합성생물학이란 생물학적 이해의 바탕에 공학적 개념을 추가하여 특정 목적을 위해 새로운 생물학적 시스템을 제작하는 것으로, 생물학, 분자생물학의 이론적 접근을 토대로 기계, 전기, 전자 및 컴퓨터 프로그래밍의 논리적 사고를 필요로 한다.

합성생물학은 생물학적 부품들(RBS, Promoter etc)을 공학적 개념으로 각 연구자들마다 공통된 이름으로 지정하고 부품의 역할과 성능을 점검하여 공통된 약속으로 지정한다. 이렇게 되면 IT나 로봇 분야 등과 같이 생물학자들은 원하는 생물학적 시스템을 Designing하고 설계도면을 그린 다음 원하는 대로 생물학적 부품을 조립하여 새로운 생명체를 만들 수 있게 되는 것이다. 생물학 분야에서도 원하는 정답을 수학적 계산으로 예측한 다음 설계도면을 그리고 각 부품들을 조립하여 새로운 생물 시스템을 만들 수 있다. 이에 합성생물학은 논리적이고 계산적인 산술방식으로 인해 정확히 원하는 결과를 도출할 수 있어 생물학 분야의 큰 혁신을 가져올 것으로 기대되고 있다.

▲ 최근 합성생물학이 부각되면서 최첨단 합성생물학 기반의 생명공학기술을 이용해 인공미생물(세포공장 Cell factory)을 만드는 연구를 수행하는 김선원 교수의 경상대학교 합성생물공학연구실이 주목받고 있다

이소프레노이드의 잠재적 시장 규모는 100조 이상
최근 합성생물학이 부각되면서 최첨단 합성생물학 기반의 생명공학기술을 이용해 고부가 생리활성기능물질, 의약용 물질, 바이오연료, 화학산업 기반화학물질 등을 생산하는 인공미생물(세포공장 Cell factory)을 만드는 연구를 수행하는 경상대학교 합성생물공학연구실이 주목받고 있다. 연구실의 김선원 책임교수는 “연구실에서는 합성생물학의 기반이 되는 이소프레노이드 생산용 플랫폼 기술을 개발하고 있다”면서 “연구의 핵심은 5만 가지 이상의 고부가 이소프레노이드를 효율적으로 생산할 수 있는 기반기술을 개발하는 것”이라고 설명했다. 이소프레노이드(테페노이드)는 현재 규명된 것만 5만 가지 이상으로 자연계에서는 가장 큰 화합물군이다. 택솔, 카로티노이드, 레티노이드(레티놀), 코엔자임 큐텐 등 대부분 고부가 기능성 화합물로 구성된 이소프레노이드는 천연자원으로부터 추출을 통해 소량으로 얻을 수밖에 없다. 이소프레노이드의 현재 시장규모는 20조 이상이지만 공급부족으로 시장규모가 제한되어 있기 때문에 현재 일부 이소프레노이드만 산업화 된 것을 고려하면 향후 100조 이상의 시장규모로 성장할 수 있다. 김 교수는 “이소프레노이드 생산기술은 천연자원으로부터 추출을 통해 기존에는 소량 밖에 얻을 수 없는 고부가 유용 이소프레노이드들의 대량생산을 가능하게 하는 것”이라면서 “연구실에서는 비식용 바이오매스(나무, 풀 등)를 이용해서 차세대 바이오연료 물질을 만드는 3세대 바이오연료 생산기술을 개발하고 있다”고 덧붙였다. 미생물대사공학 및 합성생물학 분야의 국내 선두 연구 그룹으로, 특히 이소프레노이드 생산 연구분야에서 세계 최고 수준에 있으며, 합성생물학 기술 개발을 위해 미국, 합성생물학연구소 소장을 맡고 있는 UC Berkeley의 Keasling 교수와의 공동연구를 수행하고 있고, 그 결과로 이소프레노이드 생산기술 분야에 대한 국제 원천 특허를 획득했다. 특히 국내 최초로 이소프렌 생산 인공미생물 및 이소프레노이드계 차세대 바이오연료 생산 인공미생물 개발에 착수해 각각 세계 선두그룹인 미국 타이어업체 굿이어(Goodyear)와 미국 바이오연료 업체인 아미리스(Amyris)와 기술개발 경쟁을 하고 있다.

기술 개발 위해 세계적 권위자와 공동 연구 진행
세계 석유 소비량은 연간 1.3조 갤런으로 바이오 연료 생산기업은 세계시장의 1%만 점유해도 세계 150대 기업 안에 들어갈 수 있을 정도로 경제·산업적 파급효과가 매우 크다. 이소프레이드계 바이오연료는 차세대 바이오연료물질로, 현재 경상대 합성생물공학연구실과 UC Berkeley의 Keasling 교수팀, 미국의 Amyris 회사가 주도하고 있으며 최근 일본의 도요타 자동차 연구소도 이러한 이소프레이드계 바이오연료 연구 개발에 가세했다. 합성생물공학연구실은 ▲고부가 생리활성기능 물질 생산연구(항산화, 항암효과를 갖는 녹황색 채소에 풍부한 카로티노이드 및 기능성 화장품 원료로 널리 알려진 레티놀 생산 인공미생물 개발) ▲바이오연료 생산연구(식량자원을 이용해 생산하는 에탄올과 차별화된 비식량자원을 이용해 자동차용 가솔린과 비행기용 제트연료를 생산하는 인공미생물 개발) ▲기반화학물질생산연구(화학산업의 쌀로 불리는 석유유래 기반화학물질을 미생물을 이용해 생산하는 연구로 합성고무의 연료인 이소프렌을 생산하는 인공미생물 개발) ▲생체연료전지 개발연구(인체에 삽입되는 의료기기의 전원을 혈액속의 포도당에서 영구적으로 공급하는 생체연료전지 개발) ▲의약용 당 및 당알코올 생산연구(백혈병 치료 및 자가면역 억제기능의 의약용 희귀당 생산연구경험을 바탕으로 당뇨병 환자들을 위한 혈당강하소재인 당알코올 생산 연구) 및 환경오염 예방차원의 친환경 생물소재 개발 연구를 수행하고 있다. 김선원 교수는 “현재 차세대 바이오연료 개발을 위해 미국 3대 핵심 바이오에너지 연구소인 Joint BioEnergy Institute와 공동 연구를 진행하고 있다”면서 “산학협동 및 기술이전을 위해 차세대 바이오연료는 SK에너지(주)와 현재 공동연구(지경부, 산업원천기술개발사업)를 수행중이며, 기반화학물질인 이소프렌은 국내 최대 수요회사인 금호석유화학(주)과의 공동연구를 논의 중이다. 또 혈당강하소재인 피니톨은 솔젠트(주)와 상업화를 위한 생산공정 개발연구를 진행 중에 있다”고 설명했다. NM