바이오테크
멀티옴믹스는 바이오테크놀로지의 다음 단계입니다
Securities.io를 Google의 선호 소스에 추가
게놈 혁명
지난 20년간 의학 및 농업 분야의 대부분 진전은 게놈 혁명을 기반으로 이루어졌습니다. 살아있는 유기체의 유전 구성을 알게 되면 과학자들은 새로운 치료 표적을 찾고, 귀중한 물질 생산을 최적화하는 새로운 방법을 발견하며, 유전자 편집 덕분에 게놈 자체를 변경하기까지 할 수 있습니다. 이는 이제 큰 비즈니스가 되고 있으며, 첫 번째 유전자 편집 치료제인 Casgevy가 220만 달러의 가격표와 함께 승인되었습니다.
이 혁신을 이끈 것은 게놈 시퀀싱 덕분에 생물학적 과정에 대한 훨씬 깊은 이해입니다. 그러나 게놈은 다소 거친 데이터셋에 불과합니다. 이는 마치 세포 내 각 단백질의 정확한 “맞춤법”을 담은 전체 사전과 같습니다. 하지만 살아있는 세포는 완전한 소설과 같으며, “단어”(RNA와 단백질)가 어떻게 배열되는지가 훨씬 더 중요합니다.
게놈에서 멀티옴믹스로
단일 세포조차도, 그리고 전체 인간 몸은 더욱 복잡하기 때문에 게놈보다 더 진보된 분석 방법이 필요합니다. 그리고 그 방법은 많이 있습니다:
- Transcriptomics: mRNA 분석.
- Proteomics: 단백질 분석, 당으로 인한 단백질 변형(‘전사후 변형’) 포함.
- Metabolomics: 화학 화합물 및 대사 분석.
- Epigenomics: 유전 서열에 영향을 주지 않고 게놈을 변형하는, 즉 ‘후생유전학’.
- Microbiomics: 몸 안이나 표면에 서식하는 모든 미생물 분석.
- Single-cell multiomics: 개별 세포에 대한 멀티옴믹스 분석.
- Spatial biology: 특정 mRNA, 단백질 또는 세포의 위치를 3D로 분석.
이러한 분석 방법은 종종 “단순한” 게놈보다 수십 배 더 복잡합니다. 각각은 다른 방법과 결합되어 살아있는 유기체의 실제 복잡성을 더 잘 파악할 수 있어야 합니다.
결합될 때, 이들은 “멀티옴믹스” 분석을 가능하게 합니다.
멀티옴믹스 데이터 폭발
단백질체학
단백질 분석 능력은 단 10년 만에 수십 배 증가했습니다.
ARK Invest의 로그 스케일 그래프에서 볼 수 있듯이, 이제 수십만 개의 단백질을 한 시간 안에 분석할 수 있으며, 단백질체학 방법은 샘플당 최대 10,000개의 단백질을 구분할 수 있습니다. 샘플당 비용도 꾸준히 감소하여 2011년 1,000달러에서 2023년에는 단 100달러가 되었으며, 연간 23% 감소율을 보입니다.
출처: ARK Invest
이는 암 바이오마커 발견과 정밀 치료 개발을 급격히 가속화했으며, 우리는 이 주제를 심층적으로 조사한 바 있습니다: “정밀 치료로 치료 불가능한 질환을 다루기 – 4조 달러 기회?”.
전사체학
mRNA는 게놈 “사전”에 대한 “사용 설명서”와 같습니다. mRNA의 형태와 양이 실제로 유전자가 세포 내에서 어떻게 발현되고 사용되는지를 결정합니다.
초기 전사체학의 문제는 최소 수천 개, 경우에 따라 수백만 개의 세포를 한 번에 분석해야 했다는 점입니다. 이로 인해 시간적으로 일시적이거나 매우 국소적인 mRNA 변화의 모든 세부 사항이 사라졌습니다.
단일 세포 RNA 분석이 가능해지면서 상황이 바뀌었으며, 이는 암에 대한 우리의 이해를 혁신했습니다. 이를 통해 암을 일으키는 정확한 유전자와 실제로 그 역할을 하는 세포의 하위 유형을 정확히 파악할 수 있게 되었습니다.
출처: ARK Invest
기타 -Omics
비록 더 최근에 등장했지만, 다른 분석 방법들도 그만큼 유망합니다.
공간 생물학은 단일 세포와 서로 다른 세포 및 RNA 또는 단백질이 어떻게 상호 작용하는지를 분석할 수 있게 합니다. 필요시 실시간으로도 가능합니다. 이는 과학 연구의 완전히 새로운 분야를 열어주며, 우리는 이와 관련해 기사 “Spatial Biology: Nanostring vs. 10x Genomics (TXG ) ”에서 더 자세히 논의했습니다.
미생물체학은 장이나 피부에 서식하는 박테리아를 새로운 치료 방법에 활용할 수 있게 합니다. 예를 들어, 자폐 스펙트럼 장애가 최근 장 미생물군과 연관된 것으로 밝혀졌으며, 이는 “미생물군 이식 치료를 통한 자폐 증상 및 장 미생물군에 대한 장기적인 이점을 보여주는 연구”와 일치합니다.
후생유전체학은 예를 들어 암 세포의 유전자 발현을 미세 조정하는 등 정밀 치료의 다음 단계가 될 수 있습니다.
“후생유전학적 회춘”은 노화를 되돌리는 가능성 중 하나이며, 이는 우리 기사 “노화는 삶의 일부 – 그렇다고 우리가 싸움을 포기해야 한다는 뜻은 아니다”에서 논의되었습니다.
멀티옴믹스 데이터를 처리하는 AI
멀티옴믹스 분석 비용 감소와 처리 능력 증가의 결과는 이제까지 없던 방대한 데이터 폭풍입니다. 이는 연구자들이 수동으로 데이터를 검토하여 관련 포인트를 찾기에는 점점 더 벗어나고 있습니다.
다행히도 멀티옴믹스 혁명이 진행되는 동시에 AI는 점점 더 강력해지고 있습니다.
AI, 머신러닝(AI/ML) 및 자동화는 이미 약물 발견을 주도하고 있습니다. 이는 기존 및 잠재적 약물 라이브러리를 AI가 스크리닝하고, “인실리코”로 가능한 결과를 예측함으로써 약물 발견 비용을 크게 절감할 수 있게 합니다. 이러한 효과만으로도 정밀 치료 분야는 향후 7년 동안 연평균 26% 성장률(CAGR)을 기록하여 2023년 약 8200억 달러에서 2030년 약 4.5조 달러로 확대될 수 있습니다.
출처: ARK Invest
하지만 약물 발견은 첫 번째 단계에 불과합니다. AI는 새로운 분자나 단백질의 화학적 특성을 예측하는 데에도 활용될 수 있습니다. 예를 들어 Microsoft의 AI 도구 “Distributional Graphormer”가 있습니다.
출처: Microsoft
AI는 살아있는 세포나 동물에 테스트하지 않고도 분자가 독성인지 예측할 수 있습니다. 이는 자동화와 결합되어 대규모 실험을 수행할 수 있으며, “Organ-on-a-chip” 시뮬레이션이나 자동화된 실험(자동 액체 처리, “invivomics”, 또는 미세합성) 등을 포함합니다.
마지막으로, AI와 IT 통합은 임상 시험 설계를 개선할 수 있으며, 보다 적응형 시험, 더 많은 바이오마커 추적, 혹은 분산형 시험까지 가능하게 합니다.
출처: ARK Invest
멀티옴믹스 주식
1. Pacific Bioscience (PacBio)
PACB 가격 차트
게놈 시퀀싱 산업 선두주자 Illumina가 설립된 몇 년 뒤에 시작된 PacBio는 그 이후로 게놈 시퀀싱 분야에서 규모가 작은 플레이어였습니다. 규모는 작지만, 회사의 장비는 최고 수준의 성능을 유지하고 있습니다.
또한 8th ARK Genomic Revolution ETF의 8번째로 큰 보유 종목입니다.
PacBio는 2021년에 Omniome을 인수하여 매우 긴 혹은 짧은 유전 서열을 읽는 정확도에서 이점을 얻었습니다. 이 이점은 이후 2023년 8월에 1억 1천만 달러에 Apton을 인수하면서 강화되었으며, Apton은 짧은 읽기, 고처리량(SR-HI)을 전문으로 합니다.
출처: PacBio
PacBio의 Onso 시스템은 이제 고객에게 출하를 시작했으며, 회사는 이를 “PacBio 역사상 최고의 시작”이라고 설명했습니다. 이 시스템은 짧은 서열에 특화될 것이며, Revio HiFi 시스템은 긴 서열을 읽고 24시간 연속으로 작동하여 연간 1,300개의 전체 인간 게놈(하루 약 4개)을 읽을 수 있습니다. 이후 Revio HiFi는 HT SBB 시스템으로 교체될 예정이며, 이는 Apton 기술을 통합할 가능성이 높습니다.
PacBio는 긴 서열이 전체 NGS(차세대 시퀀싱) 시장보다 훨씬 빠르게 성장할 것으로 예상하며, 자사 시스템이 경쟁사보다 10배 더 정확하다고 주장합니다.
출처: PacBio
흥미롭게도, 이는 게놈 시퀀싱 전체 비용을 낮출 수도 있습니다. 너무 기술적인 설명은 피하자면, 짧은 서열은 전체적인 형태로 재조립되어야 합니다. 따라서 500달러짜리 짧은 읽기 게놈은 실제 진단 도구로 활용되기 위해 추가 분석이 필요해 총 1,500달러가 소요될 수 있습니다.
따라서 950달러인 Revio 장 서열 분석은 이 과정을 생략하여 진단용으로 더 저렴합니다.
PacBio가 고정밀/장 서열 분석에 집중하는 것은 향후 몇 년간 진단 분야에서 경쟁 우위를 제공할 것입니다. PacBio 경영진은 이를 통해 인간 게놈 분야에서 현재 5%인 시장 점유율을 10%로, 종양학(암) 분야에서는 1%를 5%로 확대할 수 있다고 믿고 있습니다.
PacBio는 주로 수십 년간 이어온 Illumina와의 경쟁에 집중하고 있지만, 진단/장 서열 시장에서 Oxford Nanopore와도 경쟁해야 할 수도 있습니다.
2. 10x Genomics Technology
TXG 가격 차트
10x Genomics는 공간 생물학 분야의 선두주자로, 3D에서 게놈과 전사체를 연구하여 세포 수준 혹은 세포 내 수준에서 유전자의 활동을 시각화할 수 있게 합니다.
이 회사는 2012년에 설립되었으며, 설립자 중 한 명인 Serge Saxonov는 개인 맞춤형 게놈 테스트 회사 23andMe의 연구개발(R&D) 책임자였습니다.
또한 12th ARK Genomic Revolution ETF의 12번째로 큰 보유 종목입니다.
10x Genomics는 R&D(현재까지 10억 달러 이상 투자)와 인수를 혼합하여 다양한 -omics 분야로 확장했습니다. 특히 2018년에 Spatial Transcriptomics를 인수함으로써 조직 공간 전사체학을 위한 Visium 플랫폼을 확보했습니다.
이는 2020년에 Readcoor와 Cartana를 인수하여 단일 세포 시각화를 위한 Xenium 플랫폼을 확보한 방식이기도 합니다.
2020년에는 Chromium 플랫폼을 출시했으며, 다음 해에는 Chromium X로 업데이트하여 단일 세포 RNA 시퀀싱에 활용했습니다.
2021년 Tetramer Shop을 인수함으로써 10x Genomics는 2022년에 BEAM(Barcode Enabled Antigen Mapping)를 출시했습니다. 이는 연구자들이 면역 시스템의 구성 요소를 상세히 식별할 수 있게 하며, 면역 및 새로운 질병 연구에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.
10x Genomics acquisitions timeline- 출처: 10x Genomics
이 회사는 또한 2023년 9월에 주요 경쟁사인 Nanostring에 대한 중요한 승리를 거두었습니다. Nanostring은 현재 10x Genomics 특허를 침해했다는 이유로 EU 대부분에서 CosMx Spatial Molecular Imager(SMI) 기기 판매가 금지되었습니다.
이로 인해 Nanostring이 파산을 신청하고 2024년 2월에 잠재적 매각을 모색하고 있다는 발표가 있었습니다.
NanoString은 10x Genomics가 “공공의 이익에 해를 끼치는 다양한 공간 생물학 플랫폼의 경쟁 구도를 축소하려는 명백한 목표”로 소송을 제기했다고 비난했습니다
전반적으로 10x Genomics는 단일 세포 전사체학 및 항원 매핑을 포함한 공간 생물학 시장에서 확고한 선두를 구축할 수 있는 위치에 있는 것으로 보입니다.
이 회사는 아직 초기 단계에 있으며, Illumina와 Pacific Biosciences의 초기 시기와 다소 유사합니다. 현재 공간 생물학은 학술 및 기초 연구 영역에 국한되어 있지만, 많은 바이오테크와 마찬가지로 언젠가 널리 보급되어 점차 의료 도구가 되고, 결국 “일상적인” 검사로 자리 잡을 수 있습니다. 어쨌든 설치된 장비가 늘어남에 따라 소모품 판매와 매출 성장이 촉진될 것입니다.
