Illumina와 Pacific Biosciences: 차세대 유전체 분석 기업 선택

차세대 유전체 시퀀싱

인간 유전체에 관한 지식이 빠르게 늘어나면서 의학도 큰 변화를 앞두고 있습니다.

유전체는 생물의 유전 물질 전체입니다. 인간 게놈 프로젝트는 13년간 연구한 끝에 2003년 거의 완전한 인간 참조 서열을 발표했습니다. 약 30억 달러는 전체 연구 사업의 비용으로, 환자 한 명의 검사 가격이 아니었습니다. 2007년에는 인간 유전체 하나의 서열 분석 비용이 약 100만 달러였습니다. 2014년에는 약 1,000달러, 이 글의 시점인 2023년 초에는 약 600달러였습니다. 이 금액에 임상 분석과 해석의 전체 비용이 반드시 포함되는 것은 아닙니다. 최초의 완전히 빈틈없는 인간 참조 서열은 2022년에 발표됐습니다.

컴퓨터를 일상에 스며들게 만든 무어의 법칙을 들어보셨을 겁니다. 그러나 유전체 비용 감소는 그보다 훨씬 더 놀라운 속도로 진행되었습니다.

차세대 염기서열 분석(NGS)은 수많은 DNA 조각을 병렬로 읽는 기술입니다. 자동화와 화학, 광학, 센서, 데이터 처리의 발전이 비용을 낮췄습니다. 모든 플랫폼이 변형된 실리콘 칩에 기반하는 것은 아닙니다.

이러한 비용 감소는 두 가지 변화를 가져왔습니다.

• 다양한 집단과 질병에 관련된 유전체를 더 많이 분석하면서 데이터가 늘었습니다. AI와 대규모 데이터 분석이 이를 활용하도록 돕지만, 모든 집단이 고르게 대표되는 것은 아닙니다.
• 유전체를 환자 진단 도구로 활용할 가능성이 열렸습니다.

출처: Illumina

개인의 유전 서열을 알면 신체 기능이나 질병과 관련된 변이를 찾는 데 도움이 됩니다. 예를 들어 정상 세포와 암세포의 유전체를 비교할 수 있습니다.

대규모 연구로 알츠하이머병 위험 증가와 관련된 유전 요인도 찾을 수 있습니다. 유전체만으로 발병 여부가 결정되는 것은 아닙니다.

염기서열 분석 기술은 여러 연구 분야의 발전에도 기여합니다.

• 메타게노믹스: 장내 미생물처럼 건강에 영향을 주는 미생물 공동체의 집합적인 유전 물질을 연구합니다.
• 전사체학 & 후성유전학: 전사체학은 특정 조건에서 발현되는 RNA를 연구합니다. 후성유전학은 DNA 서열 자체를 바꾸지 않으면서 유전자 기능에 영향을 주는 DNA와 염색질의 변화를 다룹니다. 유전체가 설계도라면 이 분야들은 설계도가 어떻게 사용되는지 이해하도록 돕습니다. 질병과 대사 장애 연구에 중요합니다.
• 농업 유전체학: 유전체 정보를 활용해 농작물 수확량과 가축 생산성을 향상시킵니다.
• 생태학 연구: 생태계의 상태와 유전적 다양성을 평가합니다.
• 합성생물학: 새로운 유전자, 형질, 혹은 특정 목적을 가진 전체 유기체를 창조합니다. 예를 들어, 플라스틱을 분해하는 박테리아나 바이오연료를 생산하는 조류 등이 있습니다.

기업의 배경

NGS 플랫폼은 다양한 기법으로 유전 물질의 판독을 자동화합니다. 여기서는 Illumina와 Pacific Biosciences of California, 줄여서 PacBio를 비교합니다. 두 회사만 있는 것은 아니며 Oxford Nanopore 등 다른 공급업체도 분석 장비를 제공합니다.

Illumina는 1999년에 설립되었고, PacBio는 2004년에 설립되었습니다.

일찍 시장을 선점한 이점은 오랫동안 Illumina에 유리했습니다. 원문 작성 당시 제시된 시가총액은 약 340억 달러였고 PacBio는 약 25억 달러였습니다. 당시 인용된 설치 기반은 전 세계 Illumina 장비 약 21,000대와 PacBio 장비 1,000대 이상이었습니다.

Illumina는 업계에서 강한 입지를 보유합니다. 2018년 약 12억 달러에 PacBio를 인수하는 계약을 발표했습니다. 경쟁 당국은 주요 분석 장비 공급업체 사이의 경쟁이 약화될 것을 우려했습니다.

미국 연방거래위원회(FTC)는 2019년 12월 거래에 이의를 제기했습니다. 두 회사는 2020년 1월 계약을 종료했습니다. PacBio의 독립이 주주에게 유리했는지는 매입 가격과 투자 기간에 달려 있습니다.

사업 모델은 1980년대 메인프레임처럼 장비와 함께 소모품 및 서비스를 판매하는 구조입니다. 대형 분석 장비는 비싸고 전문성이 필요하지만 모두 100만 달러 이상인 것은 아닙니다. Revio의 발표 당시 정가는 779,000달러였습니다. 고객은 병원, 대학, 연구소, 제약사 등입니다.

우리는 현재 컴퓨터 산업의 1990년대와 유사한 유전체 시대에 진입하고 있습니다. 운영이 쉬워지고 비용이 낮아진 시퀀서는 진단 분야, 소규모 연구소, 모든 병원으로 새로운 시장을 열어가고 있습니다.

비용이 감소할수록 유전체 분석이 소규모 검사 시설에도 보급될 것입니다. 이는 PCR 기계가 연구 도구에서 대량 활용으로 전환된 과정과 매우 흡사합니다.

Illumina의 당시 전망은 2027년까지 암 진단에서 NGS 보급률이 2%에서 8%로 늘어날 것으로 예상했습니다. 유전 검사에서는 두 배, 생식 건강과 연구에서는 약 50% 증가를 전망했습니다.

그 회사 추정에 따르면 전체 보급률은 2027년에도 14%에 그쳐 성장 여지가 남습니다. 예상 연평균 시장 성장률은 약 18%로, 2026~2027년 무렵 두 배가 되는 수준이었습니다. 당시의 전망이지 이미 달성한 결과가 아닙니다.

출처: Illumina

출처: PacBio

기술

Illumina의 상업적 우위가 모든 제품이 모든 용도에서 더 낫다는 뜻은 아닙니다. 정확도와 비용, 검출할 수 있는 변이는 기술과 분석에 따라 달라집니다. 두 회사 모두 2022년 말 중요한 새 시스템을 발표했습니다.

출처: Illumina

PacBio

PacBio는 2021년 Omniome을 인수해 짧은 리드용 sequencing by binding(SBB) 기술을 확보했습니다. Onso 시스템은 짧은 리드용이고 Revio HiFi 시스템은 Omniome 인수에서 유래하지 않은 PacBio의 긴 리드 기술을 사용합니다. PacBio는 계획된 가동 및 활용 조건에서 30배 커버리지 인간 유전체를 연간 약 1,300개 분석할 수 있다고 발표했습니다. 하루 평균 약 네 개에 해당하지만 매일의 생산량을 보장하지는 않습니다.

PacBio는 긴 리드 시장이 전체 NGS보다 빨리 성장할 것으로 예상했습니다. 정확도가 열 배 높다는 주장은 특정 비교와 지표에 해당하며 모든 임상 용도에 적용되는 것은 아닙니다.

출처: PacBio

저는 PacBio의 이 제품에 대한 마케팅 전략이 다소 공격적이며, Illumina의 동등 제품을 직접 겨냥하고 있다고 덧붙이고 싶습니다. 관련 기사에서 확인할 수 있습니다.

긴 리드는 복잡한 영역과 구조 변이 분석을 쉽게 할 수 있습니다. 짧은 리드는 계산을 통한 정렬이나 조립이 필요하지만 긴 리드에도 생물정보학 분석과 임상 해석이 필요합니다. 500달러의 짧은 리드 분석이 진단에 유용하려면 반드시 1,000달러의 추가 분석이 필요하다는 일반 규칙은 없습니다.

Revio의 발표 비용은 특정 조건에서 30배 커버리지 인간 유전체당 약 995달러의 시약비였습니다. 950달러짜리 완전한 임상 검사가 아니며 분석과 해석을 없애지도 않습니다.

Illumina

Illumina는 NovaSeq X를 대규모 데이터 생산용으로 발표했습니다. 2023년 초 첫 장비에 대한 강한 수요가 보고됐지만 전체 연간 생산량이 이미 판매됐다는 증거는 아니었습니다.

이와 동시에 Illumina 시스템은 개방형 플랫폼과 표준화된 데이터 포맷으로 운영되어, 과학 연구 간 비교와 협업을 더욱 용이하게 합니다.

Illumina는 2021년 8월 GRAIL 재인수를 이미 완료했습니다. GRAIL은 혈액 검사로 암을 조기에 찾기 위해 2016년 설립됐습니다. Galleri는 암 신호를 찾지만 모든 암을 검출하지 않으며 일반적인 선별 검사나 진단을 대체하지 않습니다. GRAIL은 독립 이후 약 20억 달러를 조달했습니다. 2020년 발표된 인수 계약은 현금과 주식으로 약 80억 달러 규모였습니다.

Illumina는 규제 심사가 진행 중이던 2021년 인수를 마쳤습니다. 유럽연합 집행위원회는 초기 암 탐지 혈액 검사의 신흥 시장에서 경쟁을 우려해 2022년 9월 거래를 금지했습니다. FTC도 거래에 이의를 제기했습니다. 이것이 글의 시점인 2023년 초의 상황입니다.

Illumina는 2022년 2분기에 법적 우발채무 6억 900만 달러를 인식했습니다. 집행위원회의 잠재적 벌금 4억 5,300만 달러와 BGI 합의금 1억 5,600만 달러로 구성됐으며, 전체가 EU 벌금은 아니었습니다. 2023년 초에는 GRAIL을 다시 분리해야 할 위험도 있었습니다. 필자는 이러한 과정이 전략과 규제 위험 관리에 의문을 제기한다고 봅니다.

NGS에서 Illumina와 PacBio의 전략적 차이

PacBio는 정확도가 높은 긴 리드에 집중하는 독자 전략을 발전시키는 반면 Illumina는 저비용 대량 데이터를 강조합니다. 이는 Illumina 데이터가 신뢰할 수 없다는 뜻은 아닙니다. 시장이 성숙하면 특수 용도를 위한 별도 장비가 타당해질 수 있습니다.

기술 산업에 비유하면 Illumina는 사용자 기반이 크고 용도가 다양한 Microsoft (MSFT )와 같고, PacBio는 전문적이며 성능에 집중하는 Apple (AAPL )과 비슷합니다.

비즈니스 비교

경쟁 상황

PacBio의 정확한 긴 리드는 특정 진단 용도에서 장점이 있을 수 있습니다. 경영진은 당시 인간 유전체 분야 보급률이 5%에서 10%, 암 관련 분야에서는 1%에서 5%로 늘어날 수 있다고 전망했습니다. 회사의 목표였습니다.

목표가 야심 찰 수 있지만 긴 리드의 도움을 특히 많이 받는 분석에서 PacBio의 장점이 있다고 생각합니다.

Illumina의 장점은 비용과 규모에 있어 보입니다. NovaSeq X는 특정 플로셀과 데이터 생산 가정에서 인간 유전체당 약 200달러의 분석 소모품 비용을 발표했습니다. 전체 임상 분석 비용은 아닙니다. 낮은 서열 분석 비용은 의료 활용 확대에 도움이 될 수 있습니다.

낮은 비용은 신생아부터 시작할 수도 있는 인구 단위 유전체 연구를 지원할 수 있습니다. 실행은 소모품 가격뿐 아니라 임상적 유용성, 동의, 기반 시설에도 달려 있습니다.

개인적으로는 수요가 당시 기대를 넘을 가능성이 있다고 봅니다. 1990년대 초 개인용 컴퓨터의 확산도 많은 사람을 놀라게 했습니다. 2023년으로부터 10년 안에 유전체 데이터가 개인별 영양, 약물 용량, 감염이나 암의 소인 평가에 더 자주 쓰여도 놀랍지 않을 것입니다. 이는 전망이며 확정된 미래는 아닙니다.

가치평가

Illumina의 주가는 원문 당시 2021년 7월 고점보다 50% 이상 낮았으며 직전 6개월 동안 비교적 안정적이었습니다. 제시된 주가매출비율은 7.3이었습니다.

역사적 비교에서 10년간 평균 연매출 증가율은 14.1%였습니다. 매년 같은 성장률이 지속됐다는 뜻은 아닙니다.

ILMN 가격 차트

핵심은 수익성입니다. GRAIL 인수, 연간 연결 매출의 최대 10%에 해당할 수 있는 EU 벌금과 강제 분리 위험이 2023년 초 가치평가에 영향을 미쳤습니다.

Illumina는 NGS에서 강한 위치와 큰 연구개발 예산을 보유했고 당시 시장은 4~5년 안에 두 배가 될 것으로 예상됐습니다. 회사는 유전체당 서열 분석 비용을 약 600달러에서 200달러, 즉 3분의 1로 낮추려 했습니다. 가격 대비 성능이 계속 좋아진다면 연구와 의료에서 중요한 공급업체로 남을 것으로 봅니다.

PacBio는 글 이전 2년 동안 주가 변동이 더욱 컸습니다.

글의 역사적 가격은 2020년 6월 주당 3.73달러, 2021년 6월 34.97달러, 2022년 7월 4.37달러, 2023년 초 약 11.21달러였습니다. 2021년 상승은 팬데믹 당시 생명공학과 유전 검사에 대한 강한 투자 관심과 겹쳤습니다.

PACB 가격 차트

역사적 비교에서 직전 5년의 평균 연매출 증가율은 약 9.9%였습니다.

당시 수치로 PacBio는 매출 대비 더 비쌌으며 주가매출비율이 약 18.3이었습니다. 2017~2021년 중 순이익을 낸 해는 2020년뿐이었습니다. 그해 2,940만 달러의 순이익과 양의 영업현금흐름은 취소된 인수 계약과 관련해 Illumina가 지급한 금액의 영향을 크게 받았습니다. 지속적인 영업 수익성의 증거는 아니었습니다.

2021년 SoftBank의 9억 달러 자금 지원은 유동성을 강화했지만 이자율 1.5%, 만기 2028년인 전환사채였습니다. 무조건적인 현금 증여도, 미래 자금 조달 필요가 없다는 보장도 아니었습니다.

어느 회사를 선택할까?

두 회사는 첨단 기술과 서로 다른 강점이 있습니다. 일부 용도에서 서로 경쟁하지만 Oxford Nanopore 같은 다른 공급업체도 경쟁자입니다.

Ultima Genomics 같은 신규 업체도 시장 진입을 시도합니다. 기존 실험실 방법과 검증 요구가 확립된 시장에 들어가기 어렵다는 점은 PacBio의 성장 과정에서도 드러납니다.

저는 1980‑1990년대 기술 기업에 비유했습니다. Illumina는 그 시기의 Intel (INTC )이나 Microsoft와 비슷하다고 생각합니다. 강한 핵심 기술과 큰 사용자 기반은 업계 관행을 형성하는 데 도움이 됩니다.

경쟁 당국의 이의는 Microsoft 시장 지배력에 관한 과거 논쟁을 떠올리게 합니다. 2023년 초 GRAIL 문제의 결과는 추가 주가 하락이나 회복의 계기가 될 수 있었습니다.

비용 하락과 새 용도는 시장을 키울 수 있고 Illumina는 큰 몫을 확보하려 할 수 있습니다. 설치 기반이 크면 고정 생산 및 개발 비용을 더 많은 판매에 분산할 수 있습니다.

필자의 투자 판단으로 Illumina의 강한 위치가 유지되고 수익성 있는 성장으로 이어지면 장기 수익률을 뒷받침할 수 있습니다. 위험 허용도가 낮은 투자자는 글의 시점에 GRAIL에 관한 명확한 소식을 더 기다릴 수 있었습니다.

PacBio는 더 위험한 선택이며 지속적인 수익성 확보에 어려움을 겪었습니다. 팬데믹 생명공학 호황의 SoftBank 자금은 현금을 늘렸지만 부채와 향후 주주 지분 희석 가능성도 가져왔습니다.

재정적 어려움에도 PacBio는 Illumina와 경쟁하며 일부 긴 리드 용도에서 더 나을 수 있는 기술을 개발했습니다. 훨씬 작은 연구개발 예산을 고려하면 성과라고 봅니다.

그래서 암 관련 용도와 인간 건강 분야에서 PacBio의 확장 가능성을 봅니다.

비유는 1990년대 Apple을 떠올리게 합니다. 기술적 강점이 있었지만 1995~1997년 심각한 재정난을 겪었고 구조조정, 자금 조달과 새 전략의 지원을 받았습니다.

Apple의 후속 성장은 지속적 혁신과, 초기에는 비용 절감보다 성능을 중시하는 전문가도 끌어들인 제품에 기반했습니다. 비유가 PacBio도 같은 길을 간다는 뜻은 아닙니다.

따라서 PacBio는 Illumina보다 위험과 잠재 수익이 높은 투자라고 봅니다. 긴 리드 진단의 도입 목표를 놓칠 수도 있고, 성공해 전체 NGS 시장보다 빨리 성장할 수도 있습니다.

이런 투자에는 큰 주가 변동을 견디는 능력과 염기서열 분석 기술에 대한 이해가 필요합니다. PacBio의 장기 성공은 경쟁 솔루션 대비 정확도, 비용, 사용 편의성, 상업적 채택에 달려 있습니다.