Downstream 생명공학 - downstream saengmyeong-gonghag

생명공학은 현재에도 급속히 발전하고 있고, 그 범위는 넓어져가고 있기 때문에 완벽한 정의는 내리기 어려운 상태이다. 그러나 현재의 시점에서 생명공학을 정의하는 것은 지금까지 발전되어 온 바이오기술의 개념과 앞으로의 연구개발의 방향을 파악하는데 에 필요하다.

가장 넓은 뜻으로 "생물의 기능을 이용하는 기술" 이라고 정의하는 것은 간명하고 포괄적인 표현이지만 생명공학의 내용을 이해하는 데에는 조금 불충분하다.

 ​

영문서적에 나타나는 정의의 예를 들면 1995연판 Glazer저 Microbial Biotechnology에 인용되어 있듯이 "Biotechnology의 일반적인 정의는 인류에 있어서 유의한 것을 생산하기 위하여 생물을 이용하는 것이다. 즉, 기술적, 산업적 프로세스에 생물학적인 기구를 응용하는 것이라고도 할 수 있다. 그 속에는, 유전자 공학기술에 의해서, 인간의 손으로 변화시키거나 만들어 낸 새로운 미생물을 이용하는 것도 포함된다." ( U. S. 환경보호청)

여기에서 새로운 미생물(novel microbes)은 새로운 동물, 새로운 식물을 포함하여 새로운(novel organism)으로 하여야 할 것이다.

일본의 1990년 내지 1995년판의 최신간 생명공학서에는 생물의 기능을 조금 더 상세히 "생물이 갖는 유전, 번식, 성장, 자기제어, 물질대사, 정보인식-처리 등의 기능을 인간생활에 유익하게 사용하는 새로운 생물이용기술" 이라고 정의하고, 특히 "인류의 생활, 생존, 환경의 보전에 소용이 되는 생물종, 물질, 기기, 기구 등을 연구, 생산하는 기술"임을 강조하고 있다. 여기에는 기구가 들어 있는 것은 생명공학기술로 인위적으로 만든 형질전환 생물이 환경을 오염시키는가 어떤가를 체크하는 조직적 기구가 필요하기 때문이다. 생명공학은 Bio기술과 같은 뜻이므로 생물산업도 Bio산업이라고 불리어지고, 여기에 따라서 Bio상품, Bio식품, Bio식물 등의 말이 만들어지고 있다.

*핵심기술과 기술특성

현대의 Bio기술은 수천 년의 역사를 가진 종래의 발효나 식물육종의 기술과 구별하여 유전자조작을 중심으로 하는 새로운 Bio기술을 의미하고 있으며 기본적인 핵심기술(Key technology)로서는,

유전자조작기술(유전공학)

세포융합기술(세포공학)

세포대량배양기술(세포배양공학)

바이오리액터(Bioreactor)기술(효소공학)

의 네 가지 기술을 부르는 경우가 많다. 이것들은 서로 별도로 발달한 기술이지만 서로 관련이 되어 있고 또 종래의 과학기술과도 밀접한 관계가 있다.

이 네 가지 기술은 다음과 같은 기술특성을 가지고 있다.

첫 번째 기술특성은 생물의 유전정보를 바꾸는 육종=품종개량의 기술이다. 유전자조작기술이나 세포융합기술이여기에 속한다. 최근에는 특정부위돌연변이기술이나 단백질공학기술이 가능하게 되어 바라는 유전자의 기능을 덧붙이거나 잃게 할 수도 있게 되었다. 세포융합기술도 유전정보의 본체인 DNA를 혼합하는 기술이므로 이것도 육종기술이 된다.

두 번째 기술특성은 육종한 고기능생물을 대량으로 증식하거나, 그 기능을 최대한 발휘시키는 process기술이라는 점이다. 바이오리액터기술과 세포배양기술이 여기에 속한다. 이 기술은 전통적인 발효기술이나 효소이용기술의 연장선상에서 발전하고 있다. 육종기술과 Process기술(downstream process기술이라고도 함)을 조합하여 비로소 Bio기술은 Bio산업으로 발전하여 Bio상품을 만들어 낼 수가 있게 된다.

*과학과 기술

과거 학문의 역사에서 과학과 기술은 확연히 구분되어 있었다. 과학에서 발견한 법칙이나 원리 또는 이론을 기술로서 살려 기술화하여 인간생활에 응용한다고 하는 것이 정설로 되어 있었다. 그리고 기술이 고도로 발전하여서 기술의 영향을 인정하여 과학과 기술은 서로 자극하고 있다고 생각하게 되었다. 그러나 과학은 기술적인 응용을 필연적으로 예상하고 현대의 기술은 응용 적인 면을 통해서 과학적인 이론 연구를 하게 되며, 더욱이 급속도로 발전하고 있는 Bio기술과 같은 첨단기술에 있어서는 새로운 기술개발을 위하여 동시에 새로운 이론적인 측면을 추구하지 않을 수 없게 되었다. 특히 오늘의 관학연구의 실험대상은 고도의 기술을 이용한 소산이며 순수한 자연현상만이 아니다.

예를 들면 고에너지의 거대가속기를 사용하여 비로소 실험대상으로 할 수 있는 소립자와 같이, 또 단백질공학이나 특정부위돌연변이기술에 의해서 만들어진 새로운 기능과 구조를 가진 효소와 같이 과학과 기술은 서로 침투하여 나누기 어렵게 되었다. 단백질공학의 Bio기술은 효소단백질의 구조와 기능의 상관관계를 구명하는 최대의 수단이며 이 연구성과는 효소공학자체의 괄목할 발전일 뿐만 아니라 효소과학-효소화학과 효소물리학 그리고 효소생물학의 엄청난 발전을 가져올 것이다. 생물체가 갖는 우수한 기능을 해명하는 것은 순수기초연구이지만 그것은 동시에 Bio기술에 있어서 Bioprocess의 상류에 속하는 연구이다. 오늘날 과학과 기술은 일체의 관계라고 하여 과학기술이라고 표현하게 되었다.

*생명공학의 본질

생물의 새로운 기능을 이용하는 새로운 Bio기술은 신비한 생명의 지식을 탐구하고 동시에 그것을 응용하고 기술화하여 첨단과학기술을 급속히 발전시켜 나가고 있다. Bio기술 즉 생명공학기술의 계기의 하나는 1973년 미국의 S. Cohen 등의 유전자 재조합 기술의 개발이었다. 시험관내(in vitro)에서 이종의 DNA를 결합시켜서 만들어진 재조합 DNA분자를 생세포내에 도입하는 실험기술을 이용하는 유전자조작기술은 insulin 등 유용물질을 대량을 합성하는 등의 응용 면을 강조하는 의미에서 유전자공학이라고 부르기도 한다. 그런데 재조합 DNA를 만드는 것이 가능하게 되자 생물과학의 기초연구 및 응용의 양면의 연구에 비약적인 진전을 가져오게 하였다.

이들 Bio기술은 DNA정보의 해석을 중심으로 기초유전학 뿐만 아니라 세포생물학, 발생생물학, 면역학, virus학 등의 광범위한 분야의 기초연구에서부터 유전자산물의 공업생산이나 식물육종 등의 실용과 결부된 응용연구에 이르기까지 광범한 범위에서 획기적인 진전을 가져오게 하였다.

Bio기술은 특히 분자생물학 40년의 성과를 응용하고 미생물학, 생화학, 면역학 등의 발전에 힘입어 유전자공학이나 세포공학등의 기술이 개발되었지만 또한 역으로 Bio기술의 발전은 학제분야의 이들 학문을 참신하게 발전시켰다. 생명공학기술은 생명현상을 탐구하는 연구기술이며 생명의 지식을 생산하는 기술이기도 하다.

실제로 유전자 재조합 실험의 혁명적 연구기술의 등장은 의학과 생물학을 크게 변모시키고 있다. 동식물세포의 특정유전자의 cloning(균일한 DNA분자의 집단을 대량으로 얻는 것), 구조해석, 정보발현 등의 연구를 통해서 기초적 학문분야에서는 발생, 분화, 면역, 발암 등의 기구(mechanism)가 유전자 수준에서 해명되고 있고, 산업적 응용 면에서는 insulin, 사람의 성장 hormone, interferon, interleukin 등의 약품, 치즈제조에 사용되는 응유효소 Chymosin 등의 제조, 육종 면에서는 형질전환동물, 즉 외래유전자를 도입한 동물)이나 형질전환식물 등의 육성등 이미 많은 실시사례가 발표되고 있고, 또 의학분야에서는 유전자진단, 유전자치료 등이 시작되고 있다.

생명공학의 본질을 이해하는 데에 있어서 중요한 사실은 새로운 생명공학연구에는 생명현상과 생물기능을 연구하는 순수기초과학연구가 포함되어 있으며 순수기초연구를 통해서 기술개발의 원리를 스스로 추구해 나가야 한다는 것이다. 새로운 생명공학을 연구하는 사람은 생물의 기능과 생명현상에 대한 기초연구를 동시에 수행하여야 첨단 Bio기술의 발전이 가능하며 미지의 생명현상, 생물기능은 과학자나 기술자가 똑같이 추구하고 연구하지 않으면 안 될 공동의 과제이다.

*생명공학

생명공학은 이학, 의학, 약학, 공학, 농학 등의 각 분야에 관계하는 광범위한 학제 적인 분야이며 따라서 생명공학의 발전은 기초적, 학문적 분야에서뿐만 아니라 의료, 건강, 식품, energy, 환경 등의 폭넓은 생물산업분야에 대해서도 혁명적이라고 할 수 있는 변화를 가져오고 있다. Bio산업은 생물체 또는 생물체의 기능을 활용하여 유용한 물자를 생산하는 산업(공업, 농업, 광업 등)을 말하며 일반적으로는 Bio기술을 이용하여 공업적으로 유용물질의 생산 등을 하는 산업을 가리킨다.

한편 electronics 기술 등 타분 야의 기술진보의 성과를 활용하여 단백질공학, 당쇄 공학 등의 보다 첨단적인 Bio 기술이 생겨나고 있다. 이것들은 21세기의 Bio기술 또는 제 3세대의 Bio기술이라고 부르기도 한다. 여기에 대해서 전통적 산업인 양조업, 발효공업 분야의 생물이용 기술을 제 1세대의 Bio기술이라고 한다.

이와 같이 근년 Bio기술을 둘러싼 상황은 크게 변동하고 있고 이와 같은 상황 하에서 21세기의 Bio산업의 비전도 새롭게 검토할 필요가 있다.

지금 우리나라에서도 다양한 분야에서 Bio기술의 공업화가 진전되고 있다. 화학공업(아미노산, 공업용 알코올, 공업용 효소 등), 전기전자산업(바이오센서 등), 자원에너지산업, 환경정화, 의약품공업, 농림축수산업, 식품공업등에 대해서 Bio기술이 어떠한 영향을 미치는가 각 분야별로 검토하고 Bio산업의 비전을 제시할 필요성이 높아지고 있다. 한국의 Bio산업이 진전되고 국제경쟁력이 있는 발전을 이룩하기 위해서는 연구개발을 추진하고 산업기반을 정비하며 선진국과의 국제협력과 교류를 추진하여야 한다.

Bio기술은 기초연구의 성과가 실용화, 공업화에 즉시 반영되기 쉬운 특징을 가지고 있는 점에서 금후 기초연구의 충실을 도모하는 것이 중요하고, 그러기 위해서는 모든 산업기술과 제휴하여 Bio기술의 기초연구를 촉진하는 것이 중요하다. 이것을 구체적으로 실현하기 위해서 산학연의 연구교류를 활성화하고 Bio기술의 기초연구를 추진하여 가는 것이 필요하다.

또한 산업기반을 정비하는 관점에서 지금 세계각국에서 Bio기술의 개발, 공업화가 진전하고 있는 데 Bio산업제품에 관한 정보가 Bio기술을 연구개발하고 Bio산업제품을 생산하는 사람들에게 확실하고 신속하게 제공되도록 data base를 정비할 필요가 있다.

그리고 연구개발의 효율화를 위해서라도 국제협력과 교류를 추진하여야 한다. 인재교류, 정보교류의 추진은 가장 기본적이고 가장 효과적인 국제협력, 교류의 수단이다. Bio산업은 첨단기술산업의 새로운 frontier(미개척분야)를 개척하고 확대하는 데에도 기여할 것으로 기대되고 있다. 이러한 기대에 부응하기 위해서 기초연구를 적극적으로 추진하고, 공업화의 착실한 진전을 도모함으로써 Bio기술의 가능성을 실현하고 한국과 세계의 Bio산업의발전에 기여할 수 있을 것이다.

*사회적 수용성(Public acceptance)

사회적 수용성은 사회에 큰 영향을 주는 문제에 관하여 주민의 동의를 표시하는 것을 말한다. Bio기술은 이미 모든 분야에서 실용화가 진행되고 있다. 따라서 Bio제품이 우리 생활주변에 가까이 오면서 "Bio"에 대한 이미지도 범람하기 시작하고 있다. Bio기술의 실용화의 최대의 문제점은 사회적 수용성에 있다.

지금 급속도로 전개되고 있는 Bio기술연구의 정보가 정확하게 시민에게 전달되고 있다고는 말하기 어렵다. Bio제품이 실용화되면서 Bio기술에 의해 만들어진 제품을 싫어하고 꺼리는 움직임이 일부 소비자단체에서 일어나고 있다. 컴퓨터처럼 눈에 보이는 전자현미경 등의 첨단기술의 경우는 일상생활을 비롯하여 여러 분야에서 활용되고 있어서 이 기술의 유용성 안정성에 대해서 이해를 얻는 일은 비교적 용이하다. 그러나 Bio기술의 경우는 그 성과가 일상생활에 있어서 눈에 뜨이는 기회가 적어서 Bio기술에 대한 일반 시민의 이해가 부족한 것이 현재의 실정이다. 그렇기 때문에 Bio기술의 유용성과 안정성 등에 구체적이고 확실한 정보를 알기 쉽게 제공하여 보급하고, 강연회 등의 계몽활동을 전개하여 Bio기술에 대한 시민의 이해를 깊게 하는 것이 이후의 Bio산업의 건전한 발전을 위하여 필요 불가결하다.

외래유전자를 도입한 식물 또는 동물을 형질전환식물 또는 형질전환동물이라고 한다. 동물에 비하여 식물을 대상으로 한 유전자조작은 더욱 실용화단계에 와있다. 외래유전자의 도입으로 식물의 성질을 바꾸어 신품종을 창조하려는 시도가 활발하다. 이미 유전자재조합을 한 토마토가 미국에서는 슈퍼마켓에서 팔리고 있다. 캘리포니아주에 있는 벤처기업의 칼진회사가 개발하여 "FLAVR SAVE"(훌레-바-세이바-)라는 상품명으로 1994년부터 판매하고 있다.

토마토에는 과실을 완숙시켜서 연하고 무르게 하는 작용이 있는 효소(Pectinase or Polygalacturonase)가 있는데, 이 효소의 유전자를 다른 유전자의 도입으로 작용할 수 없게 만든 것이다. 그 결과 이 형질전환 토마토는 장기간 단단함과 신선도를 유지할 수 있어서 토마토가 완숙한 후에 수확, 유통시킬 수가 있다. 토마토가 아직도 푸르고 설익은 상태로 수확할 필요가 없어지고 맛있는 토마토를 더 오래 보존할 수 있어서 소매단계에서의 폐기율이 적어지는 이점이 있다. 당초 Bio식품에 대한 안정성을 의문시하는 소비자단체로부터 판매에 반대하는 소리가 일어났는데 1994년 5월 미국식품의약국(FDA)에 의해서 안전성에 문제는 없다고 인정되어 미국 내에서 판매가 개시되었다. 이것이 유전자가 도입되어 시판된 작물의 제 1호이다.

유전자재조합기술로 개량한 농작물의 안정성평가의 특별지침이 마련되었다. 이 지침은 유전자재조합 작물을 먹어도 건강에 영향을 주거나 알레르기반응을 일으키는 일이 없도록 안정성 면에서 검사할 시험항목을 의무화한 것으로서 소비자단체나 농작물수출국 등의 의견도 참작하여 각나라 기관마다 지침을 확정하고 있다.

유전자재조합 미생물이 만든 효소로 만든 치즈 등의 Bio식품에 대해서는 이전부터 안전지침이 있었다. 다만 Bio식품의 경우는 외부에서 도입한 유전자가 직접 입에 들어가지 않는 것임에 반하여, Bio작물에서는 재조합체 그 자체를 먹는 것이므로 안전성조사의 기준은 Bio식품보다 한층 더 엄격하게 하여 안전제일의 자세가 요구되고 있다.

생명공학의 혁신기술이 시장에 마찰이나 거부반응이 없이 받아들여져 갈 것인가 하는 것은 시민의 이해를 얻어낼 수 있는가의 여부에 달려 있다. Bio기술이 위험한 기술이 아니라는 것을 받아들이게 하는 것, 즉 Bio산업의 사회적인 식의 획득의 중요성은 Bio식품의 안전성에 대한 연구와 함께 더욱 인식되어야 할 것이다.

*기술평가와 전망

생물체의 기능을 이용하여 유용물질을 생산하는 등 인류사회에 공헌하는 과학기술체계의 총칭으로 불리는 생명공학은 생물체를 이용한 새로운 산업기술로 전자공학(microelectronics), 신소재(new materials)와 함께 금세기 최후의 신기술이라고 평가되고 있고 또 21세기를 개척하고 지탱하는 혁신기술로서 기대되고 있다. 생명공학이 21세기의 Bio기술로서 세계적으로 평가되고 젊은 학도들에게까지 관심과 흥미와 인기가 있는 이유를 생각해 본다면 다음과 같다.

첫 번째 생명공학은 첨단과학기술로서 급속도로 발전하고 있다. 그 발전을 가능하게 하는 것은 생명공학분야가 학제적 분야이며 다양한 학문영역을 포괄하고 있어서, 서로 다른 분야의 전문가의 학제적 협력에 의해서 하나의 학문영역의 전문지식으로는 연구 개발할 수 없는 혁신적 과학기술을 발전시키고 있기 때문이다.

Bio기술의 경우 미생물학 , 생화학, 효소화학, 분자생물학, 유전학, 동, 식물학, 면역학, 생물물리학, 화학, 화학공학, 전자공학, 기계공학, 그리고 의학, 약학, 농학, 식품학 등의 광범위한 각 분야에서 자기 전공의 입장에서 누구나 생물공학에로 접근이 가능하며, 또 공동으로 연구하는 학제적 연구(interdisciplinery approach)는 엄청난 위력을 발휘하여 지금까지 없던 혁신적인 연구성과를 발표하고 혁명적인 기술을 계속 발전시키고 있다. 우리 눈앞에서 전개되고 있는 이 분야의 연구의 역사를 보더라도 유전자공학(유전자조작기술)의 신기술이 대두된 1970년대 초에는 상상할 수 없었던 새로운 개념, 새로운 Bio개술이 끊임없이 연구되고 발표되고 있다.

단백질공학(Protein engineering), 당쇄공학(Glycotechnology), 대사공학(Metabolic engineering), 분자진화공학 또는 진화분자공학(Evolutionary molecular engineering) 그리고 새로운 단백질의 결정구조를 해석하는 구조생물학(Structural biology) 등등 혁신적 Bio기술을 끝이 없이 발전시켰다. 그것은 학제분야가 없는 속성을 가지고 있어서 필연적으로 지금까지 없던 새로운 학문체계 또는 기술체계를 가지고 앞으로도 계속 나타날 것이다.

거꾸로 생명공학의 여러 Bio기술의 발전은 학제분야의 학문의 발전에도 공헌하여 서로 자극하면서 발전의 계기가 되고 근거가 되고 있다. Bio기술의 생물공정(Bioprocess)을 하나의 강의 흐름으로 볼 때에 미생물과 동식물세포의 품종개량(=육종) 또는 배양기술의 개량 등의 상류기술과 그 이후의 모든 생산공정과 분리정제등의 하류기술로 나눌 수 있다. 여기서 upstream은 사실상 순수기초과학연구와 구별할 수 없다. 현대의 생명과학은 그 학문의 속성상 미지의 생명현상 또는 생물의 기능을 추구하고 해명하면서 생명과학의 기초연구도 동시에 진행하고 그리고 새로운 Bio기술을 곧장 개발하고 있다. 생명공학의 발전은 기초적, 학문적 분야뿐만 아니라 의료, 건강, 식품, 자원, energy, 환경 등의 폭넓은 산업분야에 대해서도 선도적 기술로서 혁명적이라고 할 수 있는 변화를 가져오고 있다. 지금까지 대학level의 연구발표에 덧붙여서 기업의 연구팀의 발표가 증가일로에 있는 것도 당연한 추세이다. 현대의 첨단 Bio기술은 본질상 Bioscience의 발전을 동반하고 있고 또한 첨단기술이 과학을 발전시키는 양상을 나타내고 있는 것이다. 이것이 젊은 과학도를 끌어들이고 있는 이유의 하나이다.

두 번째 이유로 생각할 수 있는 것은 현대의 생명공학의 과학기술체계는 그 성과가 곧 공업화된다고 하는 점이다. 현대의 Bio기술인 bioprocess는 품종개량기술인(upstream processing)과 생산기술인 하류기술(downstream)을 포함하고 이 양자는 그대로 밀접한 관계를 가지고 있다. 상류기술은 그대로 곧장 하류기술로 연결되어 그 성과가 곧 공업화되고 그 공업화는 Bio기술의 학제분야의 모든 산업분야에도 폭넓게 확대 적용되는 데에 기여할 것이다.

현대과학의 특징으로서 과학의 기술화까지의 시간이 아주 단축되어 가는 것이 지적되고 있는 데 Bio기술은 그 대표적이 예이다.

1970년대에 들어서면서 최신의 생명공학은 유전자공학과 효소를 두 기둥으로 하여 나타났다. 유전자조작기술(유전자재조합기술)이나 세포융합기술을 기반으로 하는 넓은 뜻의 유전자공학은 그 자체로는 독립한 생산체계가 아니며, 발효법, 효소법 등의 제조 또는 생산기술을 통해서 비로소 실용적인 상품가치를 새로 만들어 낼 수가 있다.

세 번째 이유로 생각할 수 있는 것은 Bio기술은 현대사회가 요구하고 인류가 직면한 문제들을 해결하는 데에 이상적인 기술에 가깝다는 점이다. OPEC(석유수출국기구)에 의한 원유가격의 대폭인상으로 1973년에 일어난 석유쇼크는 세계경제에 큰 혼란을 야기하고 현대산업구조의 취약함을 드러나게 하였다. 그와 동시에 자원과 energy의 낭비에 대해서 반성하는 기회를 인류에게 제공하였다. 유한자원인 석유에 의존하는 불안정한 체질을 개선하는 길은 참신한 에너지 절약형 생산기술에의 전환 이외에는 없다는 것을 알았다. 이 요청에 부응하여 차세대 기술로서 등장한 것이 자원절약, 에너지 절약형의 효율적인 생산체계의 Bio기술이다.

*맺음말

생물의 기능을 이용하는 Bio기술에 있어서 우리는 현재 생물의 기능을 어디까지 알고 있는 것일까? 미지의 생명현상, 생물의 가능의 지식은 우리가 지금 알고 있는 지식에 비하여 너무도 엄청나게 많고 심오하다는 것을 연구자들은 크게 깨닫고 있다.

과학사적으로 볼 때에 18세기에 물리학의 발전에 자극을 받아 영국에서는 산업혁명이 일어났으며, 19세기말에는 화학이 대발전하여 근대적인 화학공업이 일어나게 되었다. 20세기 중엽인 1950년경부터는 분자생물학이 대두하여 급격히 발전하였다. 따라서 분자생물학이 생명현상을 해명하는 생화학, 생물물리학 등과 함께 대발전을 하면 거기에 촉발되어서 새로운 Bio산업도 크게 발전하리라는 것은 당연한 일로 예측이 되었었다.

이미 1970년대에 대두된 두 가지 새로운 Bio기술, 즉 새로운 생물종의 창조를 목적으로 하는 유전자공학과 효소의 고도이용을 목적으로 하는 효소공학은 세계의 주목을 집중시키기에 족했다. 이 두 Bio기술의 최근 20여년의 발전은 산업계에 엄청난 영향을 주었다. 기초적, 학문적 분야뿐만 아니라 선업혁신기술로서 의 약, 농업(식량), 화학공업, 환경 등에 있어서의 Bio기술의 응용은 일상생활의 모든 개념을 변혁하고 있고 그 변혁의 속도는 증가하고 있다. 지금 우리는 생명공학에 의하여 물질적으로도 정신적으로도 큰 변화의 시대에 살고 있다. 우리는 이제 겸허하게 생물에서 배우고, 생물을 이용하는 기술인 생명공학에 대해서 많은 측면에서 근본적으로 이해하는 것은 과학자나 비과학자 모두에게 똑같이 중요한 문제이다.