스마트셀(Smart Cell) 산업 실현을 위한 전략이 주목된다.
일본 경제산업성은 고도 디자인으로 기능 발현을 제어할 수 있는 생물세포를 스마트셀로 명명하고 스마트셀을 활용한 산업군을 차세대 산업으로 육성하겠다는 의지를 표명했다.
최근 스마트셀의 방향성에 대해 「바이오테크놀로지가 낳은 새로운 조류-스마트셀산업 시대의 개막」 중간보고서를 발표했으며, 스마트셀산업이 의료·헬스케어, 공업, 농업, 식량 분야에서 지구적 과제 해결에 기여하고 세계 산업구조에 변혁을 일으킬 것이라고 강조했다.
3가지 바이오 기술을 혁신·융합
바이오 기술을 둘러싼 기술혁신이 점차 가속화되고 있다.
기술혁신으로는 게놈정보 해독에 따른 코스트 절감과 함께 시간단축, 인공지능(AI) 기술의 발전, 게놈 편집기술 등이 부각되고 있다.
2005년 이후 차세대 DNA 해석장치가 개발·보급됨에 따라 게놈정보를 저가에 해독할 수 있게 됐다.
지난 7년 동안 비용이 1만분의 1로 낮아졌고 시간도 대폭 단축돼 100만원 정도를 들여 하루 안에 사람의 게놈을 해독하는 것이 가능해졌으며 추가적인 코스트 절감과 시간단축이 가능할 것으로 예상되고 있다.
방대한 비용과 시간이 요구됐던 생물 유전정보를 저비용·단시간에 디지털화할 수 있게 됨에 따라 일본·미국·유럽은 공적기관이 관리하는 염기 배열 DB(데이터베이스)에 대량의 정보를 축적하고 있다.
IT(정보기술) 기술의 급속한 발전은 바이오 분야의 발전에도 기여하고 있다.
생물정보의 해석 소프트가 발전함에 따라 심층학습 등 AI의 기술혁신이 주목되고 있으며, 유전자 정보를 높은 정밀도로 추출해 게놈 설계를 분석함으로써 게놈 배열과 생물 기능의 관계 해명, 기능 디자인에 활용하기 위한 연구가 실용화 단계에 접어들고 있다.
2013년 초에는 게놈 편집기술을 혁신하는 크리스퍼(CRISPER-Cas)가 등장했다.
게놈 타겟 부위를 핀 포인트로 절단하거나 모양을 바꾸는 기술로 기존 기술에 비해 비용을 100분의 1 이하로 절감한 것으로 알려졌다.
게놈 편집 및 대사 제어를 실현하면 유용물질을 대량으로 생성하는 등의 생물 기능을 디자인하는 것이 가능해진다. 생물에 따른 물질 제조가 고도화해 응용 분야가 더욱 확대될 것으로 예상되고 있다.
바이오 기술에서 가장 중요한 게놈 관련 분야에서 비연속적인 기술혁신을 통해 핵심기술의 저비용화, 고정밀화, 고속화·기간단축을 차례대로 실현해나갈 것으로 기대되고 있다.
화학공업 프로세스도 “대변혁”
스마트셀은 의료·헬스케어, 공업, 에너지, 농축수산업·식량 4개 분야에 활용될 것으로 예상된다.
의료·헬스케어 분야에서 기능을 인간 생체에 발현시켜 유전자 치료 및 재생의료, 대사 제어를 통한 치료 등이 실용화되고 있다.
세계 의약품 상위 10개 가운데 바이오 의약품이 7개를 차지하고 있으며 창약 프로세스가 주류를 이루고 있다.
의료·건강 분야가 세계 각국의 바이오 관련 연구개발 투자의 중심으로 기술개발을 주도하고 있다.
세계가 직면하고 있는 인구증가 및 자원고갈 문제를 해결하기 위해 바이오 기술의 상업화, 공업 및 농업 관련 기술개발과 실용화가 기대되고 있다.
경제협력개발기구(OECD)는 바이오산업의 세계 시장규모가 2030년 1조6000억원에 달하고 공업 분야가 40% 가량을 차지할 것으로 예측하고 있다.
유럽·미국이 추진하는 바이오경제 전략의 공통점은 연료의 바이오매스화이다.
미국은 2030년 10억톤의 바이오매스를 활용해 석유 기반 연료의 36%를 대체할 계획이라고 발표했으며 유럽연합(EU)은 2030년까지 유럽 내 운송연료의 25%를 생물 기반으로 대체하는 것을 목표로 하고 있다.
연료의 바이오매스화는 기후변화 문제에 따라 탈 석유를 추진하기 위한 것으로 공업 분야에도 해당된다.
에너지 및 제조업 분야에서는 스마트셀에서 기능성 물질을 효율적으로 추출해 고도 이용하는 것을 목표로 하고 있다.
조류 기반의 제트연료가 대표적이며 미국이 도입을 시작했으나 비싼 코스트가 해결과제이다.
일본에서도 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO) 등이 다양한 기술개발을 추진하고 있다.
제조업 분야에서 가장 큰 영향을 받고 있는 것은 화학공업으로 파악된다.
대표적으로 바이오 폴리머는 PLA(Polylactic Acid), 바이오 PET(Polyethylene Terephthalate) 등 포장용기 및 범용제품 뿐만 아니라 고기능화에 따라 자동차 내외장재 및 광학필름 등에 대한 채용도 이루어지고 있다.
또 발효 공법을 통해 바이오 숙신산(Succinic Acid) 양산기술이 확립됐고 바이오 제조공법을 통한 BDO(1,4-Butanediol)의 양산도 실용화 단계에 접어들었다.
바이오 숙신산의 환원 프로세스, 글루코스의 원스텝 발효는 모두 상온·상압의 발효 공정을 통해 고온·고압의 석유화학에서 전환하는 것이다.
바이오 프로세스로 스판덱스 및 PBT(Polybutylene Terephthalate) 등 EP(Engineering Plastic)도 생산할 수 있다.
생물 기능의 고도 디자인에 성공한 사례로써 인공 거미계 섬유가 주목되고 있다.
거미계 섬유의 강인함은 예전부터 잘 알려져왔으나 Keio대학 연구진이 미생물을 활용한 양산화와 실용화에 최초 성공했다. 미생물이 거미계의 단백질을 만들기 쉽도록 설계를 최적화한 것이 성공 포인트로 알려졌다.
우수한 강도, 신축성, 유연성 이외에 수지와의 밀착성 및 리사이클성도 뛰어나 고기능소재로 성장할 것으로 기대되고 있다.
스마트셀 산업으로 새로운 미래 설계
스마트셀은 미생물 및 동식물 세포를 유전자 레벨로 자유롭게 설계해 요구 기능을 충족한 소재를 생산토록 한다.
공업용 소재는 물론 화장품 및 기능성식품, 의약품 원료 등 화학공업이 직접·간접적으로 연관돼 있는 모든 분야에 응용할 수 있다.
생물 기반의 고기능 분야는 스마트셀을, 대량생산 및 균일생산 분야는 고온·고압의 화학공업 프로세스를 활용하는 사회가 머지않아 도래할 것으로 예상된다.
경제산업성은 바이오 기술 분야의 새로운 조류를 정확하게 파악하고 폭넓은 영역에서 생물 기반 고기능 물질의 생산을 이용하는 스마트셀 산업을 실현하기 위한 방향성을 4가지로 정리했다.
글로벌 핵심기술 확립, 중점 분야 특정, 오픈 이노베이션의 촉진, 플랫폼 구축 등을 강조하고 있다.
경제산업성은 2016년 3월 지식인회의에서 스마트셀이라는 신조어를 제안했다.
신조어 제안을 세계 바이오 산업의 기술혁신이 단층적, 비연속적이라는 인식을 공유하기 위한 것으로 파악된다.
무어의 법칙을 훨씬 앞서나가는 속도로 발전하고 있는 게놈 해석 기술의 혁신 및 게놈 편집 기술인 크리스퍼 등은 비연속적인 기술혁신이나 해외에서 이미 실현되고 있다.
OECD에 따르면, 2030년 세계 바이오 시장은 헬스케어 25%, 공업 39%, 농업이 36%를 차지할 것으로 예상되고 있다.
스마트셀은 DNA 해석기술, IT·AI 기술, 게놈 편집기술 등 3대 기반기술을 융합함으로써 완성되며 다양한 기술 및 분야에 적용할 수 있다.
산관학이 협력해 플랫폼을 구축하고 연구개발 및 실용화하는 것이 요구된다.
연구개발에 있어 관련기업 및 연구기관이 참가하는 에코 시스템을 오픈이노베이션 형태로 구축하는 것은 창약 분야 이외에서도 필요할 것으로 파악된다.
글로벌 경쟁력을 보유하고 있는 핵심기술을 확립하는 것이 최우선 전략으로 파악된다.
NEDO는 8월1일 스마트셀산업 프로젝트를 발표했으며 식물 및 미생물을 대상으로 크리스퍼 등 해외 기술에 의존하지 않는 게놈 편집 기술 등 12개 테마의 연구를 시작한 것으로 알려졌다.
게놈 편집 기술 연구에서 실적이 있는 Kyushu대학을 중심으로 관련기업 및 대학 등 40개 기관이 협력해 스마트셀을 주제로 진행하는 최초 프로젝트로 주목받고 있다. <이하나 기자: lhn@chemlocus.com>
