오태광의 바이오 산책 <15> 합성생물학의 시장 전망과 생명 윤리 > News Insight

 합성생물학은 2000년대 초반부터 전 세계가 혁신 기술로 인정하면서 미국, 유럽 등은 국가적으로 선제적 공공 투자함으로써 획기적 발전을 하였다. 특히, 복잡다단한 생물학 분야를 표준화, 디지털화하고, 공학적인 DBTL<설계(Design), 제조(Build), 시험(Test). 학습(Learn)> 주기를 컴퓨터의 가상실험(in silico)으로 짧은 시간에 무한 반복하여 최적의 상태를 실제 생산(in vivo)으로 구현할 수 있게 하였다. 

이런 방법은 개발기간을 획기적으로 단축할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 연구/생산 분야의 적용이 가능하여 현재 글로벌 문제점인 환경, 의료, 식량, 화학, 에너지 등을 손쉽게 해결할 높은 가능성을 가지고 있다. 하지만, 합성생물학 관련 연구기술을 산업화하기 위해서는 큰 규모의 투자되는 규모의 경제(Economy of Scale)달성이 되어야 하는데, 아직은 다양한 산업/경제적 제한 요소들 해결이 선결되어야 가능하다. 

이번, 바이오 산책에서는 합성생물학의 상업적 응용과 발전 방향을 검토하고 바이오 연구/생산 개발 시 반드시 검토되어야 하는 생명 윤리 문제를 이야기하고자 한다. 

산업 바이오(industrial biotechnology) 중심 합성생물학 

합성생물학은 에너지(바이오연료, 효소 촉매, 인공광합성 등), 화학(생분해 포장재, 강화/경량화 재료, 화학물질 검사 등) 등 화이트 바이오(White Biotechnology)를 주축으로 산업화했고, 혁신적 기술 발전으로 바이오 맞춤 신약, 바이오센서 칩(Chip), 질병 진단/치료 등 레드 바이오(Red Biotechnology), 작물 생산성 향상(GMO, Microbiome), 건강기능식품 등 그린 바이오(Green Biotechnology)에도 사용/적용 범위가 확대되고 있다. 

합성생물학의 산업 분야별 2008/2013년 시장 전망은 <그림 1>과 같이 2008년 2억 US$의 시장규모가 2013년 24억 US$로 5년동안에 무려 12배로 성장했다. CAGR (연평균 성장률, compound annual growth rate)이 약 60%에 달할 것으로 예상되었고, 분야별로는 에너지 분야가 2008년 대비 46.2배, 화학 분야는 9.2배, 바이오/제약 분야는 7.4배 획기적 성장을 전망했고, R/D도 3.4배 증가할 것으로 예상하였다. 

하지만 실제로는 합성생물학의 응용이 다양한 산업에서 사용되어서 시장 전망은 더욱 확장되어 2020년 합성생물학 세계시장규모는 128억~138억 US$로 전망돼 2003년 대비 64~69배 증가하고 있고, 향후 2021~2026년까지는 31~36%의 경이로운 CAGR로 성장할 것으로 예측되고 있다. 

특히, 바이오 신약(Medicine)과 건강 관리(Health care) 분야는 2021~2026년 시장 전망을 다른 산업 분야에 비해 훨씬 활기차서 CAGR를 40~42%로 예상한다. 신약 분야는 세계인구 사망의 1/6인 암(WHO, 2020년)과 20세에서 29세의 북미(North America) 인구 중 4,590만 명이 당뇨병 환자이고, 전 인구의 13%가 발병 가능한 당뇨병(International Diabetes Federation, 2017)에 대한 획기적 신약 개발은 꼭 필요하다. 

합성생물학은 암 및 당뇨병 등 성인병을 해결할 원천기술(Platform Technologies)를 제공할 수 있어서 활기찬 시장성장을 예측할 수 있다. 또한, 세계인구의 폭발적인 증가로 식량자원은 절대적으로 부족하고, 점차 개발로 좁아지는 경작지 문제로 발생하는 부족한 식량문제를 해결하기 위해서는 획기적 작물 생산이 필요한데 합성생물학의 이용이 대안으로 대두되고 있다. 물과 영양분이 적게 이용하면서도 생산성을 높이는 작물개발, 식물 광합성 효율을 획기적으로 증가, 공기 중 질소의 효율적 고정, 병충해 저항성 작물 등이 빠른 속도로 개발되어 생산하고 있어서 장래 전망은 밝다. 

 합성생물학 미래시장 및 투자현황 

 합성생물학 기반 제품들은 빠르게 인류사회에 침투하여 2030년이 되면 대다수의 생활 및 의료제품은 합성생물학 기술로 생산할 가능성이 클 것으로 예상되고 있다. 이에 따라 주요 선진국은 합성생물학 주도권(Initiative)을 확보하기 위한 다각도의 노력과 더불어 유전자 해석/합성 비용의 획기적 감소요인은 2026년까지 CAGR 26.5%로 성장하여, 약 307억 US$로 시장규모가 확대될 것으로 전망한다. 

또한, 합성생물학 분야 엔지니어, 투자가 및 기타 이해관계자 공동체(Community)인 SynBioBeta는 2020년 1분기 투자 9억 470만 US$보다 약 500% 증가한 46억 US$가 2021년 전반기에 투자되었고, 현재와 비슷한 투자가 유지되면 2021년 합성생물학 분야 투자는 총 360억 US$로 2020년보다 400% 확대될 것으로 예상한다.

 아울러, 2010년에 이전인 초기 합성생물학 연구에서는 세포 설계, 유전자 합성 등 기술이 어려웠지만, 대사공학(Metabolic engineering), 유도진화(Directed evolution), 메타게놈 발견 (Metagenomic discovery), 유전자 회로 설계(Gene circuit design), 유전자 편집 (Genome editing) 등 다양한 기술의 발전으로 활용범위와 가능성이 확대되었다. 가까운 장래에 합성생물학 이용 농수축산물 재배, 식품이나 의약품의 다양한 소재 개발로 새로운 공급의 변화는 거대한 신규시장 창출로 이어질 것이다. 

글로벌 10대 합성생물학 기업 

글로벌 10대 합성생물학 기업으로 GEN(Genetic Engineering & Biotechnology News, Top 10 Synthetic Biology Companies, 2021.7.2.)에서 선정된 상장 및 비상장 기업 10개를 소개하고자 한다. 상장회사는 제품/서비스 판매, 협업 및 R/D 등 2020년 매출을 기준으로 상위 5개 사를 선정하였고, 비상장 회사는 공개된 총 자본금을 기준으로 상위 5개 사를 순위로 선정하였다. 본 고에서는 5개의 상장회사를 소개하고 1개의 대표적 비상장 회사만 소개하고 나머지 4개 사는 생명공학정책연구센터 소식(BioINwatch, 2021.8.3.)을 참고하시길 바란다. 

미생물 대사공학과 합성생물학 연구 선구자인 미국 캘리포니아 주립대 Jay Kesaling 교수가 연구실 학생과 PostDoc과 함께 창업한 Amyris란 스타트업(Startup)이 매출 상위 1위이다. 2015년 노벨상을 받은 중국의 투유유 박사가 발견한 말라리아 치료제인 개똥쑥 식물추출물인 아르테미시닌(Artemisinin)을 미생물 대사공학 기술로 저가로 생산하는 것을 목표로 한 회사이다. 

초기, 마이크로소프트 설립자 빌 게이츠가 설립한 Bill and Melinda Gate Foundation의 연구비 지원으로 저가 아르테미시닌을 미생물 합성하여 아프리카 말라리아 환자를 돕는 일로 시작하였다. 그 후 다양한 고부가가치 산물인 Clean Health & Beauty, Flavors & Fragrances(F&F) 시장을 위한 지속 가능한 재료를 합성생물학 기술로 생산하여 2020년 매출을 173.137 million US$를 달성했고, 2021년 1/4분기에 2020년의 매출을 뛰어넘는 176.859 US$를 달성한 현재 1위의 대표적 합성생물학 회사이다. 

제1형 당뇨병에 대한 미생물 기반 치료제를 임상 2상 b에 성공하였고 다양한 후보물질 임상을 성공한 Precigen은 2020년 103.178 million US$ 매출을 달성한 2위 합성생물학 회사이다. 3위는 Twist Bioscience로 실리콘 기반 DNA 합성 플랫폼을 보유하고 2020년 Illumina, Microsoft, Western Digital 등 25개 이상의 선도 기업으로 구성된 DNA Data Storage Alliance 설립, 공동 운영하고 있고 2020년 9월 회계년 기준 90.1 million US$를 달성하였다. 4위는 합성생물학 플랫폼과 DNA 프로그래밍 기업인 Ginkgo Bioworks는 제품보다는 서비스를 판매하는 회사이고, 2021년 9월 17일 상장하여 성공하였고 2020년 77 million US$ 매출을 달성하였다. 합성 및 산업 생명공학 분야에서 혁신적인 기술 플랫폼 또는 고유한 제품 개발 기능을 갖춘 스타트업에게 자금을 지원하는 것이 목표하는 Codexis는 2020년 69.056 million US$ 매출을 달성하여 5위에 상장 합성생물학 기업으로 평가받았다. 

비상장 합성생물학 기업으로 Impossible Foods를 소개하면 자본금 1.5 billion US$ 이상인 식물 단백질과 지방으로 인공육류를 만드는 플랫폼 기술을 보유하고 창업 후 총 12차례의 투자를 받아서 총 1.2 billion US$를 펀딩(Funding)하였고, 현재 코로나19 팬더믹이 발생한 첫 6개월 동안 Kroger, Trader Joes, Walmart와 같은 체인을 포함하여 전국적으로 8,000개 이상의 식료품점에서 Impossible™ Burger를 출시하였고 내년은 상장될 것으로 예상 고 있다. 

생명윤리 및 안정성 문제

생리활성 물질의 생산성이나 효율성을 높일 수 있는 유전자를 조작기술과 생물 복제 기술이 처음 세상에 등장했을 때, 중장기적으로 일어날 수도 있는 유전자 변형이 생명현상에 치명적이지 않더라도 나쁜 영향이 생길 수도 있다는 관점에 많은 사람은 우려를 표시하고 반대를 하여왔다.

 가장 대표적인 경우가 속칭 GMO(유전자변형생물, Generically Modified Organism) 문제이고 특히, 사람이 먹는 식용으로 사용될 시는 NGO들뿐만 아니라 일반 대중에 거부감이 컸다. 특히, 고귀한 생명체를 쉽게 합성하거나 변형하는 행위는 생명을 경시하는 우선적인 거부감이 있을 뿐만 아니라 나아가서 생명윤리 문제로 일반에 큰 논쟁거리(Issue)가 되어 왔다.

 특히, 유전자 조작 기술은 한두 개의 유전자를 치환하거나 삽입하는 데 비해, 합성생물학 기술을 사용하면 한 개 물질을 만드는데 필요한 많은 수 유전자들을 각기 다른 생명체에서 가져와 사용하거나 아예 염색체를 편집하여 원하는 물질을 생산할 수도 있다. 

이렇게 여러 개의 유전자를 복사하여 인공적으로 합성하여 사용하기 때문에 기존 생명체 원래의 유전자들과는 전혀 다른 생명체에서 가져와서 만들 수도 있다. 이런 일이 가능한 이유는 유전자의 구성 요소인 A,T,C,G를 중합효소(Polymerase)를 최적화하기 위해서 합성생물학에서는 설계(Design), 제조(Build), 시험(Test). 학습(Learn)을 끊임없이 주기적으로 순환 사용하여 필요에 따라서는 가장 적합한 각종 DNA를 사용하여 합성하기 때문이다. 

전자기기(IT)의 한 개 회로(Circuit,서킷) 와 같은 각개의 DNA 회로를 디자인하고 시험하는 DBTL과정을 in silico로 수없이 돌려서 최적의 서킷을 완성한다. 이때 서킷에 사용되는 효소 유전자는 수없이 많이 해독된 생물의 유전자들에서 선택되어 제조, 시험하여 결과를 학습한 후 최적의 서킷을 만든다. 합성생물학의 대표적인 예인 양귀비 아편을 제조하는데, 효모의 염색체에 4종류의 식물(3종류의 양귀비, 황련(Goldthread))과 쥐, 녹농균(Pseudomonas bacterium)에서 얻어진 유전자를 첨가하여 염색체 편집하였기 때문에 윤리 및 안정성 문제는 최종 아편에만 한정했을 시는 문제가 없을 수도 있지만 만약에 이렇게 만든 유전자 서킷이 실험실 외부 환경으로 유출되었을 시 어떤 문제가 발생할지 몰라 큰 위험성이 발생할 수도 있다. 

특히, 바이러스를 대상으로 합성생물학 기술을 사용했을 시 문제점으로 닭, 오리와 같은 조류(鳥類)에 감염되는 바이러스를 합성생물학 기술을 적용하게 되면 기존에서는 전혀 감염되지 않았던 숙주인 인간과 같은 포유류 등에도 감염된다는 결과(Imai,Masaki et al. 2012)는 충분히 위험성을 설명할 수 있다. 인공생명체나 합성생물학 유전자가 포함된 유전자가 외부로 유출되면 인간에 치명적인 질병을 발생시킬 수도 있고, 만약, 목적을 갖고 의도적으로 만든다면 바이오 테러(Bio terror)를 위한 생물 무기로도 사용할 수도 있다. 

합성생물학의 기술혁신은 잠재적으로 질병을 완전히 제어할 수도 있고 반대로 쉽게 발생시키게 할 수도 있는 이중용도(dual use) 위험성을 내재하여 획기적 백신, 치료 약도 개발이 가능하지만, 파괴적 생물 무기로도 가능하다. 

이런 이중 용도는 기능의 사용 획득(gain of function)의 유익한 장점도 있지만 여러 가지 위험한 특성을 가진 새로운 병원균을 만들 수 있는다는 해로운 가능성을 가져서 양날의 칼과 같다. 

더욱 큰 문제의 심각성은 상당한 실력이 있는 전문가가 할 수 있는 유전자 조작과 비교하면 합성생물학은 누구나 손쉽게 인터넷으로 주문하고 값싸게 서비스를 받을 수 있는 일반기술이 되어 가고 있다는 탈 전문화(de-skilling)라는 점에서 심각성이 매우 크다. 특히, 합성생물 기술에 대한 과열된 학문/산업적 경합은 생명윤리 문제를 뛰어넘을 수 있기에 국가적 법률체계가 필요하고 연구자의 자율규제와 인식 교육도 소홀히 해서는 안 된다. 

특히, 합성생물학 분야의 기술적 독점을 막기 위해서 BBF(Bio-Bricks Foundation)처럼 생물학 부품을 대중에게 공개하고 마음껏 사용하게 하려는 노력도 있고, 연구/상용화에 대한 투명성 제고도 필요하지만, 현재 경제적 관점에서 생물학적 부품 및 구성 요소에 대한 특허 출원은 여전히 증가하고 있다. 투명성 제고와 지적 재산권 확보 면에서는 대치되고 있어서 국가 간 위험성이 높은 합성생물 기술 경합을 조정하는 국제적 협력과 합의는 필요한 시점이다.

맺는 말

 1980년대 유전자 재조합이라는 기술이 처음 도입되었을 때 유전자를 찾기 위해서 시행착오 법으로 임의로 유전자 파편을 만들어 주로, 플라미드(Plasmid)에 유전자 파편을 집어넣어서 대장균에 클로닝하고 단백질 기능성 유무로 검정하던 시절을 생각하면 불과 40년 정도밖에 지나지 않았는데, 정말 상상도 할 수 없을 정도로 엄청난 과학기술 혁신이 일어났다. 

수없이 많이 해독된 생물들 유전체에서 비슷한 기능을 가진 단백질을 수없이 많이 보고되었고, 이제 마음대로 유전자를 가지고 와서 마음대로 유전자들을 나열하여 새로운 기능을 찾는 기술도 가능하다. 특히 디지털로 만들어진 끊임 없이 많은 단백질의 조합은 컴퓨터로 24시간 쉬지 않고 빠른 속도로 설계, 제조, 시험, 학습이 순환되어 기존물질의 고효율 생산은 물론 전혀 알려지지 않은 새로운 물질의 창출도 단시간 내에 가능하게 되었다. 

코로나19의 팬데믹을 맞으면, 가능성은 없다고 생각하지만 많은 음모론이 회자 되면서 발전된 합성생물학 기술의 오용은 잘못하면 인류를 벼랑 끝으로 몰수도 있다는 생각에 가슴이 섬뜩하였다. 이제 "정말로 윤리 교육이 중요하구나!" 느끼면서 발달한 과학기술이 판도라 상자를 여는 잘못된 선택이 아닌 인류의 행복을 여는 열쇠가 될 수 있도록 모두의 노력이 절대로 필요하다고 느낀다.    

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