Can We Hack Photosynthesis to Feed the World? | Steve Long | TED

번역: Seung Mi Park 검토: JY Kang

Today, nearly one in 10 is food insufficient.

오늘날 10명 중 한 명이 굶주리고 있습니다.

That number has been rising every year since 2014,

2014년 이후 매년 이 수치가 증가하고 있으며

and it's forecast to become considerably worse

향후 20~30년 동안 훨씬 더

over the next two to three decades.

증가할 것으로 예상됩니다.

This is especially true for the poorer countries of Africa and Asia,

특히 아프리카와 아시아의 저개발국가들이 위험한데요.

where the rise in demand

그런 나라들은 늘어나는 식량 수요를

is outpacing the rise in our ability to supply.

공급이 따르지 못하기 때문입니다.

I want to tell you how the most important process

저는 오늘 여러분께 이 지구에서 가장 중요한 과정인

on the planet,

boosting that process, photosynthesis,

광합성 작용을 강화해서

could alleviate this problem.

식량 문제를 해소할 방법을 알려 드리려고 합니다.

How photosynthesis works

광합성 작용은

is that plants remove carbon dioxide from the atmosphere,

식물이 대기에서 이산화탄소를 가져와

then they use sunlight energy to convert that into our food,

태양 에너지를 이용해 양분으로 전환하고

releasing our oxygen at the same time.

동시에 산소를 배출하는 과정입니다.

Photosynthesis is the most studied of all plant processes,

식물이 자라는 모든 과정 중 광합성이 가장 많이 연구되었고,

and from that knowledge,

연구를 통해 알게 된 사실은

we realize that even our most productive crops

생산성이 가장 높은 작물이어도

are only achieving about one fifth

실제 생산량은 광합성의 잠재적 생산량의

of the potential efficiency of that process.

5분의 1에 불과하다는 것입니다.

As the most studied of plant processes,

식물 생장에 대한 많은 연구를 통해

we realize that the efficiency is low.

광합성 효율이 굉장히 낮다는 걸 알게 되었습니다.

Now, if we look at other genetic improvements of plants,

식물의 다른 유전적 개량을 살펴보면

these have typically involved one or two genes,

대개는 한두 개의 유전자를 바꾸는 것이었습니다.

for example, the shortening of the stems of rice and wheat,

예를 들어, 쌀이나 밀의 줄기가 짧게 자라도록 해서

allowing more of the plant's biomass to go into the grain that we harvest,

수확할 곡식에 더 많은 양분이 가도록 하는 식이죠.

was at the core of the Green Revolution.

그것이 녹색 혁명의 핵심이었습니다.

That involved mutations in just a few genes.

단지 몇 개의 유전자에 변이를 일으키는 것이죠.

But photosynthesis is a process of over 100 steps,

하지만 광합성은 100단계가 넘는 과정으로 이루어져 있고

each of these facilitated by a different protein

각 단계는 서로 다른 단백질에 의해 촉진되며

and in turn coded for by many genes.

많은 유전자에 의해 암호화됩니다.

So where do you start?

과연 어느 단계부터 손을 봐야 할까요?

Well, you can envisage this like a car production line.

우선 자동차 생산 라인과 비슷하다고 생각해봅시다.

Imagine you've got a thousand workers.

작업자가 천 명이라고 상상해 보세요.

Where do you place them on your line

생산량을 극대화하려면 이들을 어디에 배치해야 할까요?

to get the most output?

Similarly, if you consider the amount of protein in a leaf,

마찬가지로 잎에 들어 있는 단백질의 양을

how do you distribute that between all these steps

광합성 단계마다 어떻게 배분해야

to get the maximum efficiency?

효율성을 극대화할 수 있을까요?

If you could work that out,

이 문제를 풀 수 있다면 효율성 개선의 실마리가 될 겁니다.

then maybe you could make progress.

However, to do this experimentally with all these permutations

하지만 가능한 모든 경우를 실험하려면

may take decades.

수십 년이 걸립니다.

So instead, we built a digital twin of the process

그래서 저희는 그 과정을 디지털화하기로 했습니다.

in which every one of these reactions

광합성의 모든 반응을

was described by a differential equation

방정식으로 표현하고

producing a system that we could then numerically integrate and optimize

이를 수학적으로 최적화할 수 있는 프로그램을 만들어

to pick out where should we be making changes.

개량이 필요한 부분을 찾기로 했죠.

So after three years of building this system,

이 프로그램을 만들고 3년이 지나서야

we are now ready to do our numerical integration.

과정을 수치화하는 단계에 접어들었는데

And it failed.

프로그램이 실패했습니다.

It failed miserably.

아주 폭삭 망했습니다.

(Laughter)

(웃음)

Fortunately, another scientist at our computer center

다행스럽게도 저희 컴퓨터 센터의 다른 과학자가

heard us talking about our problems

이 문제에 대해 듣고 이렇게 말했습니다.

and said, "Oh, I had exactly the same problem with my work

“아, 저도 똑같은 문제를 겪은 적이 있어요.

로켓 모터의 균형에 문제가 있었는데

on balancing rocket motors,

and here's how I solved it."

그때 이렇게 해결했습니다.”

So he looked at our problem and he said,

그래서 그 과학자에게 저희 프로그램을 보여줬더니

"Oh, this is more challenging than what I'm doing."

“아, 이게 제가 하고 있는 일보다 훨씬 더 어렵네요.”라고 하며

And he worked with us.

저희 팀에 합류했습니다.

And using his methods,

그의 도움을 받아서

we were now able to numerically integrate our system,

수치화하는 데에 성공했고

and we could optimize that,

최적화를 통해서

and we could start to see places

광합성 효율을 높일 수 있는

where we might be able to improve photosynthesis.

요소들을 찾을 수 있었습니다.

So that's just to tell you

이게 의미하는 바는

that photosynthesis isn't rocket science.

광합성 연구는 로켓 개발과 차원이 다르다는 뜻이죠.

It's harder.

훨씬 더 어렵습니다.

(Laughter)

(웃음)

(Applause)

(박수)

Well, of course, models can look very attractive.

물론 모의실험 결과는 꽤 그럴듯합니다.

But when you now have to go into a muddy crop field

하지만 이걸 질척한 논밭으로 가져와서

to show that you can actually do this,

실제로 적용해보면

it doesn't look quite so pretty.

결과가 깔끔하게 나오지 않습니다.

But despite these challenges,

저희는 이러한 어려움에도 불구하고

we were able to get together a team of experts

문제 해결을 위해 전문가들로 팀을 꾸렸습니다.

from Australia, Britain, China and the United States

호주, 영국, 중국, 미국의 전문가들이 모여

to work together on this.

이 일에 매달렸죠.

And this is how we work.

연구과정은 다음과 같습니다.

We use this digital twin to say, well,

디지털 모의실험을 통해

what is the easiest change we might make that would have a big impact?

조금만 바꿔도 큰 효과를 볼 수 있는 요소가 무엇인지 찾았습니다.

Then we engineer that into a crop.

그리고 실제 작물을 개량해서

If in the greenhouse,

실험 온실에서 재배한 뒤

we can see that the genetically modified plant is yielding more

개량한 식물의 생산량이

than the unmodified one,

개량하지 않은 식물보다 높다면

then we have the acid test saying,

최종 검증에 들어갑니다.

does this actually provide a higher yield on our experimental farm?

농장에서 시범 재배를 해보고 수확량이 실제로 늘어나는지 확인하죠.

Now we've now made three different changes to photosynthesis,

여태까지 저희는 광합성 효율을 높일 세 가지 요소를 발견했고

each individually increasing yield by over 20 percent.

각 요소마다 수확량을 20% 이상 늘릴 수 있습니다.

And I'll just tell you about --

그중 몇 가지를 여러분께...

(Applause)

(박수)

A couple of these in a little more detail.

좀 더 자세히 설명해 드릴게요.

In one case, the digital twin said

디지털 모의실험 결과로부터

a protein we call SBPase

SBPase라는 단백질이

should be far more abundant in the leaf than it is.

잎에 더 많아야 한다고 나왔습니다.

So we put in extra copies of the genes coding for that protein.

그래서 저희는 그 단백질을 만드는 유전자 사본을 늘려서

We made more of it, we got more photosynthesis,

그 단백질이 많아지게 했더니 광합성 반응이 늘어나며

we got a higher yield.

수확량이 늘었습니다.

Well, this was a bit of a mystery because ...

처음엔 잘 이해가 되지 않았어요.

This protein is a tiny fraction of the leaf's total protein.

이 단백질은 잎을 구성하는 모든 단백질 중 극히 일부였으니까요.

So why hadn’t evolution already done this?

왜 식물들은 이 단백질이 많도록 진화하지 않았을까요?

A colleague pointed out to us that the ancestors of our crops

그때 한 동료가 지적하기를

우리 농작물의 조상이 진화할 때 당시 환경의 이산화탄소 농도는

evolved in the carbon dioxide concentration

that is about half what it is today.

오늘날에 비해 절반 정도였다는 거였습니다.

Aha!

아하!

So we reran the model at this past CO2 concentration,

그래서 과거의 이산화탄소 농도로 모의실험을 다시 돌렸습니다.

and we found now that the model was saying

그러자 이번 실험 결과에서는

그 SBPace 단백질이 그리 필요 없다고 나왔죠.

well you don't need any more of this protein.

So then we got curious, what about the future?

그래서 궁금증이 생겼습니다. 미래에는 어떻게 될까요?

In 2050, we're predicting

2050년을 예측해보면

a considerably higher carbon dioxide concentration.

이산화탄소 농도가 훨씬 더 높아질 것입니다.

When we ran it at that higher concentration,

이산화탄소 농도를 더 높여 모의실험을 해보니

it said the benefit of increasing this protein was even greater.

SBPase 단백질이 많을수록 효율성이 오른다는 결과가 나왔죠.

Well, we couldn't easily remove carbon dioxide

농작물 주변 공기에서 이산화탄소를 제거하긴 어렵지만

from the air around our crop,

but we could add it.

거꾸로 더할 수는 있죠.

And when we did this,

그래서 이산화탄소를 추가하고

the model prediction was proved that we did indeed get

모의실험을 바탕으로 개량한 작물을 재배하자

an even bigger boost in yield.

수확량이 크게 증가했습니다.

So this told us that evolution has just not had time

이것으로 알게 된 사실은

식물의 진화는 그리 빠르지 않아서

to keep pace with the changes we have made

우리가 환경을 변화시키는 속도를 따라가지 못한다는 것입니다.

in crop environments.

Now, another change we've made in crop environments

저희가 농작물 환경에 적용한 또 다른 변화는

is to grow our crops at ever-increasing densities.

농작물을 좀 더 밀집하게 재배하는 것입니다.

This means that there's a lot of shading within the crop.

농작물이 밀집할수록 그늘이 더 지게 되죠.

So over the course of a day,

하루 동안에 농작물의 잎은 그늘에 들고 나게 됩니다.

the leaves are going in and out of shade due to clouds,

하늘의 태양을 구름이 가리기 때문이죠.

due to the passage of the sun across the sky,

but most importantly,

하지만 그보다 중요한 건

shadows cast by other leaves.

주변의 잎이 만드는 그늘입니다.

Now, for photosynthesis,

광합성 측면에서 보자면 잎이 그늘에 들어가는 상황은

when the leaf goes into the shade,

it's rather like you coming out of the sunshine,

마치 우리가 햇빛에 있다가 그늘진 실내로 들어갔을 때

going into the shade of a room,

and it takes time for your eyes to adjust to that change.

우리 눈이 빛의 변화에 적응하는 데 시간이 걸리듯

The same is true of photosynthesis,

광합성도 마찬가지로 적응 시간이 필요합니다.

except it adjusts rather more slowly than your eyes.

다만 광합성은 우리 눈보다 적응하는 시간이 훨씬 더 깁니다.

Over the course of the day,

이렇게 하루 동안

this slow adjustment costs productivity an estimated 20 to 40 percent.

필요한 적응 시간이 길다보니 생산성이 약 20~40% 떨어지게 되죠.

So again, using our digital twin and also other information,

다시 모의실험과 다른 데이터를 모아

we identified three proteins that we should regulate.

이 적응 능력에 영향을 주는 세 가지 단백질을 찾아냈고

So we added extra copies of the genes for those proteins,

그 단백질 유전자의 사본을 늘려서 그 단백질이 많아지게 만들자

got more of them,

the leaves adapted faster to fluctuations in light.

작물의 잎이 빛의 변화에 더 빨리 적응했습니다.

And in soybean on our farm

그렇게 만든 대두를 실험 농장에 심었더니

we got more than 20 percent increase in seed yield.

종자 수확량이 20% 이상 증가했습니다.

(Applause)

(박수)

So how do we now get from these improvements

이제 이렇게 개량된 종자를

to seed

어떻게 이용해야

which will give greater yields where it is most needed?

식량이 필요한 곳의 생산량을 늘릴 수 있을까요?

And I'll just give you one ongoing example.

현재 진행 중인 예를 한 가지만 말씀드리겠습니다.

We've been working with TJ Higgins,

저희는 티제이 히긴스 박사와 협력하고 있는데요.

a plant biotechnologist from Australia,

그분은 호주 출신의 식물 생명공학자로

who's been working in Nigeria really for almost 20 years,

나이지리아에서 20년 동안 연구하며

developing insect-resistant cowpea.

곤충 저항성이 있는 무지개콩을 개발해 왔습니다.

Cowpea is probably not what you think it is.

그 무지개콩은 아마 여러분이 아는 것과 다를 겁니다.

Cowpea is actually a nitrogen-fixing crop

무지개콩은 대두와 같은 질소 고정 작물이며

related to soybean,

and it produces, like soybean, a protein-rich seed.

대두와 마찬가지로 단백질이 매우 풍부합니다.

It is, in fact the most important vegetable protein source in West Africa,

무지개콩은 서아프리카에서 가장 중요한 식물성 단백질 공급원이며

and it is often referred to as the “poor man’s meat.”

종종 “가난뱅이들의 고기”라고 불립니다.

A problem with cowpea is that a pod boring insect

무지개콩의 문제점은 벌레에 취약해서

can completely destroy a family's entire crop.

꼬투리에 구멍을 뚫는 해충 한 마리가 농장 전체를 다 망칠 수 있다는 거죠.

So TJ's ...

그래서 티제이 박사는

genetically modified cowpea that is insect-resistant

무지개콩의 유전자를 조작해서 곤충 저항성을 갖도록 개량했고

is very powerful,

and TJ and his colleagues work with governments in West Africa

티제이 박사 연구진은 서아프리카 정부와 협력하여

to put in place regulatory frameworks for genetically modified crops.

유전자 개량 작물에 대한 규제 체계를 마련하고 있습니다.

And now this insect-resistant cowpea is available to farmers in Nigeria,

그리고 지금은 곤충 저항성이 있는 무지개콩이

나이지리아의 농부들에게 보급되어 큰 인기를 끌고 있으며

where it's become very popular.

This year, it was also released in Ghana.

올해는 가나에도 보급되었습니다.

So what we are now doing with TJ

지금 저희가 티제이 박사와 추진하는 일은

is stacking our photosynthetic improvements

광합성 효율을 개선하면서도

on top of his insect resistance --

해충에 대한 저항성을 높이고

this is all royalty-free --

특허 사용료 없이

so that these farmers will have access to seed,

농부들이 종자를 보급받아서

which will produce a crop which is insect-resistant

벌레에 강하고 수확량이 더 높은 작물을

and delivers a higher yield.

생산할 수 있게 하는 거죠.

So I hope I've shown to you that ...

그래서 제가 말씀드리고 싶은 것은

by boosting photosynthesis

광합성의 효율성을 높이면

we can relieve the risk of food insufficiency

식량 부족의 위협을 받는 취약한 지역에 도움이 되고

for some of the most vulnerable.

We can protect the environment

환경을 보호할 수도 있습니다.

by preventing the need to go onto yet more land

식량 생산에 더 많은 땅이 필요치 않기 때문이죠.

to produce our food.

And the possibility that we might even be able to remove carbon dioxide

그리고 또 하나 가능성 있는 것은

대기 중 이산화탄소를 없앨 수도 있다는 것입니다.

from the atmosphere.

A 21-century Green Revolution,

바로 이러한 21세기 녹색 혁명이

one we so urgently need.

지금 당장 필요합니다.

Thank you.

감사합니다.

(Applause)

(박수)