바이오 파운드리 산업과 합성생물학

바이오 파운드리 산업과 발생 배경

 지금껏 생명공학과정 발전 과정은 여타 다른 공학과는 다르게 생명체가 가진 다양성과 변이로 인해 효과 발현을 일으키는 효소 또는 물질을 발견 후 개량(Top-Down)하는 과정으로 발전해왔었음.

 예를 들어, 1 마이크로미터의 작은 미생물의 경우만 하더라도 미생물이 가진 DNA의 숫자는 무려 4,000개의 유전자가 들어있는데, 유전자의 한 개의 크기가 1킬로베이스(kb)로 천여 개정도의 염기로 구성되는데, 이 유전자 하나가 만들어낼 수 있는 최대의 다양성이 이론적으로 4의 천승에 달하는 사실상 거의 무한대의 다양성을 만들어낼 수 있다.

 

이러한 생물체의 다양성과 변이성으로 인해 그동안 더디게 발전해왔던 생명공학분야가 21세기 들어서 유전자 분석으로 인한 데이터가 축적되기 시작하고, 분석할 수 있는 도구인 빅 테이 더와 인공지능 분야가 발전하게 되면서, 기존의 Top down방식이 아닌 유전체 정보를 모듈화 하고, 유전체 간의 결합을 통한 반응들을 서킷화, 시스템화하는 Bottom-up방식으로 진화하게 되었는데 이를 합성생물학으로 부를 수 있다.

결론적으로 합성생물학은 기존의 생명공학분야에서 발전을 더디게 했던 생명현상의 복잡성을 모듈화 및 시스템화로 단순화시키고, 극도의 다양성을 로봇 자동화 기술과 인공지능 학습을 통해 단기간 예측 가능하게 만들어줌으로써, 기존 생명공학을 넘어서 화학이나 식품과 같은 타 산업영역으로 확장 가능성을 보여주고 있음.

 

 이러한 합성생물학을 토대로 DNA 부품/ 회로설계 및 어셈블리를 통하여 대형 DNA를 제작하는 과정부터 생체기능 분석까지 전 과정을 공유하여 집적화, 산업화시키는 것이 바로 바이오파운드리(Bio Foundry)이다.

 

 

 

 

바이오 파운드리의 주요 목적, 합성생물학의 DBTL Cycle 집적 규모화

 

 바이오 파운드리에서 수행할 주요 공정은 Design-Build-Test-Learn으로 구분할 수 있는데 줄여서 DBTL 사이클이라고도 불린다. DBTL 싸이클은 생물공학주기로 불리며, 합성 생물학의 응용프로그램에 프로세스를 일컫는다. 각 주요 공정에서 수행하는 역할은 아래와 같이 정의할 수 있다.

 

 

 

 

 이 공정을 설명하기 전, 'Chello'라는 유전자 프로그래밍 언어라는 것을 알아야 하는데, 간략하게 설명하자면, 본 언어는 미국 MIT의 합성생물학자인 Christopher Voigt와 보스톤 대학, 미국 표준기술연구소 등의 연구진에 의해 개발된 생명체 DNA 회로 설계를 자동화하는 프로그램인데, 이 프로그램의 기본 원리는 특정 대사 기능을 하는 DNA를 하나의 회로 설계로 간주하고, 이를 전자기기 논리회로 설계처럼 할 수 있게끔 되어있다.

 (추후 기회가 되면, Chello 프로그래밍과 유전자 회로에 대한 이야기를 보충할 예정)

 

이렇게 Chello라는 프로그래밍 언어를 통해 기계어로 번역된 DNA는 이제 하나의 회로도처럼 프로그램화되어, 데이터베이스에 저장이 되어 있는데, 이렇게 쌓여진 데이터베이스화된 DNA 대사과정은 실험실이 아닌 컴퓨터 안에서 합성되면서 가상세포(Virtual cell)가 되어, 타켓된 단백질을 발현 또는 억제하는 역할을 의도된 대로 수행되는지 논리적 연산의 작동을 확인해 봄으로써 새롭게 합성된 세포의 새로운 형질을 미리 확인할 수 있다.  

 

 

Design :

 소프트웨어 기반 접근 방식으로, 기존에 보유한 데이터베이스화된 유전체 정보들을 바탕으로 합성경로 파악, 유전자 합성설계 시퀀스, 유전자 발현규제 등을 포함한 모든 수준의 디자인을 포함

 

Build :

Design에서 최적의 합성 조건을 갖춘 유전체 회로도를 기반으로 실제 유전자를 합성하는 과정으로 대용량 자동화 로봇을 통하여, 인코딩된 유전체 정보를 기반으로 유전자를 조합 및 합성하여 유기체의 유전자 변형을 이끌어냄. 

 

 

 

Test :

합성된 구성 및 균주의 테스트. 일반적으로 가상 셀상태에서 실시하여 통과되었던 테스트와 같은 동일한 조건(온도, 압력등)에서 대규모의 스크리닝 테스트를 실시하게 된다. 본 테스트가 완료되면 합성된 유기물을 목표로 하는 고농도, 고수율, 고생산성으로 생산하기 위한 공정개발 및 시험을 진행하게 되는데,  본 테스트의 단계에서 실제 상업화를 위한 상당한 양의 데이터가 생성된다.

 

 

 

Learn :

 앞에서의 DBT단계의 데이터와 경험을 수집하고 학습을 위해 검사합니다. 선행 단계들의 수행과정에서 발생하였던 결과들을 통계적 방법과 머신러닝을 사용한 예측 모델을 통해 분석한 후, 다음 DBTL 사이클을 위한 Design 단계에서 개선해야 할 부분들을 출력하게 합니다. 이러한 DBTL 싸이클을 여러 번 반복하게 되면, 최적의 합성법과 배양공정 등의 도출해 낼 수 있게된다.

 

 

Scale-Up :

 스케일업은 실험실 규모의 실험에서 상업적 제조로 이동하는 것을 포함한다. 이 프로세스에는 자체 DBTL주기가 있으며 일반적으로 바이오프로세스 엔지니어링 및 바이오프로세스에 적합한 바이오 엔지니어링을 포함하여 발효 용량을 확대할 수 있게 된다.

 

 

 

바이오산업의 디지털화, 바이오 파운드리의 빠른 성장

 이처럼 합성생물학의 집적화, 사업화가 바로 바이오 파운드리라고 볼 수 있는데, 이러한 바이오 파운드리는 그동안 선진국을 중심으로 신성장산업으로 주목받아왔었다.

 미국의 경우, 2010년부터 정부차원에서 합성생물학을 지원하기 시작했으며, 영국의 경우에도 2015년부터 제조업 육성전략으로 바로 합성생물학에 대대적인 투자를 진행하였으며, 현재 전 세계적으로 합성생물학 관련 스타트 기업의 창업러시가 이루어지고 있는데, 2018년 한 해 기준, 620여 개의 합성생물학 스타트업 기업이 탄생하였으며, 이러한 스타트업 기업에 투자된 자본만 한화 약 9조 원에 이른다. 

 

 

 이렇듯 가파르게 신산업 분야로 주목을 받고 있던 합성생물학은  금번 COVID-19의 mRNA 백신 개발에 있어 미국의 바이오 파운드리 업체인 GINKGO BIOWORKS가 백신 물질을 바이러스 변이 속도에 필적하는 속도로 개발했다는 소식이 알려지면서 우리나라에서도 크게 주목을 받게 되는 계기가 되었다.

 이러한 인기를 반영하듯 미국의 바이오 파운드리사인 GINKGO BIOWORKS는 2021년도 3분기에 나스닥에 20조 원 규모로 상장이 예정되어 있다.

 

 

실제로 맥킨지의 경우, 투자적 관점으로 본 합성생물학과 바이오 파운드리의 경제적 가치를 향후 20년간 최소 2조 달러에서 최대 4조 달러에 달할 것이라는 보고서를 2020년에 'The Bio Revolution'이라는 제목으로 내놨다. 

특히 이 보고서에서는 향후 펼쳐질 바이오산업은 기존의 의약품의 발명의 속도를 가속화시킬 뿐만 아니라, 농업과 식품, 소비자 제품 및 화학, 에너지와 같이 전 산업분야로의 확대가 이루어질 것으로 내다봤다.

 

 

 

 

한국의 바이오 파운드리 현황은

 우리나라의 경우,  현재 합성생물학의 기술 수준은 최고 기술 보유국 대비 70% 수준으로 합성생물학 발전 잠재력은 충분하나, 인프라 구축 미흡으로 질적 경쟁력 제고에 한계가 있다는 판단 아래, 2020년 성균관대에 바이오 파운드리 연구센터를 개소하고, 같은 해 12월 글로벌바이오파운드리 동맹(global biofoundry alliance)에 정식 회원으로 가입하였으며,

국내 기업으로부터 필요한 기술에 대한 수요 파악을 기반으로 1. 바이오파운드리 인프라구축 2. 바이오파운드리 핵심 기반기술개발 3. 바이오 파운드리 활용 3축을 기반으로 한 산업성장촉진 전략을 준비하고 있다.

 

바이오파운드리 구축 및 활용기술개발 사업 자료집

 

 

 

당신에게 추천하는 관련 글 모음

 

2021.06.24 - [해외주식] - 월스트리트가 합성 생물학 혁명의 시작을 알리는 신호를 보내고 있습니다.

월스트리트가 합성 생물학 혁명의 시작을 알리는 신호를 보내고 있습니다.

 

 

(본 게시글은 작성시점의 내용을 근거로 쓰였습니다. 부족한 제 주관적인 의견이 포함되어있음을 알립니다. )