생명공학기술

생명공학기술(生命工學技術, 영어: biotechnology, BT)

생명공학기술(生命工學技術, 영어: biotechnology, BT) 또는 바이오테크놀로지는 사람의 유전자 DNA를 인위적으로 재조합, 형질을 전환하거나 생체기능을 모방하여 다양한 분야에 응용하는 기술 즉, 생명 현상, 생물 기능 그 자체를 인위적으로 조작하는 기술이다. 생물체가 가지는 유전·번식·성장·자기제어 및 물질대사 등의 기능과 정보를 이용해 인류에게 필요한 물질과 서비스를 가공·생산하는 기술을 말한다.

UN은 다음과 같이 바이오 테크놀로지를 정의하고 있다. "바이오기술이란 생물학 시스템, 생명 유기체, 또는 파생물을 이용하여 특정 사용을 위해 제품이나 프로세스를 만들거나 변형하는 기술적 응용을 의미한다."

유전자 치환이나 세포융합으로 대량 배양한 효소를 사용하여 물질을 합성하는 바이오리액터(bioreactor) 등 생체기능 자체를 응용한 기술에 의하여 자연에는 극히 미량밖에 존재하지 않는 물질을 대량으로 생산하려는 것으로 이미 당뇨병의 특효약 인슐린, 항암제 인터페론 등이 상업화되었다. 의약품뿐만 아니라 화학식품·화학섬유 등의 업종에서도 연구개발이 활발히 진행 중이다. 앞으로는 품질개량, 식량생산(GMO 식품) 등 농업 분야에도 응용될 것으로 기대된다.

20세기 후반에는 유전자에 관한 연구가 급증하였고, 1996년에는 스코틀랜드의 로슬린 연구소에서 이언 윌머트와 키스 캠벨이 핵 이식 기술을 이용하여 복제 양 돌리를 탄생시켰고 그 이후 다른 과학자들이 쥐 소 등으로 많은 복제를 해왔다.

미국에서는 이 분야의 벤처 비즈니스가 성행하고 있다.

한국 정부는 2000년 10월 '바이오산업 발전 방안'을 수립함으로써 생물산업 발전의 기본틀을 마련했고, 기술 개발과 산업화를 양대 축으로 과학기술부·산업자원부·보건복지가족부 등 관계 부처가 추진해 왔다. 2001년 8월에는 IT·NT 등과 함께 5대 차세대 성장산업으로 지정해 2010년까지 G7 수준으로 집중 육성키로 한 바 있다.

생명공학 육성 정책

바이오 기술은 경제성장과 함께 질병 극복(레드바이오), 풍요로운 먹거리 제공(그린바이오), 쾌적한 환경 조성(화이트바이오)를 통해 국민 삶의 질 향상까지 달성 가능한 미래유망분야이다. 2017년 12월 ‘13대 혁신성장동력에 맞춤형 헬스케어, 혁신신약을 선정하고, 2018년 8월 '혁신성장 8대 선도 사업' 중 하나로 '바이오헬스'를 포함하였으며, 2019년 3월 '3대 신산업'에 시스템반도체, 미래 자동차와 함께 바이오헬스를 선정하여 '바이오헬스 국가비전(2019.5.)'을 선포하는 등 정부 주요 정책방향에 바이오 분야를 지속적으로 포함하고 중점적으로 지원･육성하고 있다.

생명공학육성법 개정

2020년 생명공학 분야 정책 수립을 뒷받침할 수 있는 통계 조사와 기술영향평가 등을 시행할 수 있도록 생명공학법이 개정됐다.

생명공학육성법은 바이오 분양의 최상의 법률로, 1983년 제정된 이후 생명공학 분야 육성을 위한 법률적 바탕을 제공해 왔다.

생명공학분야 기술분류

과학기술정보통신부 기준에 의한 과학기술 생명공학분야 기술은 아래와 같다.

기초

• 생물자원탐색기술 - 미생물, 바이러스
• 동식물세포배양기술 - 동식물 세포
• 효소공학기술 - 효소
• 유전체기술 - 유전공학, 당류기 함유 핵산
• 단백질체기술 - 펩티드, 고정화 펩티드, 하이브리드 펩티드
• 항체이용기술 - 면역글로불린

공정

• 생물공정기술 - 효소 미생물 관련장치, 동식물 세포 배양장치, 생물학적 합성, 분리정제
• 측정진단기술 - 측정시험, 조사분석

의약

• 생물의약개발기술 - 신약 후보물질, 단백질 치료제, 치료용 항체, 유전자 치료, 방사선 의약

농업

• 생물농약개발기술 - 생물 농약
• 형질농약개발기술 - 신규한 식물

환경

• 발효식품개발기술 - 알코올 발효 및 장치
• 환경생물공학기술 - 슬러지 처리

산업현황

국내 바이오기업 984개사를 대상으로 조사한 '2017년 기준 국내 바이오산업 실태조사' 결과(2018.12), 국내 바이오 산업 생산규모가 사상 최초로 10조 원대를 돌파한 것으로 나타났다.

생명공학기술의 발달

고대의 생명 공학

(1) 효모를 이용한 발효 기술로 맥주, 포도주, 치즈, 요구르트 등의 발효 식품을 제조

(2) 우량 가축과 종자 선별, 동식물의 여러 형질을 교배하여 더 나은 품종을 얻는 육종법이 발달

(3) 축적된 경험에 의존한 것으로, 효모, 유산균 등과 같은 미생물의 존재는 알지 못함

미생물의 발견

(1) 18세기 후반에 파스퇴르는 알코올발효와 젖산 발효 등 각기 다른 발효에 서로 다른 미생물이 관여한다는 것을 알아냄.

(2) 파스퇴르와 코흐에 의해 미생물이 질병의 원인이 될 수 있다는 사실이 입증됨

(3) 살균법과 멸균법의 개발로 세균 감염을 예방할 수 있게 되었음

(4) 1928년 플레밍이 푸른곰팡이에서 최초의 항생제인 페니실린을 발견하고 1940년대에 이르러 페니실린을 대량 생산할 수 있게 되면서 세균 감염으로 발생하는 질병을 치료할 수 있게 되었고 미생물을 대규모로 배양하여 유용한 물질을 상업적으로 생산하는 길이 열리게 됨.

유전학의 발전과 생명 공학 기술의 발달

(1) 1863년 멘델의 유전 법칙 발견 이후 1900년대 초에 멘델의 유전 법칙이 재발견되면서 유전 현상에 관한 관심이 증가하였고 1926년 모건의 유전자설이 발표됨.

(2) 1928년 그리피스와 에이버리, 1952년 허시와 체이스에 의해 DNA가 유전 물질이라는 것이 밝혀진 후, 1953년 왓슨과 크릭에 의해 DNA의 이중 나선 구조가 밝혀짐.

(3) 1968년 니런버그에 의해 유전 암호가 해독되어 유전자의 형질 발현 원리가 밝혀짐에 따라 모든 생물의 유전 정보 전달 방식과 유전 암호가 같다는 것이 알려지게 됨(DNA를 분자 수준에서 이해하기 시작)

(4) 1973년 플라스미드와 제한 효소를 이용한 DNA 재조합 기술이 개발되면서 유용한 물질을 대량으로 생산할 수 있게 됨(플라스미드와 제한 효소의 발견으로 DNA를 직접 조작하는 길이 열림)

(5) 1975년 세포 융합 기술, 1977년 DNA 염기 서열 분석법, 1983년 DNA를 증폭시키는 PCR 등이 개발됨

(6) 1990년 인간 유전체 사업이 시작되어 2003년 완성되었으며, 1997년 최초의 체세포 복제를 통한 포유 동물이 탄생하여 상업적 이용 단계에까지 이름

생명공학기술의 응용

농축수산물의 개발

1) 형질 전환 생물의 생산

① 형질 전환은 외부에서 들어온 유전 물질에 의해 형질이 바뀌는 현상임.

② DNA 재조합 등과 같은 생명 공학 기술에 의해 교배를 통해서는 나타날 수 없는 형질이나 유전자를 지니도록 인위적인 방법으로 개발된 생물을 유전자 변형 생물(GMO)이라고 함.

③ 낟알이 많이 열리고 병충해에 강하며 생장 속도가 빨라 생산성을 향상시키는데 이용함.

④ B형 간염 백신을 생산하는 감자, 혈액 응고 단배질을 함유한 젖을 생산하는 염소, 잘 무르지 않는 토마토, 해충 저항성 옥수수 등

⑤ 유전자 재조합 생물들이 인체나 가축에게 미칠 영향이 충분히 검증되지 않음.

2) 의약 분야

① 의약품 생산 - 인슐린, 사람의 생장호르몬, 암이나 바이러스 감염 치료제인 안터페론, 혈존 용해제인 TPA, 난소암 치료제인 택솔, B형 감염 백신, 빈혈 치료제인 적혈구 생성 인자(EPO), 혈우병 치료제인 혈액 응고 인자 등 다양한 약품을 생산함.

② 유전자 치료 - 정상적인 유전자를 삽입하여 결함이 있는 유전자를 대체하거나 치료 단백질을 생산하도록 함으로써 질병을 치료하는 유전자 치료 방법이 도입됨. ADA 유전자 결핍으로 인한 중증복합면역결핍증(SCID)

③ 질병 진단 - DNA 칩이나 단백질 칩을 이용하여 유전병이나 원발암 유잔자와 종양 억제 유전자의 돌연변이를 탐색하고 유전자가 암을 유발할 정도로 손상되었는지를 알 수 있으며, 병원균의 감염 여부 등을 진단할 수 있음.

④ 암 치료 - p53유전자는 암 발생을 억제하는 종양 억제 유전자로, 돌연변이가 일어나 이 유전자가 없어지면 정상세포가 암세포로 변함을 알아내고 p53 유전자가 없는 세포는 스스로 자살하도록 하는 항암 물질을 개발

⑤ 줄기세포와 이식용 장기 생산 - 체세포의 핵을 이식하여 만든 복제 배아 줄기 세포나 역분화 줄기 세포를 이용하여 이식용 장기를 만드는 연구와 치료 시도가 계속되고 있음.

3) 환경분야

① 오염 물질의 제거(생물적 환경 정화) - 기름 분해 세균, 합성 세제를 분해하는 미생물, 가축 분뇨의 악취를 제거하는 미생물, 중금속을 흡수하는 식물 등

② 환경 오염 모니터링 - 형질 전환된 미생물 등을 이용하여 환경 오염 정도에 따라 형광의 세기가 달라지게 함으로써 오염 정도를 쉽게 파악할 수 있음.

③ 미생물 농약 - 독성이 적어 생태계에 미치는 영향이 적고 환경 오염의 우려가 적은 미생물 농약을 개발

④ 무공해 청정 에너지 개발 - 형질 전환 미생물을 이용하여 스레기에서 메테인 가스를 대량 생산. 미생물을 이용한 알코올과 수소의 대량 생산 기술 등

4) 법의학 분야

① DNA 지문 - 일란성 쌍둥이를 제외한 모든 사람이 DNA 염기 서열이 다르므로 DNA를 제한 효소로 절단하면 사람마다 서로 다른 DNA 절편이 형성되는데 이를 제한 효소 절편 길이 다형성(RFLP)이라고 함. 이것을 전기영동하면 서로 다른 띠모양으로 분리되는데 이를 DNA 지문이라고 함.

5) 산업 바이오

① 미생물이나 식물로 연료나 플라스틱 등의 화학 제품을 만드는 기술 분야

② 녹말, 밀, 사탕수수, 옥수수 등을 원료로 만든 에탄올, 자연 상태에서 미생물에 의해 쉽게 분해될 수 있는 생분해성 플라스틱 등

10대 바이오 유망기술

한국생명공학연구원 국가생명공학정책연구센터는 플랫폼 바이오(기초‧기반), 레드바이오(보건의료), 그린바이오(바이오농업), 화이트바이오(바이오화학/환경) 분야에서 10개의 바이오 미래유망기술을 발굴했다

생명연은 매년 초 그 해의 10대 바이오 미래유망기술을 선정하고 있다. 2023년 10대 미래유망기술에는 ▲생체 내 면역세포 실시간 분석 ▲AI 기반 인공 단백질 설계 ▲세포 역노화 ▲개임 맞춤형 암백신 ▲임상 적용 가능 유전자편집기술 ▲비침습적 신경조율기술 ▲배양육/대체육 고도화 ▲토양 마이크로바이옴 ▲합성생물학 적용 미생물공장 ▲미세플라스틱 제거 및 모니터링 등이 선정됐다.

이 중 플랫폼 바이오 분야의 '세포 역노화' 기술은 세포 리프로그래밍 등을 통해 세포의 건강을 유지하고, 세포의 재생 능력을 복원해 세포 노화에 의해 발생하는 각종 퇴행성 질환을 근본적으로 치료할 수 있을 뿐만 아니라 건강수명 연장 및 노년 삶의 질을 향상시켜 초고령화 시대에 대응할 핵심적인 기술이 될 것으로 연구진은 전망했다.

이번 10대 미래유망기술에는 디지털 대전환 시대에 필수적인 인공지능(AI)을 활용한 기술과 엔데믹에 대응할 정신건강 문제해결, 환경 관련 기술도 담겼다.

AI 기반 인공 단백질 설계 기술은 AI 기술을 활용해 자연계에는 존재하지 않지만 유용한 기능을 보유한 인공 단백질을 설계해 생명공학, 의약, 소재 분야 등에 폭넓게 활용 가능할 것으로 기대를 모은다.

팬데믹 후, 증가 추세인 정신건강 문제를 부작용과 거부감 없이 회복시키는 '비침습적 신경조율기술'과 플라스틱 사용 급증으로 이슈가 되는 '미세플라스틱의 건강 및 생체영향 평가' 등도 미래유망기술에 포함됐다.

한국생명공학연구원이 꼽은 2023년 10대 바이오 미래유망기술.

참고자료

• 〈바이오테크놀러지〉, 《두산백과》
• 〈생명공학기술〉, 《위키백과》
• 김찬혁 기자, 〈미래사회 견인할 10가지 바이오 유망기술은? 〉, 《청년의사》, 2023-03-06
• 빡공생물, 〈<개념>생명공학 기술의 발달〉, 《네이버 블로그》, 2016-11-08

같이 보기

• 생명공학
• 바이오산업
• DNA

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