바이오테크
바이오팩토리 혁명: 삶을 공장처럼 프로그래밍하기
화학에서 생물 공장으로의 전환
디지털 코드가 합성 화학 물질을 대체하고 있다
초기 과학자들이 주변 물질 세계가 별개의 순수한 구성 요소들로 이루어져 있다는 것을 이해하기 시작하자, 그들은 이를 더 잘 이해하려는 작업에 착수했습니다. 초기 연금술사의 노력은 계몽 시대 과학자들과 초기 현대 시대로 이어졌으며, 이들은 별개의 원소와 생물학의 기본인 세포, DNA 등을 발견했습니다.
동시에, 화학 산업은 초기 제약 산업을 창출했으며, 합성 화학 약물을 사용해 환자들의 생물학적 과정을 변화시켰습니다. 예를 들어 살리실산(아스피린)을 사용해 열을 낮추는 것이 그 사례입니다.
점차 의학 및 산업에 사용되는 화학 물질은 점점 더 복잡해졌습니다. 그러나 일반적으로 분자가 복잡해질수록 인공 화학 방법으로 합성하기가 어려워집니다. 가장 복잡한 단백질이나 생화학 화합물의 경우는 사실상 불가능에 가깝습니다.
그때 생명공학이 등장해 GMO 미생물을 이용해 저렴하고 안전한 인슐린, 성장 호르몬, 항체 등을 생산하게 되었고, 이는 제약 분야와는 별개의 바이오테크놀로지 분야를 형성했습니다.
이것은 생화학 및 의학에 있어 거대한 혁명이었으며, 이전에 매우 비싸거나 얻기 어려웠던 화합물을 풍부하고 저렴하게 생산할 수 있게 되었습니다.
오늘날, 빅데이터, AI, 자동화, 정밀 유전공학, 고급 분석 등 많은 새로운 기술이 융합되어 또 다른 바이오과학 시대, 즉 바이오팩토리 혁명을 열어가고 있습니다.
자연을 넘어: 산업을 위한 유기체 재설계
바이오테크 시대는 인공 유전 변형을 이용해 미생물이 관심 있는 생체분자를 생산하도록 하는 것이 특징이었으며, 주로 의료 제품을 목표로 했습니다. 이는 매우 수익성이 높았는데, 이러한 분자들은 생명을 구하거나 고가의 방법으로는 소량만 얻을 수 있던 고부가가치 제품이었기 때문입니다.
하지만 이러한 접근 방식은 살아있는 유기체에 이미 존재하는 것만을 복제할 수 있다는 근본적인 한계를 가지고 있습니다. 오늘날에도 많은 물질과 유용한 분자는 여전히 독성 또는 탄소 배출이 수반되는 인공 화학 방법에 의존하고 있습니다.
전기차, 배터리, 재생 에너지 등을 통한 에너지 시스템 전환이 중요하듯이, 화학 생산에 대한 보다 친환경적인 대안을 찾는 일도 플라스틱 오염, 기후 변화, 지속 가능한 농업, 무오염 산업 생산, 생물안보, 불치병, 재생 의학, 장수 치료 등 현대 세계의 대부분 문제를 해결하는 데 동등하게 중요합니다.
이러한 모든 문제에 대한 해결책이 이제 배포되고 있습니다: 바로 바이오팩토리 모델입니다.
바이오팩토리 모델은 어떻게 작동하는가: 기술 융합
멀티오믹스, CRISPR, 그리고 “바이오코딩”의 부상
최근 몇 년간 생물학과 유전학에 대한 이해가 눈부시게 진전되었습니다. 핵심은 몇 가지 새로운 기술에 의존합니다.
첫 번째는 시퀀싱과 유전체학으로, 이제 1,000달러 이하의 비용으로 개체당 일상적으로 수행할 수 있을 정도로 저렴해졌습니다.
이제 이것은 전사체학, 단백질체학, 대사체학, 후생유전체학, 미생물체학, 공간 생물학 등 다양한 “-omics”와 결합되어 멀티오믹스를 형성합니다. 이는 살아있는 유기체의 복잡한 여러 수준을 전체적으로 이해하는 것을 의미합니다.
또 다른 새로운 기술은 CRISPR이며, 2012년에 발견된 유전자 편집 방법으로, 현재는 희귀 질환 치료를 포함한 모든 종류의 유기체 유전자를 편집하는 가장 강력한 수단이 되었습니다.
마지막으로, 빅데이터, AI 및 기타 고급 분석 형태의 등장으로 생물학자들은 멀티오믹스가 생성한 방대한 데이터를 처리하고 의미를 파악할 도구를 얻게 되었습니다.
이 모든 것이 결합될 때, 완전히 새로운 역량이 등장합니다.
실제 생물학적 멀티오믹스 데이터와 AI 분석을 결합하면 복잡한 분자를 만드는 전체 과정을 지도화하고 모델링하며 심지어 완전히 인실리코로 시뮬레이션할 수 있습니다. 이는 수천 가지 가능성을 가상으로 테스트하거나 전혀 새로운 단백질을 처음부터 설계해 새로운 특성을 부여할 수 있는 기회를 열어줍니다.
그리고 CRISPR 덕분에 이러한 아이디어를 실제 미생물이나 식물에 적용하는 속도와 정밀도, 용이성은 그 어느 때보다 빨라졌으며, 이를 통해 잘 제어된 생물 공장, 즉 “바이오팩토리”라는 합성생물학의 하위 분야가 탄생했습니다.
DNA는 본질적으로 생물학적 코드이므로, GMO를 만들고 새로운 바이오시스템을 설계하는 것이 컴퓨터 코딩에 매우 가깝게 다가왔습니다.
“세포를 생각해 보세요. 그것은 디지털 코드로 구동되는 작은 기계와 같습니다. 컴퓨터와 매우 유사하지만, 여기서 코드는 0과 1이 아니라 A, T, C, G입니다. 따라서 합성생물학은 우리가 컴퓨터를 프로그래밍하듯이 DNA 코드를 바꾸어 세포를 프로그래밍하는 것입니다. 우리는 일종의 세포 프로그래머이며, 고객이 원하는 대로 세포를 작동시키는 것이 우리의 일입니다.”
Jason Kelly – Ginkgo Bioworks CEO
플라스틱에서 향수까지: 바이오팩토리가 만들 수 있는 것
현재 화학 산업이 생산하는 많은 화학 물질은 이론적으로 생물학적으로 생산된 방식으로 대체될 수 있습니다. 동일한 분자를 살아있는 유기체가 생산하거나, 유사한 특성을 가진 대체 물질을 생산하는 방식입니다.
예를 들어, 토양 미생물과 식물은 소량이지만 비료, 에탄올, 에틸렌 등을 지속적으로 생산합니다. 이들 물질은 현재 화학 산업에서 대량 생산되고 있습니다. 따라서 살아있는 유기체를 이용해 수율을 높이거나 비용을 낮추면 탄소 영향을 크게 줄일 수 있습니다.
또 다른 목표는 화석 연료 의존도를 낮추는 것으로, 1,4-부탄디올, 1,3-프로판디올, 폴리히드록시알카노에이트, 폴리락트산 등과 같은 폴리머(섬유 및 플라스틱 포함)를 생물 대사 경로를 통해 생산하는 것입니다.
고부가가치 향료, 아미노산, 비타민, 실크, 바닐린 같은 향미제, 스쿠알렌이나 히알루론산 같은 화장품 원료도 이론적으로는 자연적으로 대량 생산될 수 있습니다.
물론, 새롭게 발명된 생물학적 분자는 합성 백신, 항암 치료제, 대체 단백질 및 식품 원료(배양육 등)를 형성할 수 있습니다.
마지막으로, 완전히 새로운 제품도 이 방식으로 생산될 수 있습니다. 예를 들어, 버섯 균사체는 가죽 및 기타 섬유의 실용적인 대체재를 만들 수 있습니다. 혹은 탄소 배출을 대기 중에 방출되기 전에 직접 재활용해 유용한 제품으로 전환할 수도 있습니다.
Research-as-a-Service 비즈니스 모델
시너지 구축
해당 기술이 성숙했더라도 실제 살아있는 유기체의 대사 경로를 완전히 재작성하면서도 생산성을 유지하는 일은 실제로는 매우 복잡합니다.
이 때문에 성장하는 추세는 장비, 전문 지식 및 적절한 생물학적 소재를 보유한 전문 기업에 이 작업을 아웃소싱하는 것입니다. “Research-as-a-Service” 모델, 혹은 “organisms-on-demand”라고도 불리는 이 모델은 다양한 프로젝트와 개념이 서로 도메인을 넘어 협력하도록 합니다.
예를 들어, 이전에 탄소 배출 흡수를 위해 개발된 미생물은 같은 탄소를 이용해 에틸렌을 생산할 수 있습니다. 에틸렌은 수많은 화학 합성 반응의 핵심 전구체이지만, 탄소 크레딧 중심 기업은 에틸렌을 바로 활용할 수 없고, 화학 기업은 탄소 원료가 부족할 수 있습니다. 그러나 동일한 바이오팩토리 계약자를 이용하면 두 기업은 시너지를 창출하고 프로세스를 더 효율적으로 만들 수 있습니다.
마찬가지로, 새로운 최적화된 유전 변형 방법은 수십 가지 다른 응용 분야에 배포될 수 있어, R&D 비용을 더 넓은 프로젝트에 걸쳐 상쇄할 수 있습니다.
Ginkgo Bioworks: 합성생물학의 “DNA”
“organisms-on-demand” 분야에서 Ginkgo Bioworks만큼 앞서가는 기업은 없습니다. 2008년 MIT 과학자 5명이 설립한 이 회사는 산업용 GMO 박테리아 생산에 전념했으며, 바이오테크놀로지는 부수적인 생각에 불과했습니다.
Ginkgo는 2014년에 유명한 Y Combinator 스타트업 액셀러레이터 프로그램에 참여한 최초의 바이오테크 기업이었습니다. 2021년 SPAC 합병을 통해 상장했으며, 이전에 바이오테크 선구자 Genentech이 사용하던 NYSE 티커 DNA를 확보했습니다.
(DNA )
그 이후로 Ginkgo Bioworks는 다수의 산업, 제약 및 농업 기업들의 핵심 파트너로 성장했습니다.
출처: Gingko Bioworks
예를 들어, Ginkgo는 다음과 같은 새로운 유기체들을 개발했습니다:
- 장 질환을 위한 프로그래머블 미생물.
- 미세플라스틱 생물학적 정화.
- RNA 치료제 및 백신.
- 폐기물 및 오염 물질 재활용.
- 브라질에서 중요한 콩 질병 제어.
- 박테리아를 이용한 질소 비료 대체.
- 칸나비노이드.
- 생물제제 및 펩타이드 최적화 제조.
- 확대된 바이오촉매 및 발효를 통한 활성 제약 성분(API) 생산.
- 전용 효소 데이터베이스와 전문 효소 설계자를 통한 분자 진단 솔루션.
- 세포 치료 및 유전자 편집.
Ginkgo의 전환: 자율 실험실을 위한 바이오보안 판매
바이오보안 사업 판매
COVID 팬데믹 동안 Ginkgo는 바이오보안 사업을 빠르게 확장했으며, 이는 주로 정부를 위한 생물학적 위험 모니터링 활동이었습니다. 이후 엔드투엔드 바이오레이다 플랫폼으로 진화했습니다.
이 사업은 우리 주 및 국가 테스트 프로그램을 통해 팬데믹 동안 귀중한 혜택을 제공했으며, 연간 매출이 3억 달러를 초과하는 정점을 기록했습니다. 우리는 전국 5,000여 개 학교를 개방하는 데 기여한 것을 자랑스럽게 생각합니다.
그러나 이 활동은 Ginkgo Bioworks의 다른 프로젝트와 상대적으로 연계성이 낮았습니다. 따라서 회사 경영진은 이를 투자자 컨소시엄에 매각하고, Tower Biosecurity라는 새로운 독립 사기업을 설립하기로 결정했으며, Ginkgo는 20% 지분을 유지합니다.
서비스 제공업체에서 고부가가치 파트너십으로
“organism-on-demand” 활동은 현재 회사 비즈니스의 핵심이며, 가장 큰 부문은 식품·농업 및 제약·바이오테크 분야입니다. 그러나 2024년 4분기에서 2025년 4분기 사이에 매출이 감소했는데, 이는 해당 기간 동안 바이오테크 투자 전반이 감소했기 때문입니다.
출처: Gingko Bioworks
이 부문은 비즈니스 모델에 대한 상대적 불확실성으로 어려움을 겪었습니다. 초기에는 Ginkgo가 순수 서비스 형태로 연구 역량을 제공하고 고정 가격과 명확한 종료점을 제시했습니다. 이는 Ginkgo를 연구 파트너로서 매우 인기가 높게 만들었습니다.
하지만 이는 프로젝트가 완료된 후 잔여 로열티나 추가 수익이 없다는 의미였으며, 결과적으로 Ginkgo는 새로운 프로젝트의 끝없는 러시 속에 갇혀 기술적 역량이 수익으로 전환되지 못했습니다.
그 이후로 Ginkgo는 파트너십 구조를 통해 새로운 유기체를 개발하기 시작했습니다. 예를 들어, Merck와의 프로젝트에서 주요 마일스톤을 달성해 2024년 4분기에 900만 달러를 지급받았습니다 그리고 이후 단계 2에서도 더 큰 지급이 이루어졌습니다.
현금 흐름을 개선하기 위한 구조조정은 회사가 강력히 추진했으며, 지난 해 현금 소모량을 73% 감소시켰습니다. 동시에 회사는 큰 부채가 없으며, 재무 위험을 더욱 줄였습니다.
출처: Gingko Bioworks
The Rise of the Modular, Autonomous Robot Lab
자동화 실험실은 Ginkgo가 오랫동안 연구해 온 기술이며, 오늘날에도 대부분의 바이오랩 작업이 반복적이고 지루한 수작업으로 진행되어 석사·박사 학위자를 포함한 인력의 대부분 시간을 소모하고 있습니다.
이 방식을 바꾸기 위해 Ginkgo는 인간 개입 없이 세포 배양, 화학 물질 이동, 현미경 분석 등 실험실 작업을 수행할 수 있는 자동화 모듈형 플랫폼을 만들었습니다.
출처: Gingko Bioworks
이 설계의 가장 중요한 특징은 모듈성입니다. 각 모듈은 다른 모듈과 연결되어 과학 실험 및 바이오분석을 위한 일종의 “조립 체인”을 만들 수 있습니다.
이 솔루션은 소프트웨어와 결합되어, 새로운 프로젝트를 위해 수개월이 걸리던 기존 연구 인프라를 며칠 혹은 몇 시간 안에 유연하게 재구성·수정할 수 있게 합니다.
출처: Gingko Bioworks
이 조합은 대량 생산에 비해 연구에 필요한 유연성을 제공하면서도, 자동화된 실험실이 인간보다 빠르고 24시간 연속으로 작업할 수 있어 연구 속도를 높이고 비용을 절감합니다.
Ginkgo는 이 기술을 두 가지 형태로 제공할 계획입니다:
- “자신만의 실험실 구축” – Ginkgo가 자동화 모듈을 제조·서비스하지만, 일상 운영과 소유권은 고객에게 있습니다.
- Ginkgo 자체의 최첨단 자율 실험실에 직접 계약을 통해 접근합니다.
Datapoint: Generating 10,000 Experiments in Weeks
자동화 서비스가 생물학적 데이터를 생성하면, Datapoint는 이를 유용한 인사이트로 전환합니다.
핵심 요소는 빠른 데이터 생성으로, 이는 새로운 가설을 안내하고 새로운 실험을 신속히 반복하여 지속적인 진전을 가능하게 합니다.
출처: Ginkgo Bioworks
이 서비스를 통해 Ginkgo는 완전히 고객에게 귀속되는 데이터를 제공할 수 있으며, 이는 다른 바이오테크 또는 제약 기업과의 파트너십에서 경쟁 우위가 됩니다.
데이터는 최소 3주 만에 생성될 수 있으며, 각 세포 유형당 10,000개 이상의 in vitro 화학·유전 교란과 다양한 분석 방법을 선택해 결과를 연구할 수 있습니다.
동일한 시스템은 새로운 항체를 빠르게 생성하는 데에도 활용될 수 있습니다. 항체는 현재 종양학 및 기타 의료 분야에서 핵심 의약품으로 급부상하고 있습니다. Ginkgo는 10억 달러 규모의 자동화 습식 실험실 인프라 덕분에 동시에 최대 2,400개의 서로 다른 항체를 스크리닝할 수 있습니다.
AI-Powered Bioresearch
Ginkgo는 OpenAI와 파트너십을 맺어 바이오리서치 분야에 ChatGPT 5를 적용했습니다. 이를 통해 생산성이 크게 향상되었습니다.
“이 시스템은 최첨단 대비 세포‑프리 단백질 합성 반응 비용을 40% 절감했으며, 6번의 반복 사이클에 걸쳐 36,000개의 실험 조건을 실행했습니다.”
인간의 참여는 주로 시약 준비, 로딩·언로딩 및 시스템 감독에 국한되었으며, 실험 설계·실행·데이터 해석·가설 생성은 GPT‑5 기반 자율 실험실이 담당했습니다.
사용된 모델은 오픈소스로 공개되었으며, AI가 개선한 셀‑프리 반응 혼합물은 과학 커뮤니티가 주문할 수 있습니다, 이를 통해 Ginkgo는 전 세계 과학자들을 위한 중요한 오픈소스 연구 도구가 되었습니다.
Ginkgo는 또한 미국 정부로부터 4,700만 달러를 받아 Genesis Mission을 위한 대규모 연구 시설을 구축했습니다. 이 시설은 Microbial Molecular Phenotyping Capability (M2PC)라는 32,000평방피트 규모의 사이트이며, 100개 이상의 자동화 분석 기기를 보유하고 2030년까지 전 세계 연구자들이 완전히 이용할 수 있게 될 예정입니다.
“팀은 고급 AI를 활용해 단백질 및 경로 기능을 해독하고, 데이터 생성·수집을 자동화하며, DOE의 실험 및 슈퍼컴퓨팅 시스템을 바이오테크와 AI 기업과 통합할 것입니다.”
The Long-Term Outlook: Is Ginkgo Finally Profitable?
바이오팩토리 비즈니스 모델의 창시자이자 바이오보안의 중요한 행위자인 Ginkgo는 이제 생물 연구 자동화 분야의 리더이자 AI 주도 R&D 기술의 핵심 파트너로 재탄생하고 있습니다.
생물학이 AI와 만나면서, 많은 산업 프로세스가 점차 탄소 중립, 무독성, 저비용의 친환경 바이오프로세스로 대체될 것입니다. 이러한 미래 비전에서 생명체는 컴퓨터 코드처럼 프로그래밍 가능하지만, 실제 세계에 미치는 영향은 더욱 큽니다.
이는 Ginkgo Bioworks에게 거대한 기회를 제공하며, 현재 진행 중인 프로젝트뿐만 아니라 자동화 실험실 설계가 장기적으로 대부분 연구팀의 표준이 될 가능성을 열어줍니다.
세포 엔지니어링 비즈니스 모델을 개선하고(더 많은 로열티와 보다 공정한 수익 공유 계약을 통해) 이를 결합하면, 향후 몇 년 내에 Ginkgo가 수익성을 확보하는 데 도움이 될 것입니다.
(또한 “Top 5 Synthetic Biology Public Companies”에서 다른 합성생물학 기업에 대한 내용을 읽어볼 수 있습니다.)
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