4. 생물공학의 현황 -2

지난 포스팅으로 의약 분야, 발효공업 및 식품공업 분야, 화학공업 분야, 에너지 및 환경 분야의 생물공학 현황을 알아보았는데요, 이번 포스팅을 통해 농업 분야, 생화학 분야(조직배양을 통한 유용 물질 생산, 유전자조작 및 세포융합을 통한 대량 배양법)에서의 생물공학의 현황을 이어 알아보도록 하겠습니다.

 

A. 농업 부문

농업 분야에서는 척박한 땅에서 잘 자라는 새로운 작물 품종과 사막과 추운 지역의 질병 저항성이 높은 고품질 다작 품종을 육종하고 활용하는 데 관심이 많습니다. 특히 식물 조직 배양, 유전자 조작 등 유전공학 기술의 도입으로 작물 품종 개량이나 육종을 통해 제초제에 내성이 있는 유전자 변형 생물(genetically modified organism, GMO) 생산에 많은 관심을 기울이고 있습니다. 이에 대한 과거 예를 들어 말씀드리겠습니다. 저렴한 석유화학 산업 부산물을 탄소원으로 사용하여 1950년대부터 단세포 단백질(single cell protein, SCP) 생산을 통해 단백질 자원을 해결하려는 노력이 이루어져 왔습니다. 하지만 생산 시간이 빠른 미생물 세포의 핵산 함량이 높아 안전성 문제가 제기되고 있습니다. 또한 소비자의 거부감과 국가 간 상대적 부의 격차로 인해 개발도상국은 식량 구매력이 부족하고, 글로벌 식량 수급 불균형으로 인한 식량 자원 안정화 등 다양한 요인으로 인해 일부 국가에서는 실질적인 적용이 중단되고 있습니다. 여기서 얻은 것은 소비자들이 식량에 대해 매우 보수적이며, 가능한 한 전통적인 농업 방식으로 얻은 식량만이 소비자의 심리적 구매력을 가지고 있다는 사실입니다. 하지만 일부 소비자들은 이를 거부하고 있지만, GMO 농산물 소비는 점차 보편화되고 있습니다. 따라서 재배 관리가 쉽고 생산성이 높은 작물 품종을 사육하는 것이 매우 중요한 것으로 여겨집니다. 질병 저항성과 다작 가능성이 높기 때문에 지금보다 재배 기간이 짧은 품종을 사육하는 것이 가장 신뢰할 수 있는 방법이 될 수 있습니다. 사육 품종의 종자를 빠르게 발아하거나 발아시켜 초기 성장에 필요한 영양소를 함유하도록 캡슐화한다면 작물 생산 단축에 실용적일 것입니다.

B. 생화학 분야 ⓛ 조직 배양을 통한 유용 물질 생산

발효 공학 기술의 활용 분야로 미생물이 생산하는 대사산물 중에서도 다양한 종류의 유용한 물질이 사용되고 있습니다. 하지만 식물이나 동물 세포를 대량 배양하여 미생물에서 얻지 못하거나 경제성이 떨어지는 고분자 유용 물질을 생산하려고 시도합니다. 일반적으로 진화된 세포는 환경에 잘 적응하는 자연 상태의 세포보다 더 복잡한 고분자를 생산할 수 있으며, 인공적으로 사육된 세포를 이용해 더 유용한 물질을 생산할 수 있습니다. 토양 보존, 비료 적용 기술 개선, 해충 방제 등 농업 기술 개발을 통해 생산성을 향상하는 것을 목표로 합니다.
그러나 전통적인 농업 방식으로는 자원을 확보하는 데 한계가 있습니다. 이를 극복하기 위한 적극적인 방법으로 환경 규제 수경 재배와 원료 또는 가공식품 자원 생산을 위해 공장 내 바이오리액터에 의한 식물 세포 대량 배양 방법을 확립할 필요가 있습니다. 예를 들어 태양 에너지를 변환하여 얻은 유기물인 사료를 가축에게 공급하여 육류를 얻을 경우 사료에 포함된 영양소의 12%만 회수할 수 있습니다. 이러한 우회 생산 방식이 아닌 콩 단백질로 직접 인공육을 만드는 방식을 사용하면 효율을 3배까지 높일 수 있습니다. 또한 농업 방식에 따라 수년이 걸리는 인삼 재배를 세포 배양 탱크에서 생산하면 생산 기간을 단축하여 전통적인 방식에 비해 생산성이 매우 높아질 것입니다. 식물 조직 배양에서 생산 비용 중 주요 문제가 되는 탄소원인 포도당을 얻는 방법을 고려해 볼 때, 버려지는 농업 부산물에 포함된 다량의 섬유질을 효율적으로 분해할 수 있는 균주와 효소의 개발을 통해 할 수 있으며, 광합성 세균 또는 독립영양균을 이용해 바이오매스를 생산할 수 있습니다. 이러한 방법이 실용화된다면 향후 식량 문제를 어느 정도 해결할 수 있는 방법이 될 것입니다.

 

C. 생화학 분야 ②유전자 변형 또는 세포 융합을 통한 세포 증식 및 대규모 배양 방법

살아있는 세포의 기능을 향상하는 방법의 예로는 기존 자연에서 미생물을 분리하여 검색 과정을 통해 우수한 균주를 선별하는 방법, 자외선과 X-선을 이용한 물리적 방법, 돌연변이를 이용한 화학적 방법 등이 있습니다. 학습의 발달로 생물에 대한 유전 정보가 하나둘씩 밝혀지고 있습니다. 세포 융합이나 유전자 조작은 서로 다른 종의 세포 사이에서도 각 세포의 기능에 합류하기 때문에 이전보다 훨씬 더 우수한 기능을 가진 세포의 번식으로 이어졌습니다. 그러나 세포 기능을 향상하기 위해 유전자 조작으로 번식한 세포나 개체는 일반적으로 지금까지 사용된 세포보다 환경 적응력이 약합니다. 따라서 유용한 물질 생산에 있어 생산성이 높고 환경 적응력이 우수한 세포의 번식이 계속되고 있습니다. 동시에 유용한 세포 대량 배양을 위한 발효조와 같은 특수 시설뿐만 아니라 배양 방법도 개선할 필요가 있습니다.

 

지난 3화 포스팅에 이어 4화까지 다양한 분야의 생물공학 현황을 살펴봤습니다. 생물공학을 통해 식량 문제 해결부터 유용 물질 대량 생산으로 의약품 단가까지 줄일 수 있는 부분이 오늘날 인류에게 큰 도움이 되고 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 다음 게시물에서는 생물공학의 미래와 연구 개발의 전망에 대해 알아보며 생물공학의 전반적인 흐름을 정리해 보고자 합니다.