Chapter 14. 미생물과 농업

1) Nitrogen Connection

- nitrogen :

- 아미노산을 포함하는 유기물의 필수구성성분

- 세포건조중량의 9-15%

- 미생물 : 년간 200만톤의 질소화합물 생산

- 동물, 식물 : 미생물의 질소고정에 의존 -> 미생물이 없으면?

- nitrogen fixation :

- 미생물의 nitrogenase에 의해

- 질소순환의 연결고리

- 비공생 질소고정균 : Azotobacter, Beijerinckia, Clostridium, Nostoc, Anabaena

- 공생 질소고정균 : Rhizobium, Beijerinkickia -> 콩과식물 뿌리에 공생

- nitrogen -> 질소고정세균 -> 암모니아->

-> 아미노산-> 콩과식물-> 젖소 -> 우유, 소괴기

1. Microbes on the Farm

- 젖소, 목초, 등등등..

Chapter 14. 미생물과 농업

Nitrogen CycleNitrogen Cycle

- Nitrogen fixation

- nitrification (질산화)

- 암모니아 -> 질산염으로 변환

- Nitrosomonas, Nitrobacter

- denitrification (탈질산화)

- 질산이온 분해-> 질소가스

- yeast, Cyanobacteria

Chapter 14. 미생물과 농업

☞ 질소고정관련 생물공학적 과제

- 질소고정유전자의 Agrobacterium 세균에서 발현

- 담배, 페튜니아, 토마토 식물조직에 서식

- 비콩과식물과 공생관계를 갖는 Rhizobium 종 개발-> 자체 질소고정 가능

- 질소고정유전자를 동물에게 이전하면?

2) Ruminants (반추동물)

- 섭취한 타수화물보다 더 많은 단백질 생산 -> 어떤 비밀?

- 소의 제 1위(rumen, 혹위) :

- 일정온도, 약산성, 무산소환경

- cellulase 생산 혐기성미생물 서식

- cellulase 분해 -> 포도당, cellobiose 로 분해

- 포도당분자 이용 유기산 생성 : propionic acid, acetic acid, methane, CO2

- urea 이용 단백질 합성

- 미생물자체는 또 다른 단백질원

- 맹장동물 : 말, 토끼, 돼지 등

- 맹장 내 미생물 -> rumen의 미생물 역할

- 토끼 : 자기 배설물 섭취-> 되새김질 대신 음식물을 두번 소장 통과시킴-> 분식증

반추위의 생화학반추위의 생화학

Microbes and RumenMicrobes and Rumen

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3) 낙농공장에서

- 젖소가 생산 한 우유 : 유지방, 유당, 유단백질, 무기염류

- 유당 : 미생물에 의해 lactic acid로 발효

- Sour cream : 크림의 숙성으로 생산

- Yogurt : Lactobacillus, Streptococcus의 젖산 발효

- Acidophilus milk : 살균된 우유에 L. acidophillus 배양액 첨가 혹은 짧은시간 발효

- Kefir : Lactobacillus, Streptococcus, Saccharomyces kefir 등을 혼합사용

- 발효 중 산, 알코올, 발효가스 생성

- Butter 숙성 : Streptococcus, Leuconostoc -> 산생성, diacetyl 생성-> 독특한 향기

- 치즈 : casein의 응고와 숙성

- rennin, 미생물유래 응고효소 사용

- 다양한 숙성미생물-> 다양한 치즈

- Roquefort cheese : Penicillium camemberti -> blue vein 생성

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2. Biotechnology on the Farm

1) 식물세포로 DNA 도입

- 식물세포배양기술 발전 : 단일식물세포로부터 성체식물 생산

- 식물세포 유전자를 변형시킨 후 성장-> transgenic plant (형질전환식물)

- 식물세포로 DNA 단편 주입

-> microinjection (미세주입법), Biolistic (gene shotgun)

-> Agrobacterium tumefaciens의 Ti plasmid(Tumor-inducing) 이용

-> 식물세포에 Ti plasmid 방출-> 식물세포염색체로 삽입-> crown gall 형성

-> Ti plasmid : 세균증식 자극단백질 유전자(종양유전자) 함유

-> 종양유전자 제거 후 외래유전자 도입 -> 세균에 도입 후 식물에 접종

Ti plasmid in Agrobacterium tumefaciensTi plasmid in Agrobacterium tumefaciens

Chapter 14. 미생물과 농업

2) Bacterial insecticide(세균살충제)

- 미생물살충제의 요건 : 특정해충에만 작용, 빠르게 작용, 환경안정성, 생분해성, 저가

- 1900 초 Bacillus thuringiensis 가 나방유충 살해 확인

-> 내생포자 형성 시 독성단백질 생산 -> 모충 장내에서 장벽세포 파괴

-> 식물, 대다수 동물에는 무해

-> 포자형성 초기 세균-> 분말형태로 건조 식물체에 살포

-> 빗물에 유실-> 살균효과 제한적

-> 식물세포에 Bt 유전자 직접 삽입시도 -> GMO 옥수수, GMO 목화

-> Bt 독소 내성 유충발현

GMO 목화Sporulating B. thringiensis

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3) 농업생명공학 연구결과들

(1) 곤충 내 자살유전자(suicide gene) 도입

- 유전자 활성화 후-> 곤충에 치명적 산물 생산 효소 발현

(2) ice-nucleating bacteria(빙핵세균) : 0oC에서 식물체에 얼음결정 형성 관여-> 서리형성

- Pseudomonas syringae

- 얼음형성 관여단백질 유전자 제거(ice-minus bacteria)-> 얼음형성온도 낮춤

- 현장살포-> 빙핵세균 점차 제거(균총변화)-> 식물의 성장기간 증가 -> 생산성 향상

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(3) 제초제 저항성

- Glyphosate : 제초제 주성분-> 엽록체에서 필수아미노산 합성효소 저해

- 대장균 내 동일활성 유전자 : glyphosate에 대한 높은 저항성

-> 유전자클로닝 후 Ti vector 이용 담배, 콩에 도입-> 제초제저항성 GMO 식물

미국내 제초제저항성 GMO 콩의 재배면적

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(4) Pharm animal (약용동물)

- 유전자변형 미생물의 산물을 처리한 동물

- 1983, BGH(bovine growth hormone) 대장균에서 생산 -> 식용소, 젖소에 주사

-> 뼈 근육 성장 촉진, 우유 25% 이상 생산 증가

-> 돼지 근육의 지방 양 감소

(5) Genetically Modified Food (GMF)

- FlavrSavr 토마토 : 썩음 지연 유전자 함유

- 토마토 썩음 : polygalacturonase(PG)에 의한 세포벽 pectin 분해가 원인

-> 토마토 내 PG 유전자 확인 후 활성억제

(6) Veggie vaccines

- 미생물백신 전달자로 야채와 과일 이용

-> 저장비용 저렴, 백신필요지역에서 생산, 무기한 공급, 오염된 주사기 노출방지

-> 요리 도중 일부 파괴의 문제점

- 토마토 : 짧은 생육기간, - 바나나: 아이들용, 요리필요없음

- 해결해야 할 문제 : 소장효소로부터 보호, 알러지반응유도?, 활성성분의 충분한양

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FlavrSavr 토마토 개발FlavrSavr 토마토 개발