합성생물학 Synthetic Biology
이번 기사에서는 합성생물학이 무엇인지 알아보고 바이오파운드리에 대한 개념까지 살펴보도록 하겠습니다!
<합성생물학>
합성생물학이란, 기존의 생명 현상에 이학 및 공학적 설계 원리를 접목하여 새로운 생명 현상을 구현하고, 그럼으로써 근본적으로 생명 현상이란 무엇인지에 대해 연구하는 학문입니다. 생물학의 기본 원리뿐만 아니라, 화학, 물리학, 공학, 컴퓨팅, 의학 등 다양한 학문들이 결합되어 활용까지 제대로 다루는 학문이라고 할 수 있겠습니다.
<합성생물학의 활용 분야>
합성생물학의 활용 분야는 매우 광범위합니다. 의학, 에너지, 환경, 농업, 산업 분야가 대표적인데, 사실상 모든 분야에 활용된다고 보면 됩니다.
의학: 새로운 약물 개발, 질병 치료 방법 개발, 조직 공학 등
에너지: 바이오 연료 개발, 에너지 저장 기술 개발 등
환경: 환경 오염 정화, 지속 가능한 화학 물질 생산 등
농업: 고생산성 작물 개발, 해충 방제 기술 개발 등
산업: 화학 물질 생산, 신소재 개발 등
<합성생물학의 역사>
합성생물학은 1970년대와 1980년대에 처음 도입되어 분자 수준의 구성 물질을 바탕으로 새로운 조절 시스템을 조합할 수 있다는 기본 개념이 탄생했습니다. 이것이 가능하게 한 주요 기반 기술은 바로 DNA 염기서열 분석과 DNA 합성 및 재조합 기술입니다.
2000년대에 들어서는 인간 게놈을 비롯한 수많은 생물체의 유전체가 규명됨에 따라, 유전자원에 대한 정보도 기하급수적으로 증가하고 DNA 합성 및 염기서열 분석의 비용은 감소하고 있습니다. 따라서 새로운 유전자 발현 조절 시스템을 디자인하고, 합성하고, 검증하는 Design-Build-Test 순환을 통해 새로운 생명 시스템을 구축하는 합성생물학의 발전이 가속화되고 있습니다.
<합성생물학의 2가지 연구방식>
합성 생물학의 연구 방식은 Top-down 방식과 Bottom-up 방식 이 두 가지로 나뉩니다. Top-down 방식은 기존의 생명체나 생물학적 시스템을 출발점으로 하여 이를 수정하고 재구성하는 접근법입니다. 따라서 유전자 제거 및 삽입으로 생명체의 기능을 연구하게 됩니다.
반대로 Bottom-up 방식은 기본 구성 요소로부터 시작하여 복잡한 생물학적 시스템을 구축하는 접근법입니다. DNA 및 구성 요소의 제작/조립으로 생명체의 기능을 만들게 되는 것입니다.
<합성생물학의 응용범위>
현재, 합성생물학의 대표적인 응용 범위 3가지를 말씀드리겠습니다.
첫 번째는 유용 화학물질의 생산입니다. 합성생물학은 미생물을 이용한 바이오연료, 식품, 화장품, 의약 산업에 활용 가능한 화학물질 생산에 활용됩니다.
두 번째는 바이오센서입니다. 인공적인 유전자 회로를 디자인함으로써 화학물질을 감지하게 하는 센서의 기능을 하는 물질을 만들어 질병 진단, 약물 검출 등 다양한 분야에 사용할 수 있습니다.
세 번째는 새로운 생명체의 설계 및 합성입니다. 새로운 유전자 회로를 집어넣음으로써 새로운 생명체를 설계하고 합성하는 것이 가능하여 혁신적인 결과들을 기대할 수 있게끔 합니다.
<합성생물학의 예시>
합성생물학은, 현재 다양한 분야에서 이미 상용화가 되고 있습니다.
우리가 잘 알고 있는 화이자와 모더나의 mRNA 기반 코로나19 백신이 그 예시입니다.
이 회사들은 기존 백신과 달리 약화되거나 불활성화된 바이러스를 사용하지 않고, 바이러스 표면단백질을 직접 생성할 수 있게끔 mRNA를 인공적으로 설계하여 합성했습니다. 또한 이 합성된 mRNA가 세포 내부로 들어가서 단백질을 생성할 수 있는 전달 시스템을 개발했습니다. 이러한 합성생물학 기술은 기존 백신 생산 방식에 비해 빠르고 효율적으로 백신을 생산하게끔 하여 대규모 생산에 큰 도움을 주었습니다.
또 다른 예시로는 미국 합성생물학 기업인 Amyris의, 말라리아 치료제입니다. Amyris는 합성생물학 기술을 사용하여 항말라리아 약물인 아르테미시닌을 생산하는 효모균주를 개발하였습니다. 기존에는 아르테미시닌 함량이 높은 고사리 식물로부터 추출해야 했으므로 이를 대량 재배했지만, 합성생물학을 통해 효모균주를 통해 대량 생산이 가능해졌고, 안정적으로 공급될 수 있게 되었습니다. 또한 일부 말라리아 기생충은 기존 아르테미시닌 치료제에 내성을 가지고 있으므로, Amyris의 아르테미시닌은 이런 내성 기생충에 효과적일 수 있다는 기대가 있습니다.
<바이오파운드리>
생물학의 ‘바이오’, 반도체 위탁생산을 전담하는 기업을 의미하는 ‘파운드리’가 합쳐진 바이오파운드리는 합성생물학을 논할 때 빠질 수 없는 개념입니다.
바이오파운드리는 합성생물학에 로봇-AI를 도입하여 새로운 바이오 시스템 제작을 위한 설계-제작-시험-학습의 각 단계를 자동화 및 고속, 고처리량으로 구동하는 시스템입니다. 이는 반복 노동업무를 자동화하고 처리량을 매우 극대화시켜 기존 기술로는 불가능했던 규모의 바이오 R&D를 현실화합니다. 현재는 운영 주체에 따라 공공과 민간 바이오파운드리로 구분하고 있으며, 미국의 Ginkgo Bioworks 등 소수의 민간 바이오파운드리를 제외하면 대부분의 국가에서 공공 바이오파운드리의 형태로 구축 및 운영하고 있습니다.
<바이오파운드리 구축 동향>
미국은 합성생물학 기술개발 및 투자에 가장 적극적인 국가로, 정부 지원을 기반으로 민·관 협력의 연구 생태계가 조성되어 있습니다. 미국 에너지부를 중심으로 약 300개 이상의 합성생물학 기업을 육성하거나, 실리콘밸리를 중심으로 식량, 연료, 헬스케어 등 분야에서 약 60개 이상의 스타트업 회사가 창업되는 등 창업과 민간 기업 투자가 매년 증가하는 등 합성생물학 기술 시장이 빠르게 성장하고 있습니다. 보스턴에 위치한 대표적인 민간 바이오파운드리인 Ginkgo Bioworks 사는 DBTL 사이클 프로세스를 자동화하여 생물학적 디자인의 프로토타입의 대량 제조가 가능합니다. 다양한 기업에 바이오파운드리 서비스를 제공하여 제품개발 속도를 향상시키고 있습니다.
영국의 경우 2005년 영국생명공학연구협의회(BBSRC)에서 10개 연구투자 우선분야 중 첫 번째로 합성생물학을 선정하였고, 기업혁신기술부(BIS)는 합성생물학을 영국 8대 미래기술로 선정하는 등 매우 초기부터 합성생물학에 주목하면서 지속적인 투자를 하고 있습니다. 현재까지 6곳 이상의 바이오파운드리 거점을 육성하는 등 적극적인 투자와 국가 바이오 경제 전략과의 연계를 통해 합성생물학 기술의 상업화를 전략적으로 추진하고 있습니다. 정부주도의 선제적·체계적 지원으로 합성생물학 분야에서의 글로벌 기술우위 선점을 위해 노력 중입니다.
국내의 경우 국가차원의 합성생물학 육성전략이 과학기술정보통신부를 중심으로 활발히 세워지고 있어 합성생물학 육성법 제정, 바이오파운드리 인프라 구축, 전문인력 양성, 기업지원 등이 추진되고 있습니다. 합성생물학 전반을 제공하는 국제적 역량을 갖춘 바이오파운드리 전문기업은 없으나 최근 CJ 사가 바이오파운드리 일부 기능을 사업화하고 바이오기업의 활용을 기대하고 있습니다. 최근 DNA 분석·합성 분야에는 바이오니아, 유전체 편집 분야에는 툴젠, 효소개발에는 제노포커스 등 다수의 바이오기업들이 합성생물학 활용기술을 도입하기 위한 노력을 경쟁 중입니다. 초고속 DNA 설계 및 합성에 필요한 바이오파운드리, 공정개발 지원 및 시험시설은 개별 기관 및 기업 차원에서 소규모로 운영 중입니다. 한편, 생명연·카이스트는 연구용 바이오파운드리 베타시설을 운영 중이며 CJ제일제당은 균주 개발 및 생산 공정 자동화를 위한 바이오파운드리 시설을 도입하고 최근 사업화하였습니다.
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여기까지 합성생물학에 대해 자세히 살펴봤습니다.
합성생물학은 혁신과 도전의 길을 걷고 있으며, 다양한 분야에서 우리의 미래를 열어가는 중요한 역할을 하고 있습니다. 생물학과 여러분도 이와 같은 다양한 길을 통해 꿈을 펼쳐가길 바라며, 함께 더 나은 미래를 만들어 나갈 수 있기를 기대합니다!
[생물학과] 20 김도은, 21 지현정, 23 김유경
2024.06.10
