바이오기술은 21세기를 맞아 활용분야가 폭넓게 확대되면서 지속적으로 성장하고 있다.
헬스케어 영역에서는 기존의 바이오의약을 비롯해 차세대 바이오의약 개발이 한창이며 재생의료도 실용화 단계에 접어들고 있다.
빅 데이터 활용을 통한 바이오 인포매틱스(Bioinformatics) 기술 발달이 연구개발 활성화를 견인하고 있고, 유전자 재조합(GM) 기술을 바탕으로 세계 농산물 재배면적이 대폭 늘어나는 가운데 바이오 플래스틱도 급속히 보급되고 있다.
바이오는 건강·생활·환경 등 인류가 직면한 과제 해결을 위해 필수적인 기술로 자리매김하고 있다.

바이오의약, 높은 제조코스트 해결해야…
바이오의약은 미생물·세포가 호르몬, 효소, 항체 등 단백질을 만들어내는 능력을 활용해 제조하는 의약품으로 GM 기술과 세포배양 기술을 응용하고 있다.
바이오의약은 1980년대부터 개발을 시작해 최근에는 세계 의약품 매출액 상위 10개 품목 가운데 7개가 바이오의약품일 정도로 신약의 대부분을 차지하고 있다.
당뇨병 치료에 쓰이는 인슐린(Insulin), C형 간염 치료제 인터페론(Interferon) 등 기존제품 뿐만 아니라 항체 의약품이 주류로 부상하고 있다.
항체 의약품은 체내 면역력과 관계된 항원·항체 반응을 응용한 기술로 제조하며, 특히 자가면역질환, 항암제 실용화를 추진하고 있다.
항체는 표적이 되는 특정 항원에 선택적으로 결합해 이물질을 체내에서 제거하기 때문에 인공적으로 만들어 체내에 주입하면 병의 원인인 항원을 없앨 수 있고, 화학적 합성을 통한 기존 저분자 의약품에 비해 표적이 명확해 효과가 양호하고 부작용도 덜 한 것으로 알려져 있다.
현재는 단일클론항체(Monoclonal Antibody) 기술이 주류이나 차세대 기술로 항원과의 결합을 여러 번 반복해 효과를 나타내거나 1개의 항체가 2개 이상의 항원과 결합하도록 하는 등 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다.
그러나 일반 의약품의 분자량이 100 이상인 반면, 항체의료에서는 10만 이상이고 미생물·세포의 상태가 환경변화의 영향을 크게 받는 반면 수율이 높지 않아 상대적으로 제조코스트가 높은 것으로 나타나고 있다.
매출액 상위품목 대부분을 바이오의약품이 차지하고 있는 것도 시장규모와 신약으로서의 고부가가치는 물론 제조코스트가 높기 때문이다.
일본기업들은 유럽·미국에 비해 바이오의약품 분야에서 크게 뒤처져 있으나 효율적 생산체제를 구축하면 차기단계에서는 선진국을 따라잡을 수 있을 것으로 판단하고 있고, 국내기업들도 삼성을 중심으로 바이오의약 R&D(연구개발)가 한창이다.
관련기술을 보유하고 있는 바이오기업, 대학 등은 바이오의약품 제조기술 확립을 목표로 협력을 강화하고 있다.
Sumitomo Bakelite, Osaka Soda, Mitsubishi Chemical, Tosoh, YMC, Kaneka, Asahi Kasei Medical, Shimadzu 등은 혁신적인 생산 프로세스 확립을 추진하고 있다.
바이오의약은 역사가 길지 않지만 이미 특허가 만료된 제네릭(Generic) 의약품이 줄줄이 등장하기 시작해 경쟁이 치열해질 것으로 예상된다.

재생의료, 세포배양 기술이 관건
재생의료는 배양한 세포나 조직으로 장기를 복원·재생하는 기술로 주목받고 있다.
2006년 일본 Kyoto대학 Yamanaka Shinya 교수는 세계 최초로 인체의 다양한 세포로 분화할 수 있는 iPS(인공다능성 줄기세포) 제작에 성공해 재생의료 분야에서 큰 가능성을 연 것으로 평가되고 있다.
그러나 iPS세포도 다른 세포와 마찬가지로 체내 주입만으로 효과가 나타나지는 않기 때문에 세포외기질(Extracellular Matrix)과 세포배양 기술이 반드시 필요한 것으로 알려졌다.
세포외기질과 세포배양 기술은 세포가 배양되기 쉬운 환경을 만들어주며, 학계 및 화학기업들은 재생의료 실용화를 위해 인공 세포외기질 및 독자적인 배양기술 개발에 힘쓰고 있다.
적혈구, 혈소판 등 혈구계 세포와 달리 iPS세포, ES(배아줄기) 세포 같은 다능성 줄기세포와 체성 줄기세포가 체내에서 기능하기 위해서는 세포외기질이 필수적이며 대부분의 생체조직은 구조체로 반응하고 있어 재생을 위해서는 세포를 장기·조직과 같은 형태를 갖춘 시스템이 요구되고 있다.
세포외기질은 세포가 증식하거나 분화할 때 틀을 제공하는 역할을 하고 세포의 입체적 구조체를 단기간에 제작하기 위해 사용하고 있다.
후지필름(Fuji Film)은 사진필름 기술을 응용해 인공 세포외기질 RCP(Recombinant Peptide) 개발에 성공했다.
휴먼 콜라겐(Human Collagen) 유전자를 세포에 주입해 유전자공학 기술로 세포를 배양해 만든 인공 단백질로, RCP와 중간엽 줄기세포(MSC: Mesenchymal Stem Cells)를 혼합 배양한 모자이크형 3차원 세포구조체가 췌장소도(Pancreatic Islet) 이식술의 효과를 높인다는 사실을 쥐를 대상으로 한 실험을 통해 밝혀냈다.
인공 세포외기질 없이 세포를 조직에 배양하는 기술도 연구하고 있다.
도쿄여자대학 의과대학 Okano 교수팀은 「세포시트공학」을 활용해 온도응답성 고분자 PNIPAAm(Poly N-isopropyl Acrylamide)로 표면을 가공한 배양용기를 개발했다.
PNIPAAm는 배양온도가 섭씨 37도일 때는 단백질을 흡수하지만 32도 이하에서는 단백질을 거부해 세포외기질을 가진 시트 형태의 세포 제작이 가능한 것으로 알려졌다.
의료기기 생산기업 Terumo와 Osaka대학교대학원 의학계연구과 심장혈관외과 Sawa 교수팀은 세포시트 기술을 통해 세계 최초로 심부전치료용 재생의료제품 「하트시트」를 공동개발해 2015년 9월 후생노동성으로부터 조건부 승인을 받았다.
환자의 대퇴부 근육에서 골격근 배아세포를 추출한 뒤 온도응답성 배양용기에서 세포시트를 만들어 중증 심부전 환자의 심근 표면에 접착함으로써 심장기능 개선에 도움이 되도록 할 수 있다.
입체적 세포 집합체는 재생의료 뿐만 아니라 신약 개발에도 응용되고 있다.
신약 개발은 동물실험을 통해 후보 화합물의 독성, 약효, 약물의 체내 움직임 항목을 조사하고 문제가 없으면 임상실험을 진행한다.
다만, 임상실험 결과는 동물에 따라 차이가 많아 인체에 대한 영향성을 짐작하기 어렵기 때문에 개발이 중단되는 사례도 나타나고 있다.
이에 따라 동물실험 대신 인체 배양세포를 활용하는 방법이 적극 검토되고 있고, 세포끼리 응집한 구상 집합체로 스페로이드(Spheroid)를 만들면 인간의 장기조직과 더욱 비슷해져 후보 화합물의 체내 움직임을 보다 정확하게 예측할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
Kuraray, Sumitomo Bakelite, JSR, Asahi Glass, Dai Nippon Printing, Nippon Shokubai, Nitto Denko 등 다수의 일본 화학기업들은 자사의 고분자 기술을 바탕으로 스페로이드를 제작할 때 사용하는 3차원 배양용기 연구개발 및 상품화에 힘쓰고 있다.

바이오인포매틱스, 데이터베이스 통합 움직임
바이오인포매틱스(Bioinformatics)는 이른바 빅데이터를 중심으로 한 데이터 주도형 접근을 한층 더 적극적으로 추진함으로써 새로운 단계에 진입하고 있다.
체내에서 일어나는 생명현상을 총체적으로 조사하는 오믹스(Omics) 연구에 따라 실제로 이용 가능한 데이터 혹은 데이터베이스(DB)가 질적·양적 측면에서 급속도로 확대되고 있다.
그러나 실질적인 신약 개발 및 의료 영역에서 활용할 수 있도록 하기 위해서는 개별적으로 존재하는 데이터를 집약해 관련성을 제시하거나 서로 다른 DB 사이를 연결해 전반적인 검색이 가능하도록 하는 등 넓은 의미의 데이터 연계가 관건이기 때문에 정보 및 데이터 통합 움직임이 주목받고 있다.
생명과학 DB는 일본만 해도 1500곳 가량 존재하는 것으로 알려져 있으며 축적된 정보의 양적 측면에서 빅데이터로 평가받고 있다.
게놈(Genome) 연구에서 출발해 인체 설계도라 불리는 유전자만 파악하면 병의 원인과 예방법을 모두 알 수 있을 것으로 기대를 모았고 1990-2000년대에는 프로테옴(Proteome) 연구가 활발해 유전자가 발현한 단백질 연구로 모든 병의 원인을 밝혀낼 수 있을 것으로 확신했다.
그러나 게놈은 설계도에 불과할 뿐 생명현상이 발생할 수 있으나 언제 일어날지 인식하기 불가능하다는 점을 간과했다는 비판을 받고 있다.
프로테옴은 단백질이 효소로 작용해 특정한 생명현상이 일어나는 시기를 파악하는 작업이 가능하더라도 어떤 현상이 일어날지를 알아내기가 어려운 것으로 파악되고 있다.
이후 등장한 메타볼롬(Metabolome) 연구는 효소가 작용해 생명현상이 발생할 때마다 생성되는 저분자 대사물질에 주목해 핑거 프린트를 사용함으로써 어떤 생명현상이 일어났는지 파악이 가능하게 됐다.
오믹스 연구의 발전으로 다양한 DB가 등장한 가운데 화합물이 주목받고 있다. 서로 다른 다양한 DB 내의 화합물 정보를 링크시켜 DB 통합이 가능하기 때문이다.
DB가 통합되면 시스템을 활용해 생명현상을 전체적으로 이해하는 작업이 크게 진전될 것으로 기대되고 있다.
세계 3대 생명과학 DB센터에는 유럽 바이오인포매틱스연구소(EBI), 미국 생명공학정보센터(NCBI), 일본 과학기술진흥기구 바이오사이언스 데이터베이스센터(NBDC)가 있으며 자체 DB 통합과 글로벌 연계 프로젝트를 추진하고 있다.
특히, 화합물 정보 코드화는 CAS 등록번호, InChI 형식 등을 바탕으로 한 표준화가 진행돼 각국의 DB가 통합되는 추세를 나타내고 있다.
일본·미국·유럽 등 세계 각국의 DB가 유기적으로 연계될 때 생명과학 연구는 획기적·비약적으로 발전할 것으로 기대된다.
의료분야의 빅데이터도 DB와는 다른 관점에서 크게 주목되고 있다. 전자진료기록 시스템 보급에 따라 임상 데이터 수집이 간편하기 때문이다.
개인 레벨의 유전자 정보와 의료 데이터를 연계시킴으로써 RWD(Real World Data)를 해석하고 임상연구 패러다임 전환을 유도하는 것이 목적이다. 건강한 성인 50만명의 혈액표본을 수집한 후 건강·의료상황을 추적 조사하는 영국 바이오뱅크 프로젝트가 대표적으로, 질환이 발생하는 환경적 요인과 유전적 요인의 관계를 연구하고 있다. ▶ 다음호에 계속