합성생물학 정의, 범위, 응용분야, 기술수준, 동향, 주요성과, 정책

합성생물학의 개요

합성생물학의 정의

(정의) 기존 생명체를 공학적으로 활용하거나 자연에 존재하지 않는 생물 시스템을 설계, 제작 및 합성하는 기술

합성 생물학

합성생물학의 평가범위

최적화된 생물학적 시스템 제작을 위해 핵심기술을 적용하여 설계-합성-테스트-학습(DBTL, Design-Build-Test-Learn) 주기를 반복하여 실행

단계	핵심기술
설계(Design)	DNA 설계 기술, 단백질/효소 설계 기술, 대사경로 설계 기술, 유전체 설계 기술 등
합성(Build)	DNA 합성기술(초병렬), DNA 어셈블리 기술, DNA 라이브러리 제작 기술, 대형 유전체 제작 기술, 유전체 교정 기술, 유전체 치환 기술 등
테스트(Test)	NGS* 기반 분석 자동화 기술, 유전자/단백질/효소/세포 초고속 스크리닝 플랫폼,미세/초미세 유체 기반 고속 탐지/선별 기술, 무세포 전사/번역 플랫폼 기술 등 * Next Generation Sequencing: 차세대 연기서열 분석
학습(Learn)	AI 기반 데이터 마이닝, 빅데이터･AI 기반 유전자/단백질 발현/활성 예측 및 최적화 기술, 다차원 바이오 빅데이터 통합 분석 기술 등

바이오파운드리(Biofoundry)

로봇과 인공지능 기술을 융합한 바이오 첨단기술로서 DNA 조립에서부터 세포 개량까지의 복잡한 과정을 빠른 순환 공정으로 구현하는 기술로 합성생물학의 불확실성과 낮은 생산성 등의 한계를 극복하고 바이오 제조 공정의 속도와 규모, 생산효율 향상을 가능하게 합니다.

합성생물학의 응용 분야

• (에너지) 바이오연료, 효소 촉매, 인공광합성 등
• (화학) 생분해 포장재, 석유화학 대체 친환경 원료, 화학물질 검사 등
• (의약) 합성 백신, 질병 진단･치료, 유전자 치료 등
• (농식품) 작물 생산성 향상, 건강기능식품, 대체식품 등
• (환경) 온실가스 저감, 생물 소재 활용 환경 복원 등
• (기타) 박테리아 등 세포 활용 디지털 연산 등

합성생물학 기술 수준 및 격차

시스템 생물학 및 합성생물학 분석 및 활용기술 기술수준 및 격차

• 생체분자, 생물학적 경로, 세포 등 생명체를 이루는 다양한 단계의 기능적 단위들의 구성과 상호작용 네트워크 및 그 작용에 따른 생명현상의 원리를 규명하여 개별단위 수준에서 이해할 수 없는 생명현상의 총체적인 특성들을 거시적이고 유기적으로 이해하고 분석하는 기술
• 다중 오믹스 데이터의 네트워크 모델링 및 네트워크 분석 기술을 개발･이용하여 생물학적 요소의 상호작용 및 질환기전의 규명을 통해 신약개발에 적용하기 위한 기술
• 시스템생물학을 공학적으로 활용하여 기존에 존재하지 않는 생물 구성요소(바이오 부품, 모듈)와 시스템을 재설계･제작하거나 자연계에 존재하는 생물 시스템을 재설계･제작하여 이용하는 기술
• 인체 내에서 일어나는 분자, 세포, 조직, 장기 수준의 복잡한 생명현상을 컴퓨터 프로그램으로 표현하여 다양한 인체 생리학적 현상을 분석하는 기술

< 주요국 기술수준 및 격차 >

국가	기술수준･격차		연구개발역량		연구개발 활동경향
	수준(%)	격차(년)	기초	응용개발
한국	75.0	3.0	보통	보통	상승
중국	75.0	3.0	우수	우수	급상승
일본	80.0	3.0	우수	보통	상승
EU	90.0	1.5	탁월	우수	상승
미국	100.0	0.0	탁월	탁월	상승

< 주요국 논문･특허 분석 결과 >

		한국	중국	일본	EU	미국
논문 분석	논문 점유율	2.1%	21.0%	3.4%	37.7%	35.9%
	논문 영향력	8.6	8.1	8.6	17.1	20.5
특허 분석	특허 점유율	8.8%	46.0%	8.5%	7.8%	28.9%
	특허 영향력	2.0	13.0	3.8	4.4	7.8

합성생물학 동향

합성생물학의 이해

합성생물학의 개념과 역사

2010년 미국의 대통령 직속 국가 생명 윤리 연구 위원회(PCSBI)는 합성생물학을“기존 생명체를 모방하거나 자연에 존재하지 않는 인공 생명체를 제작 및 합성하는 것을 목적으로 하는 학문”이라고 정의합니다.

합성생물학 기술을 통해 새로운 생물구성요소를 만들거나 자연세계에 있는 것을 재설계하는 이유는 두 가지입니다. ① 합성생물학 기술을 통해 생명에 대한 근본적인 이해와 ② 글로벌 난제인 환경오염, 식량부족, 의료, 에너지 문제 등을 해결할 수 있는 높은 가능성을 보유하기 때문입니다.

합성생물학은 다양한 분야가 융합되어 태동한 학문이라 어떤 한 분야를 합성생물학의 역사라고 단정짓기 어렵기 때문에 미생물, 분자생물학 및 유전공학을 중심으로 합성생물학의 역사를 살펴볼 수 있습니다.

합성생물학의 주요 기술과 연구 성과

합성생물학의 주요 기술은 DNA 합성/분석, 유전체 편집기술의 급속한 발전을 토대로 한 유전체공학, 인실리코 모델링, 유전자 로직게이트로(genetic logic gate) 및 지향성 진화(directed evolution)를 통한 최적화 기술 등이 있습니다.;

DNA 합성이란 원재료로부터 DNA의 구성단위인 뉴클레오타이드(GATC)를 만들고, 이를 연결해 유전자를 합성하는 것입니다.유전체공학은 2014년 CRISPR 기술의 발견으로 합성생물학 발전을 가속화시켰으며 모델링 기술(computational modeling)은 합성생물학의 복잡한 생물학적 디자인과 시스템을 모형화한 것입니다.유전자 로직게이트(genetic logic gate)은 유전자 로직 회로(genetic logic circuit)를 통해 합성된 생물이 생물학적 절차(procedure)를 수행 할 수 있도록 하는 것이며 지향성 진화(directed evolution)는 자연적 진화 과정을 모방하여 원하는 생물학적 결과를 합성하는 것입니다.

합성생물학과 전통적인 유전공학 기술의 가장 큰 차이점은 표준화, 컴퓨터 이용설계 (computer aided design, CAD) 및 자동화이고 이러한 특징으로 합성생물학 기술의 발전이 가속화되고 있습니다.

합성생물학 기술로 합성세포를 생성하는 프로세스

합성생물학의 주요 과정은 공학 분야에서 일반적으로 사용하는 설계-제조-시험-학습(Design-Build-Test-Learn, DBTL) 주기를 고속화 하는 시스템을 활용합니다. 시제품(prototype)을 설계하고, 실제로 제조해 본 뒤 합성된 디자인을 시험하여 거기서 얻은 바를 바탕으로 새롭게 개선된 디자인을 다시 만드는 사이클을 반복 이러한 과정을 통해 기술 개발의 시간이 단축되고 다양한 적용 분야가 생성됩니다.

합성생물학의 DBTL 주기

* 자료 : National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine(2018), p.22.

< DBTL 주기를 가능하게 하는 합성생물학의 개념, 접근법 및 도구 >

주요 개념, 접근법 및 도구	설계	합성	시험
Automated biological design	O	O	O
Metabolic engineering	O
Phenotype engineering	O
Horizontal transfer and transmissibility	O
Xenobiology	O
Human modulation	O
DNA construction		O
Editing of genes or genomes		O
Library construction		O
Booting of engineered constructs		O	O
High-throughput screening			O
Directed evolution	O	O	O

합성생물학 기술이 전 세계적으로 관심을 받고 있는 이유는 다양한 산업 분야에 응용될 수 있는 플랫폼 기술로 판단되고 있습니다. 합성생물학은 에너지, 화학, 의료, 환경, 농업, 국가 안보 및 나노 기술까지 광범위하게 적용 가능합니다.

합성생물학 기술의 응용 영역

합성생물학의 주요 기술과 연구 성과

합성생물학의 주류 연구 방식은 접근 전략에 따라 하향식(top-down)과 상향식(bottom-up) 두 가지로 구분되지만 사용하는 기술은 어느 정도 중복되며 두 접근법 모두 공통된 목표를 지향합니다.

합성생물학의 하향식과 상향식 연구접근법

자료 : PCSBI(2010), p.45-46.

합성생물학 기술이 발전되면서 대표적인 성과가 창출되고 있습니다. ① 말라리아 치료제인 ‘아르테미시닌 (artemisinin)’의 대량 생산(현재는 생산이 중단된 상태) ② 옥수수에서 개발한 ‘소로나(Sorona)’ 바이오 섬유, ③‘스페인 독감’ 바이러스를 복원 및 ④ 스페인에 살던 산양의 일종인 ‘피레네아이벡스’의 복원 등이 있습니다.

주요국의 합성생물학 정책 및 연구동향

합성생물학에 대한 투자를 시작한 주요 국가로는 영국과 EU(2004년), 미국(2005년), 중국(2011년) 등이 있습니다. 영국은 2007년에 합성생물학 관련 활동들을 정부 문건에 명시하고 투자하기 시작했으며, EU는 2005년에 합성생물학 및 TESSY에 관한 이니셔티브를 발표하였습니다. 미국은 2002년 국방성(DoD)에서 대체연료 만드는 프로젝트에 일종의 합성생물학 연구를 진행하였으나 본격적으로는 2005년에 Synberc 센터를 설립하면서라고 볼 수 있습니다.

합성생물학 이니셔티브 도입 현황

자료 : Flores bueso & Mark Tangney(2017), p.4

미국의 합성생물학

2004년 첫 국제적인 SynBio 컨퍼런스 개최, 합성생물학 대중화를 위해 iGEM(international Genetically Engineered Machine) 경진대회 개최되었습니다.

2006년 국립과학재단(NSF)의 지원금으로 ‘Synberc’ 협동 연구 센터 설립하여, 10년간 합성생물학 관련하여 합성생물학의 이해, 관련 기술 개발 연구, 대중의 인식 교육, 합성생물학 전공자 양성 등의 역할을 하였습니다. 2016년 활동을 종료하며, 합성생물학 연구는 정부 기금을 통해 국가 주도적인 사업으로 진행해야 함을 강조하고, 규제 및 안전 정책, 공공-민간 파트너십, 인력양성을 위한 교육프로그램 마련 등을 제안하였습니다.

미국의 주요 로드맵은 2012년에 ‘U.S National Bioeconomy Blueprint’가 발간되었고 2015년에 ‘Industrialization of Biology’가 발표되었습니다.

미국 합성생물학 동향

자료 : Si & Zhao(2016), p.259

2008년에서 2014년 사이에 총 8억 2,000만 달러(약 9,600억 원)를 합성생물학 연구에 지원하였고, 매년 지원액이 증가하였습니다. 미국의 민간 기업 투자 금액은 매년 증가하고 있으며, 2019년 1분기 기준으로 자금지원을 받은 기업은 25개이며, 총 6억 5,200백만 달러(약 7,700억 원) 규모에 달합니다.

듀폰사는 14개 합성생물학 제품을 보유하고 있어 미국 내 기업 중 가장 많은 합성생물학 관련 제품을 보유하고 있는 회사로, 주로 산업적 발효 공정에서 합성생물학으로 설계된 미생물 촉매제 활용합니다. 화학 분야로는 ‘Ansa Biotechnologies’는 스타트업 기업으로 수십 년간 화학 공정으로 진행해 온 산업의 구조를 바꾸는 연구 수행하고 있습니다. 식량 분야에서는 스타트기업인 ‘Pairwise Plants’가 CRISPR 유전자 편집기술을 바탕으로 식물에 존재하는 자연적인 유전적 변이를 이용해 사람들이 원하는 영양가 높고, 편리하고, 저렴하면서 지속 가능한 식물을 만드는 연구 수행하고 있습니다. 정부차원에서 합성생물학 관련 DARPA의 7개 연구 프로젝트 지원하였습니다.

영국의 합성생물학

2009년 왕립공학아카데미(The Royal Academy of Engineering)에서 합성 생물학의 범위, 적용 및 시사점에 대해 보고서를 발간하며 연구가 시작되었습니다. 임페리얼 대학(Imperial College)내 첫 ‘CSynBI(The Centre for Synthetic
Biology and Innovation at Imperial College)’합성생물학 센터 설립하였습니다.

2012년에 ‘A Synthetic Biology Roadmap for the UK’를 발표하였고, 2016년에 ‘Strategic Plan’을 발표하였습니다.

영국은 2005년에 거의 1억 7,500만 달러(약 2,000억 원)가 투자되었고, 2010년에는 1억 6,500만 달러(약 1,900억 원)가 투자하였습니다. 매년 합성생물학 투자액 규모는 증가하였고, 2013년과 2014년에 급격히 증가하였습니다.

영국의 합성생물학 스타트업 기업은 평균 34개로 2000년부터 2016년까지 5년 주기로 형성되었으며 2010년에서 2014년 사이에는 43개 기업으로 급증하였습니다. 가장 투자를 많이 받은 ‘MISSION Therapeutics’은 2011년에 설립된 회사로 질병과 관련된 deubiquitylating라는 효소의 약물 발견 및 관련 개발을 하는 업체입니다. ‘Green Biologics’는 2003년에 설립된 회사로 매일 사용하는 제품을 친환경적인 대체제를 개발하는 것에 초점을 두는 재생 가능한 화학 회사입니다.

BBSRC, EPSRC, 예술 및 인문학 연구위원회(the Arts and Humanities Research Council, AHRC), 그리고 경제 및 사회 연구회 (the Economic and Social Research Council, ESRC)에 총 97만 파운드(약 14억 3천만 원)을 투자하여 연구 네트워크가 구성되었습니다. 합성 생물학 리더십 협의회(Synthetic Biology Leadership Council)의 권고를 따르기 위해 BBSRC에서는 SBfG(Synthetic Biology for Growth Program)이라는 비즈니스 사례를 위한 모임을 개설하였고, SBfg 프로그램은 크게 4개 프로그램에 투자하였습니다.

영국은 ‘DNA 합성’과 ‘연구 도구(Research Tool)’, ‘하드웨어(Hardware)’에 강점을 두고 있으며 그 외 ‘교육’, ‘응용 생물학 정제방법(Bioprocessing)’ 개발이 이루어집니다. Open Plant 합성생물학 연구센터는 지속가능한 생물 생산을 위해 차세대 DNA 도구를 활용해 스마트한 육종 시스템을 하고자 합니다. Autolus 바이오 제약회사로 혈액학적 악성 종양 및 고형 종양의 치료에 대항하기 위해 자신의 T- 세포를 재 프로그래밍 함으로써 암 환자에게 삶을 변화시키는 치료법을 제공합니다. Colorfix 는 혁신적인 염색 기술을 보유하고 있는 회사로 합성생물학 방법을 적용해 독성이 있고 재생 불가능한 석유화학물질이 아닌 미생물, 동식물과 같은 유기체의 의해 자연적으로 색상을 생성합니다.

유럽 연합의 합성생물학

TESSY(Towards a European Strategy for Synthetic biology) 프로젝트는 유럽위원회가 자금을 지원하고 합성생물학 로드맵을 짜기 위해 조직이 구성되었습니다. 2007년에 작성된 로드맵 초안은 15년 동안 지속되며 공적인 차원, 공학
및 바이오 시스템 연구 차원, 기술 차원, 적용 차원으로 크게 구분됩니다.

국제적으로 진행하는 정책활동인 ‘ERASynBio’는 14개의 유럽 국가들이 참여하여 유럽의 합성생물학 정책 방향성, 사회적 윤리적 측면(Ethical, Legal & Societal Aspects, ELSA), 교육 및 훈련 등에 대해서 논의를 진행합니다.

중국의 합성생물학

2011년부터 합성생물학 연구를 지원하기 시작했으며 식물 프로젝트, 포유동물 세포 프로젝트 및 미생물 프로젝트를 포함하여 9개의 프로젝트가 진행 중입니다.

중국 과기부는 과학기술의 발전을 위해 ｢국가 중장기 과학기술발전 계획(’06~’20)｣과 기초연구 발전을 위해 「973 계획(국가 기초연구발전 계획)」을 수립하였습니다. 이 중 합성생물학과 관련있는 추진내용은 합성생물학 발전을 위해 생물학,물리, 화학, 컴퓨터 및 공학 등 다학제적 융합 연구를 강화하는 것입니다.인조생명 및 합성생물학이 노화 방지, 질병 범위의 변화, 자원 부족, 환경 파괴 문제 및 식량 안보 등의 문제 해결을 위해 새로운 기술수단을 제공하여 경제 발전 모델을 바꿀 것으로 전망합니다.

대규모 정부 자금의 지원과 네거티브 규제 시스템으로 금기에 도전하는 연구들이 계속되고 있습니다. 2018년 네이처(Nature)지가 ‘올해의 인물’로 선정한 중국의 허젠쿠이(賀建奎) 교수는 2018년 11월에 유전자를 교정한 맞춤형 아기(Designer Baby)를 탄생시켰는데 이는 전 세계 연구윤리 합의에 위반하는 행위로 전 세계 과학계가 우려하는 심각한 사태입니다. 이러한 극단적인 연구성과로 인한 논란이 있지만 정부의 대규모 자금, 풍부한 연구 인력 및 규제 시스템으로 인해 중국의 합성생물학은 세계적 수준입니다.

한국의 합성생물학

2011년에 과학기술정보통신부에서 ‘지능형 바이오시스템설계 및 합성연구단’을 구성하고 연구비를 지원하면서 합성생물학 연구가 본격적으로 시작하였습니다. 관계부처 합동으로 2017년 발표한 제3차 생명공학육성기본계획(안)에도
합성생물학이 포함이 되는 등 움직임이 있었습니다. 과학기술정보통신부의 글로벌 프론티어 연구개발 사업의 일환으로 2011년 9월 29일부터 2020년 8월 31일까지 관련 연구를 진행하였고 9년간 총 연구비는 1,491억 원이고 정부 1,341억 원, 민간 150억 원으로 구성되었습니다. 바이오부품 및 소자의 원천기술 확보, 지능형 바이오 시스템 합성 및 산업적
활용 기술 확보의 3가지 핵심 목표를 3단계로 나누어 2019년까지 달성하고자 하였습니다.

지능형 바이오시스템 설계 및 합성연구단 단계별 추진 전략

자료 : 미래창조과학부(2016.09.29.), p.32

관계부처 합동으로 2017년 발표한 제3차 생명공학육성기본계획(안)에 따르면 바이오 R&D 혁신과 국가 생태계 기반 조성에 합성생물학을 주목하고 있으며 관련 분야의 육성을 위해 투자할 계획입니다. R&D 사업으로는 경쟁형 중장기 형태로 ‘Korea Bio Grand Challenge’를 신설하였고, 합성생물학과 유전자 교정 등 범용유망기술 촉진 법령 근거를 마련해 바이오플랫폼 기술의 육성 및 관리 기반체계를 마련을 추진하였습니다.

정부는 코리아 바이오 그랜드 챌린지를 통해 합성생물학, 유전자가위기술, 유용미생물 등의 분야에 2018년부터 9년간 450억 원을 투자 태동기의 유망한 융합 분야를 선정하여 글로벌 수준의 원천기술 수준 및 우수 과학자를 확보하는 것을 목표로 하였습니다.

3. 합성생물학 관련 규제

합성생물학은 생물체를 다루는 것이기 때문에, 결과물에 대해서 예측이 불가능하고 잠재적인 위험이 있을 수 있다는 우려 속에 관련 규제가 논의됩니다. 유럽은 강한 수준의 제약을 적용하며 엄격한 사전예방의 원칙을 적용하고, 미국은 합성생물학 기술로 인한 공공 해택을 극대화하면서 동시에 위험을 줄일 안전장치를 고안하는 등의 실용적 대처를 합니다.

생물체와 관련된 법 규제로는 생물다양성협약(CBD), 나고야 의정서, 생물안정성(Bio Safety), 생물안보, 지적재산권 등이 있습니다. 국내에서 합성생물학의 위험을 통제할 수 있는 법률은 LMO법과 생물무기금지법입니다. 합성생물학의 부정적 영향에 대한 논의 는 미국과 유럽을 중심으로 시작되었고, 생물안전성, 생물안보, 그리고 생명윤리 영역으로 구분됩니다.

생물다양성협약(CBD)의 3가지 목표인 생물다양성의 보존, 생물자원의 지속 가능한 이용, 유전자원에서 발생하는 이익 공유 범주에 합성생물학이 관련이 있는 것으로 논의됩니다. 디지털 염기서열(Digital Sequence Information, DSI)가 활발히 논의가 되고 있는 기술인데, 이와 관련하여 이익 공유는 누구에게 어떻게 할 것인지가 주요한 안건입니다.
논의는 주로 AHTEC(Ad Hoc Technical Expert Group)에서 전문가 간의 사전 논의를 거쳐 안건을 과학기술자문보조기구(SBSTTA)로 전달하여, 2년마다 개최되는 생물다양성협약(CBD)의 당사국 총회(COP)에서 논의됩니다.

< 기술의 현재동향 및 발전 전망 >

단계	현재 동향(As-is)	5~10년 이후(To-be)
에너지	∙ 기후변화 문제 해결을 위한 저렴한 재생 에너지원 개발	∙ 석유화학 대체 친환경 바이오 대체 연료 생산 ∙ 수소 대량 생산 미생물 개발 ∙ 바이오매스 생물 정제
화학	∙ 생분해성 바이오 플라스틱 및 신소재 개발 ∙ 비천연 핵산･아미노산 활용 기술 개발	∙ 플라스틱 분해 효소･공정개발 ∙ 바이오 나일론 대량 생산 ∙ 생물 시스템 내 비천연 핵산･아미노산 활용 확대를 통한 바이오소재･촉매 활성 증대
의약	∙  mRNA 백신 설계 및 합성에 디지털 기술 결합(모더나) ∙  B세포 급성림프구성백혈병 치료제(노바티스)	∙ 의약품 기능 장내 미생물 제작 ∙ 의약물질 생산 인공 생물 및 시스템 개발 ∙ 정밀의료 및 맞춤 진단용 바이오센서 ∙ 유전적 결함 보완 기술 ∙ 신약 소재 생산
농심품	∙  옥수수용 생물학적 질소 비료(피벗바이오) ∙ 대두에서 고올레산 오일 추출(캘릭스트)	∙ 전염병 저항성 식물 제작 ∙ 작물 영양 가치 및 생산 증가 ∙ 광합성 효율 향상 식물 개발 ∙ 대체식품(배양육 등) 개발 및 생산
환경	∙ 미세플라스틱 분해 미생물 개발 ∙ 온실가스 섭취 미생물 발굴, 배양 및 개량 ∙ 유해 환경 물질(항생제, 석유화학 폐기물 등) 분해 경로 개발	∙ 온실가스(CO2, CH4 등) 섭취 가능한 박테리아 세포 설계를 통해 탄소 재활용 가능 ∙ 물, 공기 등의 오염 물질 감지 ∙ 난분해성 물질 분해 인공 미생물 제작
기타	∙ 최소 유전자로 구성된 단순한 생물 시스템 제작을 통한 생명현상 이해 활용 ∙ 박테리아 등 세포 활용 디지털 연산	∙  고립지, 우주 등 극한 조건에서 필요한 영양소와 물질의 제조 가능 ∙ 최소 유전자 기반으로 목적에 적합한 생명체 bottom-up 설계 ∙ 개량 생물체의 안전한 활용을 위한 유전적 생물 제어 시스템 적용

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