식량·환경 문제 해결과 산업적 혁신을 이끄는 합성생물학의 기술적 원리와 비즈니스적 가치 및 발전 전망 doc_id PCY_202003100356096481_5

현재 인류에게 식량 및 자원 제공을 위하여 농업은 대량의 토지에 단일 품목을 재배하는 형태로 가축의 경우에는 공장식 사육이 진행되고 있다. 이는 생태계 및 환경 파괴로 이어지고 있다. 생활환경의 개선이 이루어진 인류는 그 어느 때보다 많은 육류와 곡류를 소비한다. 학자에 따라 계산이 다르지만, 현재 인류의 가축사육과 대량 곡물 재배에서 발생하는 이산화탄소는 전체 배출량의 30% 정도로 추정되며, 곡류의 대량재배로 인해 파괴되는 열대우림과 숲들은 많은 동식물의 멸종을 가져온다. 전혀 다른 분야인 것처럼 보이지만 IT 기술로 무장한 합성생물학은 이러한 농축산 방식에 혁명을 가져올 수 있다. 합성생물학을 적용한 대표적인 예가 인조고기를 생산하는 배양육 산업이다. 미국의 실리콘 밸리와 영국에서 배양육 산업은 아직 기존 방식의 축산방법과 비교하여 비용도 많이 들고 맛도 100% 같지는 않지만 수많은 투자자의 관심을 받고 있으며 지구 환경을 보호하는 획기적인 방안으로 보고 있다. 현재 많은 전문가는 2050년 배양육 산업이 현재 가축 수요량의 80%를 대체함으로써 전 지구적으로 10% 이상의 이산화탄소 감소라는 긍정적인 기대를 하고 있다. 현재 세계 인구 9명 중 1명은 기아로 시달리고 있으며, 인구의 지속적인 증가 추세로 지구의 자원이 한계에 이를 것으로 예측된다. 인구증가에 따른 농경지의 감소 및 기후변화는 경작지와 농업 생산량의 감소로 이어져 식량 부족의 문제로 이어질 수 있다. 따라서 식량 자원의 생산성 향상이 필요하며, 이를 위하여 생산성이 향상된 농작물과 가축의 개량이 필요하다. 농업과 합성생물학에 대한 논의는 더 많은 사람에게 식량을 공급하고 농업에 대한 다른 요구를 수용하기 위해 효율성을 높이는 데 중점을 두고 있다. 질병에 대한 저항력 증가로 농작물의 손실을 줄임으로써 단위 면적당 더 높은 수확량으로 작물을 생산할 수 있다. 또한, 일차적인 식량의 공급뿐만 아니라 농업 응용 생물 경제 전략으로 세계 인구에게 공급할 수 있는 연료를 위한 바이오매스를 포함한 바이오 기반 산업의 원료를 제공하기 위해 농업의 확장이 필요하다. 또한 기존의 생물에서는 제한적으로 생산되던 고가의 의약물질을 합성생물학을 통해 단시간에 대량으로 생산한다면, 질병으로 인해 고통받는 많은 사람에게 도움이 될 수 있다. 21세기는 규모의 경제를 벗어나 지식과 정보를 이용하는 지식기반의 디지털 정보통신 시대로, 우리의 생활과 산업구조 전반에 영향을 미치고 있으며 삶의 질을 높이고 있다. 현대의 유전학과 유전체학 기술도 대중에게 많은 양의 정보를 제공하고 있으며, 현대의 사회 문화적 흐름을 볼 때 정보의 양과 얻는 속도가 생명공학 기술 발전에 최우선이 되고 있다. 《제 3의 물결》의 저자인 앨빈 토플러는 지식과 정보화 사회에서 한국은 이미 세계 수준의 정보인프라를 구축하고 있다고 하였으며, 한국도 다양한 유전체 사업이 계획 또는 추진되고 있기 때문에 생물학적 정보량은 지속해서 증가할 것으로 예상된다. 합성생물학은 생명과학과 컴퓨터과학의 발달과 깊은 관계가 있어 생물학적인 정보를 어떻게 효과적으로 분석하고 관리하는가 그리고 이를 빠르고 정확하게 검색하고 사용하는가에 따라 합성생물학 분야에서 우위를 가질 수 있을 것이다. 합성생물학 비즈니스 스킬과 소프트 스킬 보고서 2016의 조사결과에 의하면 기업에서 합성생물학에 대한 상업적 인식이 얼마나 중요한지를 묻는 질문응답자 85%는 상업적 중요성이 증가하고 있다고 답했으며 그 다음으로는 "실험실부터 고객에 이르기까지 가치사슬에 대한 올바른 이해"가 중요하다고 답하였다. 이미 많은 기업에서는 ABS를 넘어 합성생물학에 대한 이해와 가치사슬을 발굴하고 있을 정도로 한걸음 앞서가고 있음을 보여주는 중요한 조사결과로서 우리에게 시사하는 바가 크다. 우리가 준비되지 않았다고 해서 상대국들이 기다려 주지 않는다는 사실을 인식해야 할 때임을 알려주고 있는 깊은 단서이기도 하며, 우리에게 직면하고 있는 현실이 되고 있다. 세계는 지금 생물무역 확대를 다양하게 준비하고 있다. 합성생물학 역시 설계된 물질을 생산하는 공장이 필요한데 기존 산업과는 달리 대규모 공장설비가 아닌 다양한 사이즈의 설비 및 각 대상에 따라 다른 시설이 필요하다. 이는 현재 IT 반도체 산업의 파운드리와 비슷한 바이오파운드리는 산업이 탄생했다. 즉, 생물의 설계는 업체나 기관이 하고 이를 위탁해서 생산하는 업체들이 존재할 수 있는 협업의 비즈니스가 가능하다. 합성생물학은 유전자 설계 및 제작에 부품화와 모듈화를 기반으로 표준화를 접목하는 기술이며, 바이오 파운드리는 합성생물학 응용 및 연구 활성화를 위한 제조기술 및 시설로 인공유전체 및 유전자회로의 신속한 설계, 합성, 위탁제조, 및 성능시험을 위한 기술 및 시설로 인공유전체, 인공회로 기반의 생물체 개발 및 생물공정 프로세스의 상업화를 촉진 촉진할 수 있다. 2019년 전세계 합성생물학 기반의 협력 플랫폼인 글로벌 바이오 파운드리 연합GBA, Global Biofoundries Alliance이 결성됨에 따라 국가 간 바이오 파운드리 협업이 강화될 것으로 전망된다. 2019년 현재 미국, 영국, 덴마크, 중국, 일본, 싱가포르, 호주의 16개 기관과 업체가 이 협약을 체결하여 공동연구의 길을 열었다. 한국에서도 업체나 기관의 참여가 시급해 보인다. 3D 바이오 프린팅의 출력방식은 일반 3D 프린팅과 동일하지만, 기본 소재로 살아있는 세포를 출력하기 위해 생체적 합성을 하는 고분자나 생체 재료 등을 사용한다는 차이점이 있다. 3D 바이오 프린팅 기법으로는 생물학적과 비생물학적 3D 프린팅에서 가장 일반적으로 사용하는 작은 크기의 액체 방울로 재료를 분사하여 출력하는 잉크젯Inkjet 방식, 일정 점도 이상의 재료를 공기압력이나 피스톤으로 밀어내어 그것을 적층하여 물체를 출력하는 미세 압출Micro-extrusion 방식, 그리고 잉크젯 방식이나 미세압출 방식보다 일반적으로 많이 사용되지는 않지만 두 방식과 달리 노즐이 없어 세포나 생체 물질이 출력 도중 막힐 우려가 없는 장점이 있는 광경화성 수지 표면에 광원을 조사하는 광조형Laser-assisted 방식이 있다. 잉크젯 방식은 준비 시간이 짧고 출력 속도가 빠르며 비용이 적게 든다는 장점이 있으나, 열에 의해 세포가 손상될 위험이 있다. 미세 압출 방식은 세포를 고밀도로 적층할 수 있어 복잡하고 다양한 구조를 형성할 수 있다는 장점이 있어 가장 널리 사용되고 있지만, 정밀도와 속도를 보다 향상하는 것이 필요하다. 1977년 개발된 생어 염기서열 분석법을 뒤로하고, 현재는 IT 기술이 접목된 NGSNext Generation Sequencing 기법이 일반적으로 사용된다. 차세대염기서열분석법NGS은 유전자 배열 결정의 속도와 비용의 효율성이 고려되어 성능이 혁신적으로 진화함으로써 첫 인간의 게놈분석에는 수천 명의 연구 인력과 수조 원의 비용이 들었으나 이를 1000달러 정도의 예산으로 인간 전체 유전체 분석이 가능하게 만든 기술이다. 차세대 시퀀싱은 특별한 기술을 지칭하는 말이 아니라, 단지 예전의 HGPHuman Genome Project에서 사용한 생어 시퀀싱의 데이터 출력량을 능가하는 여러 시퀀싱 기술들을 통칭하는 용어이다. 이 분석법의 발상은 컴퓨터 공학에서 한 작업을 동시에 수행하는 것을 뜻하는 병렬 컴퓨팅Massively parallel processing 방법에서 아이디어를 얻어 하나의 유전체를 수많은 조각으로 분해하고 각 조각의 정보를 동시에 읽어낸 다음, 생물정보학적 기법을 이용하여 각자의 데이터를 조합함으로써 방대한 유전체 정보를 빠르게 해독하는 방법이다. 2000년대 초반부터 나온 2세대에 해당하는 NGS 기술들은 수십만 내지 수십억 개의 서로 다른 대용량 염기서열 분석 반응을 동시에 진행되고 판독한다.