식품 안전성 확보를 위한 위해요소 검출 기술과 환경 오염 정화를 위한 생물정화 및 유전자 변형 기술의 연구 동향 doc_id PCY_201504220915095011_18

최근 들어 국민 개개인의 행복실현을 위해서는 생활 속 불안을 초래하는 위험요인의 하나로 불량식품의 근절이 반드시 해결해야 할 선결과제로 인식되어 정부의 식품안전관리 체계도 통합되었다. 이에 따라 기술 개발의 추세도 소비자가 신뢰할 수 있는 안전한 식품의 공급을 위해 식품 생산에서 소비까지 전 유통과정의 안전성 확보 및 효율성 제고를 위한 제반기술의 확보에 역점을 두고 있다. 식품의 안전성을 확보하기 위해서는 위해요소가 생성된 후에 물리적·화학적인 방법으로 제어하는 기술이 아닌 분자수준에서 발생의 근원을 연구하고 신속하게 검출한 다음 제어할 수 있는 기술이 요구되고 있다. 이를 위해 위해발현 메커니즘을 기반으로 위해요소를 제어할 수 있는 기술과, 현장에서 식품위해요소를 판별할 수 있는 신속고감도 검출 기술과 관련 제품의 개발이 요구되고 있다. 제2차 생명공학 육성기본계획 2단계(ʼ12~ʼ16)에 식품 위해인자 신속 검출 등 식품 안전성 연구가 포함되어 있어 국가 수준에서 연구의 중요성을 인지하고 있다. 그러나 위해인자 검출에 있어 소요되는 시간과 인력의 90% 이상을 차지하는 시료전처리 과정을 위한 연구는 기술 중요도 인식부족으로 활발하지 못한 실정이다. 식품 위해인자 검출을 위한 바이오센서 기술은 빈번한 식중독 사고 해결을 위하여 대학과 출연연을 포함 관련 부처(식약처, 농진청 등)에서도 활발히 연구되고 있다. 최근에는 미래창조과학부 공공복지안전연구 사업에서도 관련 연구가 이루어지고 있다. 특히 식중독균 검출과 관련한 바이오센서는 몇몇 개발 제품이 보고되고 있으나, 시료전처리/검출시간/감도 등과 같은 근본적 문제해결은 미진한 상태이어서 상용화가 잘 이루어지지 않고 있다. 식품 위해미생물·독소 관련 바이오센서 제품은 의료진단 분야의 제품보다 상대적으로 공인 허가가 용이하여 초기 시장진출이 유리하며 확보한 know-how, 원천기술을 이용하여 의료지단, 환경 및 국방관련 바이오센서 시장으로도 효과적으로 진입할 수 있다. 환경생명공학(Environmental Biotechnology)이란 생명공학기술(Biotechnology, BT)을 환경공학(Environmental Technology, ET)분야에 이용하여 환경오염을 방지하고 환경을 효율적으로 보전하고 관리하는데 활용되는 모든 기술 또는 학문을 의미한다. 이 분야는 21세기 첨단기술로 주목되는 것 중 하나로써 분자생물학, 환경과학, 생태학 등의 분야와 융화하여 빠르게 발전되고 있다. 환경생명공학기술은 기술표준원의 기술 분류에 따라 청정기술, 환경오염제어 및 관리기술, 바이오에너지 기술 및 기타 환경생명공학 기술로 나누어져 있다. 이러한 기술들은 전 세계적으로 환경 분야의 핵심기술로 연구개발을 통해 실용화를 추진하고 있다. 본 장에서는 환경생명공학기술 중 환경오염제어 및 관리기술에 해당하는 생물정화(Bioremediation)를 중심으로 관련 내용을 조사하여 정리하였다. 생물정화는 주로 미생물 또는 식물을 이용하는 두 가지로 크게 구분되어 진다. 미생물을 이용하는 분야의 최근 연구는 생물정화를 효율을 높이는 미생물의 복잡한 대사과정을 파악하고 이해하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 저비용이고 환경 친화적으로 생각되는 오염대상을 바로 그 오염장소(in-situ)에서 처리 또는 in-situ와 ex-situ(오염된 대상을 다른 장소로 이동하여 처리)에서의 미생물과 영향분석의 효율적인 공급방법 개발에 노력 중인 것으로 조사되었다. 식물을 이용한 생물정화(Phytoremediation)는 환경 친화적이며, 비용 절감적이며, 다양한 오염물질 정화 그리고 지하수로의 오염물질 누출을 방지하는 등의 2차 오염이 없는 장점을 지니며, Phytoremediation 최근연구는 식물의 독성 금속물질 수송기작과 특정식물의 독성금속 흡수와 저항성 연구 분야 및 기능이 규명된 유전자를 식물에 삽입·발현시켜 금속오염에 저항성을 보이는 형질전환 식물체를 개발하는 분야가 활발히 진행 중이다. 오염물질의 생물정화를 위한 융합전략은 오염물질을 성공적으로 생물정화하기 위해 하나 이상의 생물체의 사용을 요구하는 과정이다. 관련된 모든 생물체가 유전적으로 변형될 필요는 없다. 특히 식물과 미생물을 포함하는 융합전략이 생물정화에 효율성이 높을 것으로 여겨진다. 생물정화를 위한 융합전략에는 첫째, 여러 종류의 식물사용 전략이 있다. 이는 유전자변형 나무(예, 형질전환 포플러)가 이용된 곳에서 좀 더 작은 초본(herbaceous)종류와 함께 처리한다면 좀 더 효과가 높은 전략이다. 둘째, 식물과 미생물의 융합사용 전략이다. 식물뿌리에서 분비되는 물질은 미생물 생장을 촉진시키고 이는 미생물이 오염물질을 분해시키는 능력을 향상시킬 수 있다. 이와 같이 식물과 미생물을 특성을 잘 조합한 유전자변형식물과 유전자변형미생물의 융합사용이 현재 가장 큰 주목을 받고 있다. 이러한 유전자변형미생물의 개발 전략에는 첫째, 전사과정(transcription)의 개선이 필요하다. 일반적으로 오염물질 분해에 관련된 유전자들은 접합플라스미드, 이동성플라스미드에 포함되어 있는 오페론에 존재한다. 이 오페론의 전사를 증폭하거나 조절하는 기술의 발전이 필요하다. 둘째, 번역(translation)의 향상이 필요하다. 이를 위해서 번역촉진자(tranlation enhancers), mRNA 안전성, 지정부위 돌연변이(site directed mutagenesis)에 관련한 연구개발이 활발히 진행 중에 있다. 셋째, 단백질안정성과 활동성 향상이 필요하다. 앞에서 언급한 전사와 번역과정을 향상시키면 오염물질의 분해에 필요한 효소와 단백질이 많이 생성되지만 안전성과 활성이 부족하거나 오염물질에 대한 특이성이 낮다면 결국 오염물질 분해 효율은 낮아질 수밖에 없다. 따라서 아미노산 서열을 변경하여 단백질 안전성을 높이는 연구개발이 활발히 진행 중에 있다. 미생물은 환경 내에서 오염물질의 분해, 존재, 독성을 관찰하는데 이용될 수 있다. 미생물은 배양이 쉽고, 독성물질에 대해 빠르게 반응하며, 오염물질이 발견될 수 있는 환경에서 생존하기 때문에, 오염물질의 모니터링에 이상적인 생물이다. 또한 미생물은 광범위한 환경오염물질에 분해와 더불어 특정 오염물질을 관찰하고 오염된 환경에 존재하는 실제 독성 수준을 분석하는 용도로도 사용하기 위해 연구개발이 진행 중이다. 형질전환 기술을 이용하여 luc, lux, gfp 등의 리포트 유전자를 해당 미생물로 삽입하여 오염물질 모니터링을 위한 유전자변형미생물의 연구개발이 지속되고 있다. 이러한 바이오센터의 중요한 장점은 이용할 수 있는 오염물질의 일부에만 반응하는 센서라는 점이다. 오염지역의 예비 평가에서 lux를 포함하고 있는 유전자변형미생물을 이용하여 그 지역에 존재하는 독성오염물질의 위치와 농도 형태를 분석할 수 있었고, 이를 통하여 생물학적 정화 또는 다른 방법의 처리과정을 거치므로 해서 정화효율을 증가시키고 정화비용을 절감하는 효과를 가져왔다. 최근에는 광섬유 케이블에 오염물질을 모니터링 할 수 있는 유전자변형미생물을 고정시키는 캡슐화 물질의 연구개발이 진행되고 있다.