재료, 에너지 및 식품 산업을 위한 바이오테크놀로지 혁명

의료 분야를 넘어선 바이오테크놀로지

Most of the attention in the BioTechnology sector is directed toward medicine and pharmaceuticals. The reasons are rather obvious: Biotechnologies can potentially eradicate rare and chronic diseases, fight aging, and cure cancer and infectious diseases.

It is a very profitable sector, with many of the largest companies in the world focused on the pharmaceutical sector.

However, this is not the only field of application for BioTechnology. After all, the biosphere as a whole is essentially an assembly of nanomachines (proteins and cells) able to process sunlight and air into material, food, and energy. Even the entire fossil fuels industry is based on the previous millions of years of biological activity creating coal, oil, and gas.

So, our increasing mastery over life, down to the genetic and molecular levels, could soon see plenty of industrial processes replaced by more sustainable biotechnology-powered technologies.

식품 생산

The first non-medical field where biotechnology is directly applicable is agricultural production. GMO crops are now decades old and are quickly improving to become a lot more sustainable and less controversial.

농업 바이오테크놀로지는 2023년 799억 달러에서 2028년 1,196억 달러로 증가할 것으로 추정됩니다.

A straightforward application is the development of new crop varieties resistant to diseases & pests or more tolerant of drought, heat waves, flooding, and other climate disturbances.

Another possibility is changing the bacteria and microorganisms on the plants, inside the plants, and in the soil. This could replace the need for chemical fertilizers and pesticides with bacteria. We discussed how we could change the plant microbiome in our article “엔지니어링된 식물 마이크로바이옴—박테리아로 작물을 보호.”

출처: Energy.gov

In this field, a few leaders have emerged, notably Bayer (BAYRY). The company is a case in point of the blurry line between pharmaceutical and agricultural companies, with activities in both segments.

We discussed this topic and Bayer in our articles “AI와 유전공학을 통한 농업 혁신 – 재배의 미래” and “미니크로모솜 기술 – 작물 수확량 지속 가능한 성장의 최적 방법?”.

대체 식품

Gene editing can also be used to create new types of food. For example, 전혀 새로운 작물 created from weeds can be an option.버섯의 유전체를 변경함으로써, 육류와 같은 식감과 맛을 가지면서도 더 나은 건강 프로필을 제공하는 고기 대체품을 만들 수도 있습니다.

바이오연료 및 에너지

If plants were the original source of fossil fuels millions of years ago, could freshly grown biomass power us in the future?

This is the promise of biofuels. The first two generations of biofuels only used products from traditional farming (1^st generation using food products like corn, the 2^nd generation agricultural waste).

But the 3^rd generation of biofuels is looking to use custom organisms to directly produce fuel much more efficiently while avoiding putting pressure on food production and freshwater supply.

Biofuels are often ethanol but can also include a variety of other molecules, including long-chain fatty acids (similar to oil), biogas, hydrogen, and ammonia.

One option is to use algae, which could be grown in the ocean or in deserts with seawater. We explored this possibility in “조류 바이오연료: 차세대 에너지 혁명?”

출처: Exxon

Another option could be to turn well-known organisms like yeast into photosynthetic machines, as we investigated in “빛을 사랑하는 효모가 바이오연료 접근 방식을 바꿀 수 있다”.

Lastly, a fusion of biotechnology and nanotech could create 4^th generation biofuels. It is also sometimes called “광생물학적 태양 연료“. This would bypass the need for whole organisms and recreate biological photosynthesis at scale through nanotechnology.

기후 변화

While biofuels could be a serious contributor to fight global warming and reduce fossil fuel usage, this is not the only way biotechnologies could help.

In “지구 온난화 솔루션을 위한 바이오테크 주식 투자” we discussed a few other possibilities:

• Carbon capture, including through 유전적으로 변형된 나무, 바이오차(탄소를 숯과 토양에 가두는 방법), 다시마 해조류 농장, 철을 이용한 해양 미세조류 비료화, etc.
• Reducing farming emission of greenhouse gases.
• Producing high‑value compounds like perfumes, spices, and pharmaceutical products in bioreactors instead of harvesting plants and animals.
• Vertical or indoor farmings to reduce pressure on land and water resources.

출처: Medium

재료 및 산업용 공급품

목재

One of the most ancient biomaterials, wood, is still an important material in today’s modern economies. Timber and forestry is a massive industry worth $1.16T in 2024.

Because of their slow growth and time between generations, trees have long been excluded from genetic engineering programs.

Improved genetics could boost wood production and carbon capture.

It could also create novel forms of “tree farming,” where trees are used to produce new valuable compounds, from pharmaceuticals to chemicals.

출처: Modern Agriculture

These concepts will likely be integrated with the progress made in understanding ecosystems, with concepts like agroforestry, food forests, and optimized multi-species forestry boosting both productivity and ecological benefits.

Finally, wood might be a much more potent material than expected. Researchers are discovering alkaline conditions, high temperatures, and biopolymers can turn wood into “강철과 같은 강도와 콘크리트보다 23배 높은 강성을 가진 ‘증강 목재’.

바이오플라스틱 및 바이오케미컬

A large part of fossil fuel consumption, as well as a major pollution source, is dedicated to the production of plastic, which 2050년에는 석유 및 가스 소비의 20%에 이를 수 있습니다.

This is an important problem as we start to realize that microplastics are becoming omnipresent, both in our bodies and even in rainwater.

Replacing fossil-fuel-based plastic with bioplastic is a difficult task, with a lot of chemical engineering still needed. But this can be done and is probably required if we want to keep using plastic without irremediably polluting our environment.

We discuss the technical challenges and some of the latest innovations in this sector in “플라스틱 친환경 대안: 지속 가능성 노력의 핵심 – 생분해성 플라스틱이 해결책인가?”. And the leading companies in this sector in the “상위 5대 바이오플라스틱 기업”.

Bio-based alternatives are also being found in other fields. For example, 접착제에서는 독성 포름알데히드를 리그닌으로 대체할 수 있습니다. Or how 대마(비정신성 대마초)로 만든 패널이 건물의 단열에 사용될 수 있습니다.

섬유 섬유

연구자들은 누에를 유전적으로 조작해 대량 생산이 가능한 거미줄을 만들게 했으며, 이 섬유는 방탄 조끼에 사용되는 케블라보다 6배 더 강합니다. 이는 항공우주 및 군사 분야는 물론 외과용 봉합사에도 활용될 수 있습니다. 거미줄은 로봇 근육에도 사용될 수 있습니다.

오염 정화 및 환경

플라스틱을 먹는 박테리아

플라스틱 오염은 또 다른 방법으로도 해결될 수 있습니다. 프랑스 스타트업 Carbios는 플라스틱을 분해하는 변형 효소를 가진 박테리아를 식별했습니다.

다른 회사인 Epoch Biodesign은 세제, 페인트, 농약, 플라스틱 등을 분해할 수 있는 단백질을 생성합니다.

심지어 식물과 균류도 플라스틱 분해에 기여할 수 있어, 오염 해결을 위한 가능한 솔루션에 추가됩니다.

셰일 오일 폐수 정화

최근에는 인간 건강을 위해 처음 개발된 신흥 바이오테크 분야의 새로운 적용 사례가 나타났습니다.

박테리오파지를 사용함으로써, 연구자들은 셰일 오일 생산 과정에서 발생하는 폐수 오염을 감소시키는 데 성공했습니다. 우리는 이 방법에 대해 “프래킹으로 인한 해를 줄일 수 있는 박테리오파지”에서 자세히 논의했습니다.

멸종된 종 부활

플라스틱 오염이나 기후 변화는 인간 활동의 부정적인 영향 중 일부에 불과합니다. 많은 종이 멸종 위기에 처했거나 수세기·수천 년 전에 멸종되었습니다.

“바이오테크 진보가 촉진한 보전 노력 – 백코뿔소가 최신 수혜자”에서 우리는 인공 번식 및 유전공학의 최신 진보가 백코뿔소와 같은 멸종 위기 종을 구하고, 심지어 털복숭이 매머드와 같은 종을 부활시킬 수 있는 방법을 살펴보았습니다.

출처: Colossal

DNA 데이터 저장

바이오테크놀로지의 새로운 예상치 못한 분야는 데이터 저장일 수 있습니다. 이 분야는 지금까지 반도체가 독점해 왔지만, DNA는 실제로 정보에 대한 매우 높은 밀도를 가지고 있습니다. DNA 정보 밀도는 1.47 테라비트/mm² 또는 950 테라비트/in²이며, 이는 HDD보다 800배 이상 높은 밀도입니다.

또한 비용이 많이 들거나 오염을 일으키는 재료가 필요 없으며, 매우 오랜 기간 동안 안정성을 유지한다는 독특한 장점이 있습니다. 저장에는 에너지 또한 필요하지 않습니다.

비용 감소와 합성 DNA 합성 정확도의 향상으로 고품질 DNA 저장이 가능해졌습니다.

문제는 재료를 읽는 것이 반도체 기판에 기록된 데이터보다 훨씬 복잡하다는 점입니다. 따라서 DNA 저장은 향후에도 주로 아카이브 데이터 및 자주 조회되지 않는 데이터에 제한될 가능성이 높습니다.

DNA 데이터 저장 연합은 최근 설립되었으며, DNA 합성 회사 Twist Biosciences, 유전체 시퀀서 회사 Illumina, 데이터 저장 회사 Western Digital , Microsoft (MSFT ), Lenovo, 그리고 다수의 기타 기업이 포함됩니다.

비제약 바이오테크놀로지 기업

1. Ginkgo Bioworks

이 회사는 특정 적용을 위한 주문형 유기체를 생산하고 있습니다. 여기에는 의료 분야 적용뿐 아니라 다양한 산업 및 소재 과학 프로그램이 포함됩니다.

Ginkgo는 대형 산업 콘글로머리트가 바이오연료 생산에 전념하는 맞춤형 효모를 설계하기 위해 활용할 수 있는 전형적인 기업입니다. 이는 가치 있는 복합 화학 물질이나 오염 제거 방법에도 동일하게 적용됩니다.

Ginkgo Bioworks는 다수의 연구 프로그램 및 파트너십을 통해 적용 분야를 넓혔습니다:

• 칸나비노이드
• mRNA 백신 생산 및 핵산 의약품
• 식품 단백질
• 생물학적 비료 생산 in partnership with Bayer
• 장내 질환을 위한 프로그래머블 미생물
• 미세플라스틱 생물정화
• 생물보안 및 병원체 탐지
• 폐기물 및 오염물 재활용

이 회사는 개발 과정에 대한 선불을 받고, 완제품에 대한 로열티를 통해 수익을 창출합니다.

Ginkgo의 파트너십은 지속적으로 확대되고 있으며, 다음과 같습니다:

• Novo Nordisk와의 파트너십 확대.
• 일본 무역회사 Sojitz Corporation과의 파트너십.
• 극한 저온 환경에서 빙판을 제어하기 위한 신단백질에 대한 DARPA 자금 지원.
• $331M 규모의 Pfizer와의 계약.
• $490M 규모의 Merck와의 계약으로 바이오제약 제조 최적화.
• $406M 규모의 Boehringer Ingelheim와의 계약으로 타깃이 어려운 표적 연구.

Ginkgo Bioworks는 또한 바이오연료 생산 및 미생물학에 관심이 있는 주요 농업 기업들과 파트너십을 맺고 있습니다. 여기에는 Bayer, Cargill, Syngenta, Corteva, ADM, Exacta 등이 포함됩니다.

출처: Gingko Bioworks

2. Bayer Crop Science  (BAYRY)

Bayer Crop Science는 Bayer Global(제약 회사이기도 함)의 일부로, 씨앗 및 형질, 그리고 작물 보호와 관련된 혁신에 집중하고 있습니다.

Bayer의 혁신은 바이오테크놀로지 과학자들이 식물 DNA 내에서 목표 지향적인 개선을 할 수 있도록 도왔습니다.

Monsanto와의 합병 이후, Bayer는 GMO 작물 및 잡초 관리 분야에서도 선두주자가 되었습니다. 이 합병은 고액의 RoundUp 소송 문제를 야기했으며, 그 결과 합병 후 몇 년 동안 회사 주가가 급락했습니다.

전통적인 GMO 종자 시장의 대부분을 장악하고 있으며, 옥수수, 대두, 밀 등 차세대 종자를 위해 CRISPR 활용에도 힘쓰고 있습니다.

Bayer에 따르면, 작물 보호의 이점은 막대합니다. 작물 보호 메커니즘은 전 세계 농업 수확량의 약 30%를 보호하며, 이는 5억 5천만 톤의 식량에 해당해 20억 명 이상의 인구를 부양할 수 있습니다.

출처: Bayer

Bayer는 전통적인 GMO에서 벗어나 가장 큰 합성생물학 기업 중 하나인 Ginkgo Bioworks (DNA ) (DNA)와의 파트너십을 통해 전환하고 있습니다. 이 파트너십은 미생물의 유전자 편집을 통해 화학 비료에 대한 생물학적 대안을 개발하는 데 초점을 맞추고 있습니다.

이 회사는 500개 이상의 새로운 작물 품종을 파이프라인에 보유하고(2022년에는 250개의 새로운 작물 등록) 씨앗 다양성 및 식물 유전자 편집 분야의 선두주자입니다.

또한 Bayer는 기술을 농업에 통합하는 데 선두적 역할을 하고 있습니다. 예를 들어, Bayer는 Microsoft와 파트너십을 체결하여 Microsoft의 데이터 관리 시스템 Azure와 Bayer의 위성, 현장 센서, 드론, 현장 장비 및 토양 센서 데이터를 활용해 진정한 현대식 연결 농장을 구축하고 있습니다.

출처: Bayer

GMOs(전통 및 고급 유전자 편집)와 식물 품종 선택, 그리고 빅데이터를 농업에 통합하는 리더십 덕분에, Bayer는 새로운 가축화 작물 개발 과정과 농업 로봇에 의한 잡초의 고해상도 스펙트럼 감지에 함께할 자연스러운 후보가 될 것입니다.