재료, 에너지 및 식품 산업을 위한 바이오테크놀로지 혁명

의료 분야를 넘어선 바이오테크놀로지

바이오테크놀로지 분야의 관심은 주로 의료와 제약에 집중됩니다. 희귀질환과 만성질환을 해결하고, 노화에 대응하며, 암과 감염병을 치료할 잠재력이 있기 때문입니다.

제약은 수익성이 높은 분야이며, 세계적인 대기업 중 상당수가 이 분야에 집중하고 있습니다.

그러나 바이오테크놀로지의 활용 분야는 의료만이 아닙니다. 생물권 전체는 햇빛과 공기를 물질, 식량, 에너지로 바꾸는 나노기계, 즉 단백질과 세포의 집합체라고 볼 수 있습니다. 화석연료 산업도 수백만 년에 걸친 생물 활동으로 만들어진 석탄, 석유, 천연가스를 기반으로 합니다.

유전자와 분자 수준에서 생명현상을 이해하고 제어하는 능력이 발전하면서, 많은 산업 공정이 더 지속 가능한 바이오 기반 기술로 대체될 수 있습니다.

식품 생산

바이오테크놀로지를 직접 적용할 수 있는 첫 번째 비의료 분야는 농업 생산입니다. 유전자변형 작물은 수십 년간 사용되어 왔으며, 지속 가능성을 높이고 논란을 줄이기 위한 개선이 이어지고 있습니다.

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

대표적인 활용은 질병과 해충에 강하거나 가뭄, 폭염, 홍수 등 기후 변화에 더 잘 견디는 새로운 작물 품종을 개발하는 것입니다.

또 다른 방법은 식물 표면과 내부, 토양의 박테리아와 미생물을 조절하는 것입니다. 이를 통해 화학 비료와 농약의 일부를 미생물로 대체할 수 있습니다. 식물 마이크로바이옴을 바꾸는 방법은 다음 기사에서 다뤘습니다. “엔지니어링된 식물 마이크로바이옴—박테리아로 작물을 보호.”

출처: Energy.gov

이 분야에는 여러 선도 기업이 있으며, 대표적으로 Bayer (BAYRY)가 있습니다. 제약과 농업 양쪽에서 사업을 하는 Bayer는 두 산업의 경계가 흐려지고 있음을 보여 줍니다.

이 주제와 Bayer에 대해서는 다음 기사에서 살펴보았습니다. “AI와 유전공학을 통한 농업 혁신 – 재배의 미래” and “미니크로모솜 기술 – 작물 수확량 지속 가능한 성장의 최적 방법?”.

대체 식품

유전자 편집은 새로운 식품을 만드는 데에도 활용할 수 있습니다. 예를 들어, 전혀 새로운 작물처럼 잡초를 작물화하는 방식도 가능합니다.버섯의 유전체를 변경함으로써, 육류와 같은 식감과 맛을 가지면서도 더 나은 건강 프로필을 제공하는 고기 대체품을 만들 수도 있습니다.

바이오연료 및 에너지

수백만 년 전 식물이 화석연료의 원천이었다면, 새로 재배한 바이오매스가 미래의 에너지원이 될 수도 있을까요?

이것이 바이오연료가 제시하는 가능성입니다. 초기 두 세대의 바이오연료는 전통적인 농업 생산물을 활용했습니다. 1^차 세대는 옥수수 같은 식량 작물을, 2^차 세대는 농업 폐기물을 사용했습니다.

하지만 3^차 세대 바이오연료는 식량 생산과 담수 공급에 부담을 주지 않으면서 연료를 더 효율적으로 생산하기 위해 맞춤형 생물을 활용하려 합니다.

바이오연료는 흔히 에탄올이지만, 기름과 유사한 장쇄 지방산, 바이오가스, 수소, 암모니아 등 다양한 분자도 포함할 수 있습니다.

한 가지 방법은 조류를 활용하는 것입니다. 조류는 바다나 해수를 이용하는 사막 시설에서 키울 수 있습니다. 이 가능성은 다음 기사에서 살펴보았습니다. “조류 바이오연료: 차세대 에너지 혁명?”

출처: Exxon

또 다른 가능성은 효모처럼 잘 알려진 생물에 빛을 이용하는 기능을 부여하는 것입니다. 이에 대해서는 다음 기사에서 다뤘습니다. “빛을 사랑하는 효모가 바이오연료 접근 방식을 바꿀 수 있다”.

마지막으로 바이오테크놀로지와 나노기술을 결합하면 4^차 세대 바이오연료가 가능할 수 있습니다. 이를 “광생물학적 태양 연료”라고 부르기도 합니다. 이는 완전한 생물체를 사용하는 대신 나노기술로 생물학적 광합성의 기능을 대규모로 구현하려는 접근입니다.

기후 변화

바이오연료는 지구 온난화 대응과 화석연료 사용 감소에 기여할 수 있지만, 바이오테크놀로지가 도움을 줄 수 있는 방법은 이것만이 아닙니다.

“지구 온난화 솔루션을 위한 바이오테크 주식 투자”에서는 다음과 같은 다른 가능성도 살펴보았습니다.

• 다음과 같은 방법을 통한 탄소 포집: 유전적으로 변형된 나무, 바이오차(탄소를 숯과 토양에 가두는 방법), 다시마 해조류 농장, 철을 이용한 해양 미세조류 비료화 등.
• 농업에서 발생하는 온실가스 배출 줄이기.
• 식물과 동물을 채취하는 대신 생물반응기에서 향료, 향신료, 의약품 등 고부가가치 물질을 생산하는 방법.
• 토지와 수자원에 대한 부담을 줄이기 위한 수직농장이나 실내농장.

출처: Medium

재료 및 산업용 공급품

목재

가장 오래된 바이오 소재 중 하나인 목재는 현대 경제에서도 중요한 재료입니다. 목재와 임업은 2024년 가치가 $1.16T에 달하는 거대한 산업입니다.

나무는 성장 속도가 느리고 세대 간 간격이 길어, 오랫동안 유전공학 프로그램의 적용이 제한되어 왔습니다.

유전적 특성을 개선하면 목재 생산량과 탄소 포집량을 늘릴 수 있습니다.

또한 나무를 이용해 의약품부터 산업용 화학물질까지 새로운 고부가가치 물질을 생산하는 형태의 나무 재배가 가능해질 수도 있습니다.

출처: Modern Agriculture

이러한 개념은 생태계에 대한 이해의 발전과 결합할 것입니다. 혼농임업, 식량 숲, 여러 수종을 최적화해 함께 기르는 임업은 생산성과 생태적 이익을 함께 높일 수 있습니다.

목재는 예상보다 훨씬 뛰어난 소재가 될 수도 있습니다. 연구자들은 알칼리 조건, 고온, 바이오폴리머를 이용해 목재를 다음과 같은 재료로 바꿀 수 있음을 발견하고 있습니다. “강철과 같은 강도와 콘크리트보다 23배 높은 강성을 가진 ‘증강 목재’.

바이오플라스틱 및 바이오케미컬

플라스틱 생산은 화석연료 소비의 상당 부분을 차지하며 주요 오염원이기도 합니다. 그 비중은 2050년에는 석유 및 가스 소비의 20%에 이를 수 있습니다.

미세플라스틱이 다음과 같은 곳에 널리 존재한다는 사실이 밝혀지면서 이 문제의 중요성이 커지고 있습니다. 인체뿐 아니라 빗물에서도 발견되기 때문입니다.

화석연료 기반 플라스틱을 바이오플라스틱으로 대체하려면 많은 화학공학 연구가 필요합니다. 그러나 환경을 회복 불가능하게 오염시키지 않으면서 플라스틱을 계속 사용하려면 이러한 대안의 개발이 중요합니다.

이 분야의 기술적 과제와 최신 혁신은 다음 기사에서 다룹니다. “플라스틱 친환경 대안: 지속 가능성 노력의 핵심 – 생분해성 플라스틱이 해결책인가?”. 주요 기업들은 다음 기사에서 소개합니다. “상위 5대 바이오플라스틱 기업”.

다른 분야에서도 바이오 기반 대안이 개발되고 있습니다. 예를 들어 접착제에서는 독성 포름알데히드를 리그닌으로 대체할 수 있습니다. 또한 대마(비정신성 대마초)로 만든 패널이 건물의 단열에 사용될 수 있습니다.

섬유 소재

연구자들은 누에를 유전적으로 조작해 대량 생산이 가능한 거미줄 단백질 섬유를 만들게 했으며, 보고된 인성은 방탄 조끼에 쓰이는 케블라보다 6배 높습니다. 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 복합기업가 바이오연료 생산에 전념하는 맞춤형 효모를 설계하기 위해 활용할 수 있는 전형적인 기업입니다. 이는 고부가가치 복잡한 화학물질이나 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 Bayer와 협력
• 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: Ginkgo 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 작물화 품종 개발 과정과 농업 로봇에 의한 잡초의 고해상도 스펙트럼 감지에 함께할 자연스러운 후보가 될 것입니다.