and make strong claims to farmers.” Independent trials are important as well, he adds, since there can be a large gap between a company’s reported data and what independent researchers find. Pivot Bio is another company working to bring microbes to fields. Since it was founded in 2011, its products have been used on millions of acres of crops. The company now produces a range of products: Some versions can be added when seeds are planted, while others are applied to seeds before they’re even on a farm. The company also recently expanded beyond corn to make microbial fertilizers for cotton, wheat, and small grains including sorghum and barley. Pivot’s initial challenge was trying to get microbes to produce nitrogen, whether they sensed it in the soil or not. Now the company is working to figure out how to make fitter, more robust colonies no matter the environment, says Travis Frey, the company’s chief technology officer. “Growers right now are experiencing a double whammy from the farm economics point of view,” he says. Fertilizer costs are going up, and the price of commodity crops like corn has dropped. That’s a big opportunity for Pivot and others in the industry, Frey says: “This next decade is when biologicals on the farm are going to go mainstream.” Fertilizer and seeds are two of the biggest costs for many growers, so reducing dependence on synthetic fertilizers could be a major help for agriculture, says John Havlin, a professor in the department of crop and soil sciences at North Carolina State University. “I’m very excited about the future of the use of these products,” Havlin says. “They’ll eventually have a role to play to reduce the load of nitrogen that’s being applied.” However, there’s a ceiling to the amount of fertilizer we can expect microbes to replace. Switch’s modeling suggests that around 50% is likely the maximum, though the initial product will likely be able to replace about 25% of a farm’s synthetic fertilizer, according to the company. Pivot has said its products can replace about one-quarter of the fertilizer used currently. That means synthetic fertilizer will be around for a long time. “There is no clear and plausible vision for replacing it entirely in the foreseeable future,” Blaustein-Rejto says. “So other ways to reduce emissions and reduce other types of nitrogen pollution from farms remain really critical." Deep Dive Climate change and energy Four nuclear reactors hit a big milestone in the US Achieving criticality is just the first step toward power for the grid. By Casey Crownhart archive page Why worms (and microbes) are catching on as a manure pollution solution At least in California, which has become a test bed for emerging means of cleaning up livestock emissions. By James Temple archive page Why heat pumps are still so hot in the US A key tax credit in the US ended, but heat pump sales are still going strong. 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