미래바이오산업의핵, 합성생물학 바이오기술의발전에따라표준화된생물학적부품을조합하여인공생명체를만드는합성생물학이주목을받고있다. 합성생물학은유전자분석및조합기술의발전과녹색산업에대한관심증가로, 향후바이오연료및바이오화학의핵심기반분야로성장할전망이다. 성낙환선임연구원 nakhwans@lgeri.com 할리우드에서개봉한 가타카 (Gattaca) 는유전자로신분이결정되는미래사회를배경으로한 SF영화이다. 선천적으로열성유전자를가지고태어난주인공이정체를숨긴채자신의꿈인우주비행사가되기위한과정을그리고있다. 영화제목자체가 G( 구아닌, Guanine), A( 아데닌, Adenine), T( 타이민, Thymine), C( 사이토신, Cytosine) 의 4개유전자염기를의미하는이영화에서는, 인간이 유전자를통제하여생명체를창조할수있는미래를가정하고있다. 개봉한지벌써 10년도넘은영화속세상의실마리가우리들의시야에최근보이기시작했다. 바이오분야의합성생물학 (Synthetic Biology) 이그것이다. 합성생물학은기존생명체를모방하거나자연에존재하지않는인공생명체를제작및합성하는것을목적으로하는학문으로, 인공생물학이라고도불린다. 1953 년미국의왓슨과영국의크릭에의해 DNA의이중나선구조가밝혀진이후꾸준히발전해온바이오기술이, 생명복제를넘어서자연에존재하지않는인공생명체를제작및합성하는단계로발전해나가고있는것이다. 이미우리주위에는유전자변형식품 (GMO, Genetically Modified Organism), DNA 검사, 줄기세포등바이오기술이많이다가왔지만, 인간의통제하에바이오기술을보다산업적인용도로사용하기위한수단으로합성생물학이응용될수있다. 먼저합성생물학의특징에대해살펴본뒤, 합성생물학에따른미래바이오산업의발전방향을예상해보았다. DNA 나선구조 부품들로기계장치를만들듯생명체를합성합성생물학은바이오및나노기술의발전에따라유전자서열분석및합성이확산되면서 LG Business Insight 2010 6 2 55
합성생물학은표준화된생물학적부품을사용하여, 인공생명체를만드는신생학문이다. < 그림 1> 합성생물학의원리및활용 자료 : Synthetic Geonomics 2000년대초반구미지역에서처음등장한신생학문이다. 2003년 MIT에서합성생물학실험수업이개설된이후, 합성생물학을연구하는실험실이전세계적으로늘어나고있는상황이다. 합성생물학의등장배경에는바이오분야에 IT 기술을활용한바이오인포메틱스 (Bioinformatics) 의도움이컸다. 인간의경우만하더라도 30억개의염기서열과 2만 ~2만 5천개의유전자가존재할정도로유전정보가방대하다. 게다가 RNA, 대사경로등생물시스템을이해하기위한정보가기하급수적으로늘어나면서, 이를처리하기위해서는컴퓨터및수학, 통계도구들이필요할수밖에없게되었다. 합성생물학의특징은나사나볼트, 베어링등여러부품을사용하여기계장치를만들듯이, 표준화된생물학적부품을조합하여새로운생명시스템이나생명체를만든다는것이다. 얼핏듣기에인간의필요에의해생물의유 전자를인공적으로가공하는기존의유전공학 (Genetic Engineering) 과유사하게생각할수있다. 그러나합성생물학은모듈화, 표준화와같은공학적접근을통해생물시스템의주요개념을분석하고설계하기때문에, 기존의 DNA, 세포, 개체등을수정및변경하는수준에그쳤던유전공학과는차이가있다. 또생물학시스템구성체들간의관계및상호작용을연구하는시스템생물학 (System Biology) 과도목적이다르다고할수있다. 요컨대합성생물학은시스템생물학, 바이오인포메틱스, 나노기술등을기반으로한신생연구분야로, 바이오기술이실험실을벗어나엔지니어링단계로진입하고있음을시사하는학문으로볼수있다. 현재합성생물학의기술수준은인공미생물이나박테리아를만드는단계까지도달하였다. 인공생명체를만들기위해서는생물학시스템을컴퓨터로모델링하고, 이를구현하기위한 DNA 염기서열분석과유전자합성기술이필수적이다. 이러한기술들을사용하여작은세포의 DNA 일부또는전체를인공적으로합성한후, 세포에삽입하여인공세포를만드는것이가능하다 (< 그림 1> 참조 ). 실제로올해 5월사이언스지에따르면, 미연구팀이마이코플라즈마마이코이즈 ( M y c o p l a s m a mycoides) 라는박테리아유전자전체를인공합성한후마이코플라스마카프리콜룸 (Mycoplasma capricolum) 박테리아에주입 56 LG Business Insight 2010 6 2
각국정부의지원과민간연구자들의노력에힘입어합성생물학이빠르게발전하고있다. 하여이를번식하는데성공하였다. 미국을중심으로정부와민간연구활발지역별로보면미국의합성생물학연구가가장활발하다. 2009년까지미국에는 100여개대학교, 50여개회사를포함한총 200여개의합성생물학연구단체가존재하고, 벤처캐피탈등을통해약 10억달러가투자되었다. 반면에유럽은 35개대학교, 10개회사정도로연구시설의절대수도부족하고투자금액도 3,000 만유로정도로많이뒤쳐지는상황이다. 합성생물학의성장에는정부지원이밑바 탕이되고있다. 미국의경우국립과학재단 (National Science Foundation) 을통해합성생물학연구센터 (Synthetic Biology Engineering Research Center) 에 1,600 만달러를, 에너지부 (Department of Energy) 는 BP(British Petroleum) 와함께합성생물학을연구하는바이오에너지연구소 (Energy Bioscience Institute) 에 5억달러를지원할계획이다. EU도과학기술지원프로그램인 FP(Framework Programme) 를통해합성생물학을미래잠재력이큰유망과학기술분야로선정하고연구프로젝트를지원하고있다. 민간에서는합성생물학을연구하거나관 MIT 의 igem 일반대학생을중심으로이미기능이밝혀진미생물의유전자 (BioBrick) 를부품삼아새로운생물을설계하는국제대회이다. 2003년부터매년개최되고있으며 2009년약 110개팀, 1,100명의학생들이참가할만큼갈수록규모가커지고있다. 생물시스템의체계적인설계및개발도구들의투명한사용을촉진시키고, 바이오기술의대중화를목표로하고있다. 현재 igem에서는인간에게유용한합성생물을만들기위한시도가활발하다. 자랄때는민트향을내다가죽을때바나나향을내는세균, 오염물질을맡으면경보시스템이작동하는박테리아, 항암물질이함유된맥주를발효시키는효모등재미있는여러아이디어가등장하였다. igem 로고 바나나향을내는 BioBrick LG Business Insight 2010 6 2 57
합성생물학은바이오연료및화학등화이트바이오분야에적용이활발하다. 심있는과학자들간의교류가활발하다. 2004 년제1회국제합성생물학학술회의가시작된이후 2008년 4번째회의가홍콩에서개최되었고, 2011 년에는미국스탠포드대학에서 5번째회의를가질예정이다. MIT가주관하고일반대학생이참가하는 igem(international Genetically Engineered Machine competition) 대회의경우국제적관심이높은상황이다. 화이트바이오분야를중심으로성장가속화합성생물학은에너지, 화학등화이트바이오 (White Biotechnology) 산업을중심으로성장이가속될전망이다. 물론합성생물학은바이오신약, 바이오칩, 치료등의의료분야인레드바이오 (Red Biotechnology), GMO, 건강기능식품등농업부문의그린바이오 (Green Biotechnology) 에도적용이가능하다. 하지만최근녹색경제에대한기업들의관심과정부정책에힘입어바이오에너지, 친환 < 그림 2> 합성생물학시장전망 ( 백만달러 ) 2008 2013 594 80 73 23 58 바이오 / 제약 R&D 에너지 화학 자료 : BCC Research(2009) 249 1,063 532 경산업공정, 바이오연료등의화이트바이오분야에서합성생물학을활용하기위한노력이활발하다. 시장전망을통해이러한현상을짐작해볼수있다. 합성생물학내시장구성을보면 R&D, 제약, 화학, 에너지등으로나눠볼수있는데, 2008년에는제약및 R&D 분야가많은부분을차지하였다. 그러나유럽과미국의바이오연료확대정책에따라 2013 년에는에너지관련산업이 11억달러로가장많은비중을차지할것으로보인다. 실제로미국의오바마대통령은바이오연료사용촉진을위한정부대책기구를설립하고, 자금지원및생산시설확대등강력한정책드라이브를걸고있기때문이다. 이밖에바이오화학, 제약분야도빠르게성장하면서합성생물학의시장전체크기는 2008년 2억달러에서 2013 년 24억달러로연평균약 60% 의성장이예상된다 (< 그림 2> 참조 ). 미래에너지및화학산업의생산성혁신기대그렇다면합성생물학은구체적으로어떤산업에도움을줄수있을까?(< 표 > 참조 ) 대학및순수연구 R&D 분야를제외하고제약, 바이오화학, 에너지분야를중심으로살펴보자. 우선제약분야에서는합성미생물을통해약물생산성을높일수있다. 일례로 UC버클리대학의키슬링 (Keasling) 교수는빌게이츠재단의도움을받아합성생물학을통해말라리아치료제아르테미시닌 (Artemisinin) 58 LG Business Insight 2010 6 2
추가적인기술개발과안정성및윤리문제, 지적재산권등에주의를기울여야한다. 의생산성을높였다. 대장균과효모의유전자조합을통해합성미생물을만들고생물의대사경로를조절하여, 아르테미시닌생산량을수십배향상시켰다. 또암, 에이즈, 유전병과같은질병의경우, 감염된세포를찾아내어사멸시키는인공미생물의생물체기반치료제개발에합성생물학이사용될수있다. 혈관을타고돌아다니면서질병세포를찾아치료하는맞춤형미생물을만드는것이다. 석유를대신하여바이오매스로부터화학물질이나의약품을생산하는바이오리파이너리에합성생물학이사용될수있다. 화석연료의고갈과환경오염문제로바이오플라스틱과같은바이오화학제품에대한관심이높아지고있지만, 석유에비해생산비용이높아경제성이떨어지는상황이다. 그러나합성생물학을이용하면생산공정에사용되는미생물인바이오촉매의개발을용이하게하여생산성을높일수있다. 일찌감치듀퐁, BASF 같은석유화학업체들은바이오화학에서합성생물학의가능성을높이보고연구개발에활발히투자하고있다. 합성생물학은수송용연료를대체하기위한바이오에탄올, 바이오디젤등의바이오연료생산에서도필요하다. 바이오연료는효모와같은미생물을통해당분을발효시켜액체연료를얻는다. 이때합성미생물을사용하면발효시간을줄이고생산수율을높일수있다. 일례로미국의 LS9, AMYRIS 기업등은합성미생물을이용하여에탄올, 디젤, 항 < 표 > 합성생물학적용분야 산업 적용분야 바이오 / 제약 바이오센서, 질병진단기, 맞춤약물등 에너지 바이오연료, 효소, 인공잎등 화학 생분해성포장재, 강화 / 경량화재료, 화학물질검사등 기타 신품종개발, DNA 컴퓨팅, 나노입자생산등 자료 : The Royal Academy of Engineering(2009) 공유등을시험생산하고있다. 특히비식용작물인목질계셀룰로오스나해조류를이용하는차세대바이오연료시장에서도생화학반응을최적화하기위한수단으로합성생물학은중요한위치를차지하고있다.*****< 표 > 기술, 안전과윤리, 특허문제가주요이슈다양한분야에걸쳐합성생물학이활발히적용되고있지만, 기업측면에서산업진출시몇가지주의할사항이존재한다. 추가적인기술개발로가격을낮추고, 생명경시및인공생물체에대한안정성문제를주의해야하며, 다국적기업의기술독점을경계할필요가있다. 우선유전자분석및조작기술이많이활성화되었지만, 상업화까지는아직갈길이멀다. 실제로한사람의유전자 DNA 염기서열분석에는현재기술수준으로약 1백만달러가소요된다. 인간의 DNA가총 30억개의염기쌍으로이루어져있으니, 염기쌍 3,000개를분석하는데 1달러가드는것이다. 유전자합성은더욱비싸다. 염기쌍하나를합성하는데 1 LG Business Insight 2010 6 2 59
합성생물학은그린비즈니스와헬스케어두유망사업을아우르는핵심기반기술로각광받게될것이다. 복제양돌리 달러의비용이드는데, 현재가장작은유전자를가진세포인마이코플라스마제니탈리움 (Mycoplasma genitalium) 의유전자를인공합성할경우 580만달러나소요된다. 게다가유전자이외의합성단백질분야와인공세포와같은바이오시스템분야는기술수준이많이떨어지기때문에추가적인기술개발이매우중요하다. 둘째로생명경시의윤리문제와인공생물체의안정성문제에주의를기울여야한다. 생명복제와마찬가지로생물의합성및변형이쉬워지면서생명을경시하는풍토가조성될수있다. 또처음의도와는다르게인공생명체가인간에치명적인질병을발생시키거나생화학무기로사용될수있기에항상주의할필요가있다. 비록실험실의특수한환경에서만가능한인공생명체라도예상치못한긴급상황에대비해야할것이다. 이러한문제를해결할수있는국가차원의법률제도도아직갖춰지지못한상황이기때문에, 연구자들의자율규제와인식교육에소홀히해서는안된다. 셋째로선도기업의기술독점상황을극복할수있는대비책이필요하다. BBF(Bio- Bricks Foundation) 처럼생물학부품을대중에게공개하고마음껏사용하게하려는노력도있다. 그러나선의의경쟁을통한기술개발을유도하는측면에서합성생물학에대한지 적재산권보호가인정되는상황이다. 현재생물학적부품및구성요소에대한특허출원이증가하고있으며, 인공생명체에대한특허도논의가진행중에있다. 특히 BASP, 메타볼릭스 (Metabolix), 상가모 (Sangamo Biosciences) 등의소수의화학및바이오기업에특허가집중되어있다. 이러한현상은향후산업의진입장벽으로작용할가능성이높기때문에, 특허라이센싱, 크로스라이선스등의대비책이기업에게필요하다. 녹색과헬스케어두유망사업의핵심기반기술지난 20세기초화학원소나간단한화합물을이용하여새로운화합물을제조하는합성화학이산업전반에막대한변화를일으켰다. 마찬가지로 21세기의합성생물학이산업에미치는파급효과또한매우클것으로예상된다. 특히합성생물학은최근주목받고있는녹색산업과헬스케어의두유망사업을아우르는핵심기반기술로서그가치가높다고할수있다. 합성생물학을통해제작된인공미생물및박테리아를사용하여바이오연료및화학제품, 신약개발분야에혁신을앞당길수있기때문이다. 또합성생물학은컴퓨터를사용한설계와표준화된바이오부품을사용함으로써, 바이오기술의산업화기틀을마련해준다. 공학적원칙을사용하기때문에사전설계, 최적화, 대량생산등기존제조업과유사한특징이있어 파급효과는더욱크다고할수있다. www.lgeri.com 60 LG Business Insight 2010 6 2