에러없는 게놈 합성기술 개발…`지능형 인공세포 공장` 구현 박차
■ 글로벌 프론티어-2020시대 여는 융합과학
(6)`신산업혁명' 가져올 합성생물학
생명체는 영양분을 흡수해 에너지로 전환하거나 생장에 활용하는 과정에서 각 세포마다 수 천가지의 화학반응을 처리하는 일종의 `살아있는 화학공장'이라 할 수 있다. 10억분의 1그램 정도의 미세한 세포들은 수많은 화학반응을 에러 없이 질서정연하고 빠르게 진행한다.
특히 보통의 화학공장이 고압ㆍ고온ㆍ강산성ㆍ강알칼리성 등 극한의 환경에서 돌아가는 것과 달리 생명체는 반응속도를 100억배까지 높이는 `연금술사' 역할을 하는 효소 덕분에 섭씨 37도와 중성이라는 온화한 조건에서도 신속하고 효과적으로 작동한다.
인류는 생명을 유지시키는 수많은 화학반응의 질서를 이해하고 이를 질병 치유나 산업에 활용하려는 노력을 쉼 없이 계속 해 왔다. 특히 과학기술의 진보를 통해 숨어있던 생명 메커니즘이 속속 밝혀지면서 생명체를 모방한 시스템을 인공적으로 만들어 공학적, 산업적으로 활용하려는 `합성생물학' 연구가 본격적으로 전개되고 있다. 생명공학의 `키워드'가 생명을 이해하는 것에서 생명을 인공적으로 만드는 것으로 옮겨가고 있는 것.
합성생물학은 과학적 원리가 집결된 생명시스템의 비밀을 인간이 한 겹씩 벗겨내는 데 그치지 않고 그 비밀을 부품화ㆍ모듈화ㆍ시스템화해서 활용하려는 시도라는 점에서 인류 문명에 새로운 기회를 열어줄 기술로 각광받고 있다.
미국 MIT가 발행하는 과학저널 `테크놀로지 리뷰'(Technology Review)는 지난 2004년 세상을 바꿀 10대 기술 중 하나로 합성생물학을 선정했다. 미국 정부는 지난 2010년 합성생물학을 미래 핵심과제로 전폭적으로 지원하기로 하고 국가위원회를 구성하기도 했다.
국내에서는 교육과학기술부가 글로벌프론티어 연구단의 하나로 `지능형 바이오시스템 설계 및 합성 연구단(단장 KAIST 김선창 교수)'을 지난해 8월 선정, 2020년까지 9년간 총 1200여억원을 투입하는 대규모 연구에 착수했다.
KAIST를 비롯해 서울대, 한국생명공학연구원, 고려대, 이화여대, 전남대, 충남대, 경상대 등의 젊은 연구자들을 드림팀으로 구성해 협력연구를 펼침으로써 세계적 강자가 가려지지 않은 새로운 영역에서 선두 자리에 서겠다는 게 연구단의 목표.
김선창 단장은 "유전공학의 급격한 발달로 생명시스템을 이용해 원하는 물질을 만드는 데 이론적 한계치의 약 90%에 도달했으며, 나머지 10%를 갖고 세계가 경쟁하는 상황"이라며 "그러나 연구단은 바이오산업의 선두주자로 자리매김하기 위해 10% 내에서 함께 경쟁하는 것뿐만 아니라 기존 생명시스템과는 다른 새로운 생산성을 갖는 생명시스템을 만들어내는 데 매진할 것"이라고 말했다.
이 과정에는 불필요한 유전자를 제거하거나, 새로운 유전자 정보나 인공회로를 주입하는 등 다양한 방법이 적용된다. 일명 `세포공장'의 기반이 되는 플랫폼 세포를 구현하고, 그 위에 원하는 물질을 만드는 다양한 생체경로나 회로를 심어 줌으로써 원하는 물질을 얻는 개념이다.
김 단장은 "분야가 서로 다른 연구팀간의 협업이 무엇보다 중요하다"며 "효소나 DNA를 잘 다루는 유전공학 분야 전문가들이 부품을 만드는 일을 맡는다면, 바이오인포매틱스 전문가들이 `바이오캐드(Bio-CAD)' 개념을 도입해 청사진을 만들고, 이를 실제로 구현하고 생산에 활용하는 전문가들이 투입돼야 한다"라고 밝혔다.
특히 지난 1∼2년 사이에 인공적으로 합성한 게놈을 에러 없이 편집하는 기술이 개발돼 기술은 한 단계 도약이 가능해졌다. 인공적으로 합성한 게놈은 드물게 에러가 생길 수 있는데 문제가 되는 부분만 고치는 기술이 가능해진 만큼 합성 결과물의 신뢰성을 크게 높이는 바탕이 마련된 셈이다.
그러나 넘어야 할 걸림돌도 적지 않다. 특히 인공 합성한 유전체를 세포와 유사한 환경에 집어넣어 시스템을 부팅, 즉 가동시키는 일은 현재 기술로 아직 불가능하다. 컴퓨터의 운영체계(OS)가 있어도 시스템이 제대로 갖춰지지 않으면 부팅이 되지 않는 것과 같은 원리다. 김 단장은 "아직 세포환경을 완벽하게 모사해 만들어내는 것이 불가능하기 때문"이라며 "합성생물학이 꽃을 피우기 위해 넘어야 할 가장 중요한 숙제가 될 것"이라고 말했다.
연구단이 구현하려는 최종 성과물은 기존 산업의 생산라인 개념을 뒤집는 `지능형 고성능 인공세포공장'이다. 여기에는 △유전체 정보를 분석해 새로운 시스템 설계에 활용하는 바이오캐드 기술 △레고처럼 모듈식으로 적용할 수 있는 바이오기능 모듈 기술 △인공세포 플랫폼 기술 △메가유전자 합성기술 △의약품 대량생산용 인공세포주 기술 △기능성 화학소재 생산용 맞춤형 세포공장 등의 기술이 동원된다.
김 단장은 "2020년에는 합성생물학 기술을 통해 인공광합성 기술을 완성함으로써 빛과 물, 이산화탄소만으로 여러 화학물질을 만들 수 있을 것"이라며 "맞춤형 미생물을 이용한 항암표적치료 기술, 그램당 3000만원을 호가하는 고가의 유방암 치료제인 `에포타일론(Epothilone)'을 미생물로 대량생산하는 기술, 인삼의 고유 성분을 미생물로 대량생산하는 기술 등을 2020년까지 완성하겠다"라고 강한 의지를 밝혔다.
안경애기자 naturean@
(6)`신산업혁명' 가져올 합성생물학
생명체는 영양분을 흡수해 에너지로 전환하거나 생장에 활용하는 과정에서 각 세포마다 수 천가지의 화학반응을 처리하는 일종의 `살아있는 화학공장'이라 할 수 있다. 10억분의 1그램 정도의 미세한 세포들은 수많은 화학반응을 에러 없이 질서정연하고 빠르게 진행한다.
특히 보통의 화학공장이 고압ㆍ고온ㆍ강산성ㆍ강알칼리성 등 극한의 환경에서 돌아가는 것과 달리 생명체는 반응속도를 100억배까지 높이는 `연금술사' 역할을 하는 효소 덕분에 섭씨 37도와 중성이라는 온화한 조건에서도 신속하고 효과적으로 작동한다.
인류는 생명을 유지시키는 수많은 화학반응의 질서를 이해하고 이를 질병 치유나 산업에 활용하려는 노력을 쉼 없이 계속 해 왔다. 특히 과학기술의 진보를 통해 숨어있던 생명 메커니즘이 속속 밝혀지면서 생명체를 모방한 시스템을 인공적으로 만들어 공학적, 산업적으로 활용하려는 `합성생물학' 연구가 본격적으로 전개되고 있다. 생명공학의 `키워드'가 생명을 이해하는 것에서 생명을 인공적으로 만드는 것으로 옮겨가고 있는 것.
합성생물학은 과학적 원리가 집결된 생명시스템의 비밀을 인간이 한 겹씩 벗겨내는 데 그치지 않고 그 비밀을 부품화ㆍ모듈화ㆍ시스템화해서 활용하려는 시도라는 점에서 인류 문명에 새로운 기회를 열어줄 기술로 각광받고 있다.
미국 MIT가 발행하는 과학저널 `테크놀로지 리뷰'(Technology Review)는 지난 2004년 세상을 바꿀 10대 기술 중 하나로 합성생물학을 선정했다. 미국 정부는 지난 2010년 합성생물학을 미래 핵심과제로 전폭적으로 지원하기로 하고 국가위원회를 구성하기도 했다.
국내에서는 교육과학기술부가 글로벌프론티어 연구단의 하나로 `지능형 바이오시스템 설계 및 합성 연구단(단장 KAIST 김선창 교수)'을 지난해 8월 선정, 2020년까지 9년간 총 1200여억원을 투입하는 대규모 연구에 착수했다.
KAIST를 비롯해 서울대, 한국생명공학연구원, 고려대, 이화여대, 전남대, 충남대, 경상대 등의 젊은 연구자들을 드림팀으로 구성해 협력연구를 펼침으로써 세계적 강자가 가려지지 않은 새로운 영역에서 선두 자리에 서겠다는 게 연구단의 목표.
김선창 단장은 "유전공학의 급격한 발달로 생명시스템을 이용해 원하는 물질을 만드는 데 이론적 한계치의 약 90%에 도달했으며, 나머지 10%를 갖고 세계가 경쟁하는 상황"이라며 "그러나 연구단은 바이오산업의 선두주자로 자리매김하기 위해 10% 내에서 함께 경쟁하는 것뿐만 아니라 기존 생명시스템과는 다른 새로운 생산성을 갖는 생명시스템을 만들어내는 데 매진할 것"이라고 말했다.
이 과정에는 불필요한 유전자를 제거하거나, 새로운 유전자 정보나 인공회로를 주입하는 등 다양한 방법이 적용된다. 일명 `세포공장'의 기반이 되는 플랫폼 세포를 구현하고, 그 위에 원하는 물질을 만드는 다양한 생체경로나 회로를 심어 줌으로써 원하는 물질을 얻는 개념이다.
김 단장은 "분야가 서로 다른 연구팀간의 협업이 무엇보다 중요하다"며 "효소나 DNA를 잘 다루는 유전공학 분야 전문가들이 부품을 만드는 일을 맡는다면, 바이오인포매틱스 전문가들이 `바이오캐드(Bio-CAD)' 개념을 도입해 청사진을 만들고, 이를 실제로 구현하고 생산에 활용하는 전문가들이 투입돼야 한다"라고 밝혔다.
특히 지난 1∼2년 사이에 인공적으로 합성한 게놈을 에러 없이 편집하는 기술이 개발돼 기술은 한 단계 도약이 가능해졌다. 인공적으로 합성한 게놈은 드물게 에러가 생길 수 있는데 문제가 되는 부분만 고치는 기술이 가능해진 만큼 합성 결과물의 신뢰성을 크게 높이는 바탕이 마련된 셈이다.
그러나 넘어야 할 걸림돌도 적지 않다. 특히 인공 합성한 유전체를 세포와 유사한 환경에 집어넣어 시스템을 부팅, 즉 가동시키는 일은 현재 기술로 아직 불가능하다. 컴퓨터의 운영체계(OS)가 있어도 시스템이 제대로 갖춰지지 않으면 부팅이 되지 않는 것과 같은 원리다. 김 단장은 "아직 세포환경을 완벽하게 모사해 만들어내는 것이 불가능하기 때문"이라며 "합성생물학이 꽃을 피우기 위해 넘어야 할 가장 중요한 숙제가 될 것"이라고 말했다.
연구단이 구현하려는 최종 성과물은 기존 산업의 생산라인 개념을 뒤집는 `지능형 고성능 인공세포공장'이다. 여기에는 △유전체 정보를 분석해 새로운 시스템 설계에 활용하는 바이오캐드 기술 △레고처럼 모듈식으로 적용할 수 있는 바이오기능 모듈 기술 △인공세포 플랫폼 기술 △메가유전자 합성기술 △의약품 대량생산용 인공세포주 기술 △기능성 화학소재 생산용 맞춤형 세포공장 등의 기술이 동원된다.
김 단장은 "2020년에는 합성생물학 기술을 통해 인공광합성 기술을 완성함으로써 빛과 물, 이산화탄소만으로 여러 화학물질을 만들 수 있을 것"이라며 "맞춤형 미생물을 이용한 항암표적치료 기술, 그램당 3000만원을 호가하는 고가의 유방암 치료제인 `에포타일론(Epothilone)'을 미생물로 대량생산하는 기술, 인삼의 고유 성분을 미생물로 대량생산하는 기술 등을 2020년까지 완성하겠다"라고 강한 의지를 밝혔다.
안경애기자 naturean@
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