바이오산업 혁신 동력 합성생물학

합성생물학은 생명과학과 공학의 교차점에 위치하며, 생명체의 유전 정보를 설계하고 조작함으로써 새로운 기능을 부여하는 기술이다. 이는 바이오산업의 혁신 동력으로 작용하며 특히 제약, 에너지, 화학, 농업 등 다양한 분야에서 적용 가능성이 무궁무진하다(그림 1). 기업들은 이러한 기술을 활용하여 제품 개발과 서비스 제공에 경쟁력을 확보할 수 있다. 예를 들어,  합성생물학은 유전자 조작을 통해 특정 세포가 특정 화학 물질을 생산하도록 설계할 수 있다. 이를 통해 기업들은 효율적인 방식으로 제품을 생산할 수 있으며, 이는 기업의 경쟁력을 높이는 데 기여한다. 또한, 합성생물학은 기존의 생산 과정을 개선하거나 새로운 생산 과정을 개발하는 데에도 사용될 수 있다. 합성생물학의 세계 시장 규모는 2022년 기준 114억 달러에서 연평균 25.6%의 가파른 시장 성장률을 기록하여, 2027년까지 357억 달러에 이를 것으로 전망된다(표 1).

화이트바이오 산업 사례 

화이트바이오 산업은 화학 산업을 대체하거나 보완하는 데 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 합성생물학은 세포를 공장처럼 사용하여 화학 물질을 생산하는 데 사용될 수 있다. 이는 화학 산업의 환경 문제를 해결하고, 지속가능한 방식으로 화학 물질을 생산하는 데 도움이 될 수 있다. 이를 통해 기업들은 화학 물질을 생산하는 데 필요한 원료를 줄이거나, 화학 물질 의 생산 과정에서 발생하는 환경오염을 줄일 수 있다. 또한, 합성생물학은 기존의 화학 물질을 대체할 수 있는 새로운 화학 물질을 개발하는 데도 사용될 수 있다.

화이트바이오 합성생물학 사례 기업으로는 제노마티카(Genomatica)가 있다. 제노마티카는 다양한 화학 물질의 효율적인 생산을 위해 고성능 미생물 균주를 설계하고 엔지니어링한다. 이 기업은 다양한 산업 분야에서 널리 사용되는 화학 물질에 대한 바이오 기반 대체품 개발에 주력한다. 제품 포트폴리오에는 바이오 기반 나일론 전구체, 아디프산(폴리머의 빌딩 블록), 1, 3-프로판디올(바이오 플라스틱 및 화장품에 사용)이 있다(그림 2). 이 기업의 바이오 기반 화학 물질은 석유 유래 제품에 대해 지속가능하고 비용 경쟁력 있는 대안을 제공하며, 다양한 산업 부문의 환경 발자국을 크게 줄일 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

그린바이오 산업 사례

그린바이오 산업은 농업과 식품 산업에 바이오기술을 적용하는 것을 포함한다. 합성생물학은 작물의 생산성을 증대하고 병충해를 방지하며, 농작물의 영양가를 높이는 데 사용될 수 있다. 이는 농업의 지속가능성을 향상하고, 안정적인 식량 생산 문제를 해결하는 데 도움이 된다. 예를 들어, 합성생물학은 유전자 조작을 통해 작물의 생산성을 높일 수 있다. 농작물이 특정 해충을 방어하도록 개량해서 농약 사용을 줄이고, 농업에서의 환경 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있다. 그린바이오 합성생물학 사례 기업으로는 지속가능한 농업을 선도하는 피봇바이오(Pivot Bio)가 있다(그림 3ⓐ). 기존의 질소비료는 식물 성장에 필수적이지만 환경오염과 온실가스 배출을 유발한다. 

피봇바이오는 공기 중의 질소를 고정해서 작물에 질소 영양분을 공급하는 미생물을 개발했다. 이 미생물은 옥수수 식물과 공생 관계를 맺고 공기 중의 질소를 자연적으로 고정하여 작물이 사용할 수 있도록 한다. 이 미생물 비료는 Y-프로테오박테리움(KV137)을 기반으로 하는 최초의 옥수수용 생물학적 비료다. Y-프로테오박테리움은 옥수수 뿌리와 결합하고 질소를 고정하는 데 필요한 유전자를 갖고 있다. 이 미생물 비료는 화학비료와 달리 지하수에 질소를 침출시키지 않고 강력한 온실가스인 이산화질소(NO2)를 대기로 방출하지 않으므로 환경친화적이다. 이는 농부들이 합성 비료에 대한 의존도를 최소화하면서 최적의 작물 수확량을 달성할 수 있도록 지원한다. 

또한, 합성생물학은 식품 산업에서도 중요한 역할을 한다. 기능성 물질 생산 유전자의 설계 및 도입을 통해 식품의 영양가를 향상하거나, 식품의 보존성을 높이는 데 사용될 수 있다. 이는 식품의 품질을 향상시키고, 식품 손실을 줄이는 데 도움이 된다. 합성생물학 식품기업인 임파서블푸드(Impossible Foods)는 기존 육류 제품과 경쟁할 수 있는 맛있고 지속가능한 식물성 육류 대체품의 제조를 목표로 한다. 또한 온실가스 배출, 삼림 벌채, 물 사용 등으로 환경에 미치는 우려가 커지고 있는 축산업의 문제를 해결하고자 한다. 임파서블푸드는 유전자 변형 대두 레그헤모글로빈에서 헴을 추출하여 육류의 감각적 경험을 모방한 식물성 대체육을 만든다. 대표 제품인 임파서블버거는 식물성 패티로 소고기의 맛, 그리고 식감과 매우 흡사하다(그림 3ⓑ). 임파서블버거는 쇠고기 패티 생산에 비해 토양 96%, 온실가스 89%를 저감하는 효과가 있다. 현재 임파서블 푸드 제품은 전 세계적으로 3만 개의 레스토랑과 1만 5,000개 이상의 식료품점에서 유통되고 있다.

레드바이오 산업 사례

레드바이오 산업은 의료와 건강 관련 산업을 포함하며, 합성생물학은 이 분야에 많은 가능성을 제공한다. 예를 들어, 합성생물학은 유전자 조작을 통해 특정 질병을 치료하거나 예방하는 데 사용될 수 있다. 유전자 치료는 합성생물학의 한 분야로, 이는 유전자의 결함을 수정하거나 새로운 유전자를 도입하여 질병을 치료하는 것이다. 또한 합성생물학은 특정 병원체의 유전자를 조작하여 면역 시스템이 이를 인식하고 반응할 수 있도록 하는 백신을 개발하는 데 사용될 수 있다. 합성생물학은 레드바이오 산업의 미래를 크게 바꿀 수 있는 기술로 개인 맞춤형 효과적인 치료법을 제공하여 환자의 삶의 질을 향상하는 데 기여한다.

도전과제와 미래 전망

합성생물학은 바이오산업의 미래를 형성하는 데 중요한 역할을 하지만, 여전히 극복해야 할 도전과제가 있다. 이러한 도전과제 중 하나는 규제 환경이다. 인공생명체를 설계 및 제작하는 합성생물학의 발전은 새로운 윤리적, 사회적, 환경적 문제를 제기할 수 있기 때문이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 적절한 규제 체계가 필요하다. 합성생물학이 악의적으로 사용되면 바이러스를 재생성하거나 박테리아를 조작하여 인류의 생명을 위협하는 생물무기 개발에 이용될 수 있다.

또한, 합성생물학의 성공은 교육과 훈련, 그리고 공공의 이해와 지지에 크게 의존한다. 합성생물학은 바이오산업의 미래를 크게 바꿀 수 있는 기술이다. 이 기술을 통해 우리는 지속 가능하고 효율적이며, 경제적으로 효과적인 방식으로 제품과 서비스를 제공할 수 있다. 이러한 가능성을 실현하기 위해서는 기업, 정부, 학계, 그리고 사회 전체가 함께 노력해야 한다.