바이오인

1. 기술의 정의

미세조류(microalgae)란 단세포 형태의 매우 크기가 작은 생물집단으로, 일반적으로 식물성 플랑크톤이라 불린다. 미세조류는 미역, 다시마와 같은 크기가 비교적 큰 다세포 생물집단을 의미하는 대형조류(macroalgae)와 함께 수생 환경에서 광합성을 하는 생물을 총칭하는 조류(algae)의 대표적인 생물집단이다[1]. 미세조류는 현재 10만종 이상으로 알려져 있으며, 2000년대 이후 에너지, 산업소재 생산, 온실가스 저감 분야 등에서 잠재적 가능성을 인정받아 활발한 연구가 진행되고 있다. 특히, 미국 오바마 대통령이 미세조류로부터 화석연로를 대체할 수 있는 대체에너지를 언급하면서 엑손모빌, BP, 바스프, 릴라이언스 등의 세계 주요 기업들이 미세조류 활용 에너지 분야에 집중적인 투자를 하고, 관련 기술 확보에 많은 노력을 기울이고 있다[2].

삼성경제연구소는 미세조류 활용이 확대될 3대 분야로 에너지, 화학, 환경 분야로 정의한 바 있다. 에너지 분야에서 미세조류는 모든 바이오디젤 생산 작물 중 오일 생산성이 가장 우수하고, 식량자원의 에너지화라는 비판에서 자유로울 수 있다. 화학 분야에서는 미세조류를 활용한 다양한 유용물질의 생산 측면에서 장점을 가지고 있는데, 현재는 클로렐라(Chlorella), 스피루리나(Spirulina)와 같은 바이오매스를 직접 활용하는 식품 분야의 산업이 가장 활발히 이루어지고 있고, 향후 바이오플라스틱, 의약품, 화장품 원료 생산 등의 분야로 확대될 전망이다. 환경 분야에서 미세조류는 이산화탄소 흡수 능력이 매우 뛰어나고, 중금속 등이 오염된 토양 및 수질 오염을 정화할 수 있는 능력을 가지고 있어 이산화탄소 저감 및 공장폐수 정화 사업 등의 분야에서 관련 기업의 기술개발 시도가 확대되고 있다.

이러한 관점에서 미세조류는 탄소자원화 광합성 세포공장(carbon utilizing photosynthetic cell factory)이라고 정의할 수 있다. 미세조류는 자기 몸무게의 2배 정도의 이산화탄소를 흡수하여 광합성에 이용할 수 있기 때문에 이산화탄소 저감 능력이 매우 높고, 배양을 통해 여러 가지 탄소 기반의 유용물질을 생산할 수 있는 광합성을 하는 단세포 생물이기 때문이다.

미세조류의 여러 가지 장점에도 불구하고 아직도 미세조류 배양을 통한 바이오매스 생산 과정에서의 높은 생산원가가 항상 미세조류를 활용한 사업화에서 가장 해결하기 어려운 문제로 대두된다. 2005년부터 2012년까지 미국의 많은 기업이 벤처캐피탈로부터 투자를 받아 미세조류 유래 바이오디젤 생산을 시도했지만, 어떠한 기업도 목표치를 달성하지 못했다. 미세조류 산업화의 경제성 문제를 해결하기 위한 전략으로 미세조류 자체 연구, 광생물반응기 설계, 탈수, 분리, 농축을 포함하는 하류공정 및 원가절감 전략 등의 다양한 분야에서 해결 방안이 강구되고 있다[3]. 미세조류 자체 연구에서는 미세조류 분리, 양식 및 특성화 분야에서 효율적 지질 생산 메커니즘 연구 및 지질이 풍부한 미세조류 선별, 대규모 배양 시스템 개발이 중요하다. 현재의 광생물반응기 효율은 약 5~10%로 알려져 있는데, 이를 개선하여 광합성 효율을 높일 수 있는 방안이 필요하고, 하류공정에서 에너지 절약형 공정이 연구되어야 한다. 마지막으로, 원가절감을 위해서 미세조류 바이오매스의 다양한 고부가 소재로써의 활용도를 최대한 높여야 하고, 부산물 등을 새로운 유용 소재로 활용할 수 있는 기술이 개발되어야 한다.

현재 미세조류 기반 바이오디젤의 최소 판매 가격은 갤런 당 10~20$로 화석 연료 기반 디젤과 가격 경쟁력이 떨어지므로, 현재로서는 고부가 소재 중심의 바이오매스를 생산하고, 추출 이후 남은 부산물을 차세대 에너지원으로 다시 활용하는 전략이 많은 관심을 받고 있다. 특히, 클로렐라, 스피루리나와 같은 GRAS(generally recognized as safe) 미세조류는 식품 산업에서 대규모로 배양이 이루어지고 있어 바이오매스 확보 측면에서 산업화가 매우 용이하다. 그리고, 식품 이외의 기능성 소재로는 헤마토코쿠스(Haematococcus pluvialis)로부터 생산되는 아스타잔틴(astaxanthin)을 포함하는 카로티노이드(carotenoids), 피코빌린(phycobilins), 지방산(fatty acids), 스테롤(sterols), 다당체(polysaccarides) 등이 있다[4]. 최근에는 미역, 다시마 등 거대조류에서 생산되던 항비만 카로티노이드인 푸코잔틴(fucoxanthin)을 미세조류에서 생산하는 시도가 이루어지고 있다[5]. 그 외, 항산화 화합물, 화장품 원료, 영양성분, 기능성식품 등의 원료가 되는 새로운 미세조류들이 다양하게 개발되고 있다.

하지만, 기존 미세조류의 단순 배양을 통한 바이오매스 확보 및 이를 통한 고부가 소재 생산 측면에서 경제성을 확보할 수 있는 기술을 개발하기에는 상당한 시간이 소요될 것으로 예상된다. 이를 극복하기 위한 수단으로써 미세조류 형질전환 및 대사공학을 통한 균주 개량 및 생합성 대사 최적화를 통한 고부가 소재 생산 증대 기술이 활발히 연구되고 있다. 하지만 이러한 연구는 10만종이 넘는 미세조류 중 일부 모델 종에 한해서 이루어지고 있고, 실재로 산업적으로 활용 가능성이 높은 GRAS 미세조류에 대해서는 기술적인 제약으로 인해 상대적으로 많은 연구가 이루어지지 않았다. 여기에는 여러 가지 이유가 있겠지만, 식물 세포와는 달리 미세조류는 종 다양성이 매우 크고, 단세포로 이루어져 있어, 세포 성장 속도가 식물세포에 비해 매우 빠르고, 주변 환경 변화에 매우 민감하여 각 종에 맞는 형질전환 시스템 개발 및 형질전환체의 안정적 유지가 매우 어렵기 때문이다.

본 동향에서는 미세조류의 다양한 산업적 응용 분야 중 고부가 소재 산업에 초점을 맞춰 고부가 소재를 생산하기 위한 미세조류 대상 형질전환 기술 개발 동향, 카로티노이드와 같은 고부가 소재 생산을 위한 미세조류 세포공장 개발 및 의약단백질을 포함하는 단백질 생산 미세조류 세포공장 개발 동향에 대해서 살펴보고자 한다.

2. 국내외 동향

가. 국외 동향

2000년대 중반부터 많은 미국의 기업들이 미세조류로부터 바이오매스 생산을 통한 바이오연료 생산량을 예측했고, 이를 통해 많은 투자를 받았다. 미국 정부 또한 많은 예산을 투입하여 관련 기술 개발과 산업을 독려했다. Biofuels Digest사는 2014년까지 미세조류 유래 바이오연료 생산량을 10억 갤런에 달할 것이라고 발표했고, Solazyme사는 2012년까지 미세조류로부터 가격 경쟁력을 갖춘 바이오연료를 생산할 것이라고 약속했다. Algenol사는 2012년까지 멕시코의 Sonoran 사막에서 매년 미세조류로부터 에탄올을 10억 갤런 생산한다고 계획했다. 하지만 지금까지 어느 것 하나 이루어지지 않았다. [표 1]에 기술된 것처럼 현재까지 남아있는 미세조류 관련 기업들은 어쩔 수 없이 향장원료, 영양성분, 사료첨가제, 색소, 특수 오일 등 고부가 소재 생산에 초점을 맞춘 새로운 비즈니스 모델을 수용할 수밖에 없었다.

[표 1] 바이오연료에서 고부가 소재로 사업 모델을 바꾼 미세조류 관련 주요 기업 리스트

<출처 : GTM, A World Mackenzie Business, 2017>

단순히 미세조류를 배양해서 고부가 소재를 생산하는 방법은 필연적으로 경제성 문제에 직면하게 된다. 이러한 문제를 극복하기 위한 다양한 방법 중 제일 적극적이고, 고도의 기술을 요하는 방법이 유전공학(genetic engineering)을 통한 미세조류 균주 개량이라고 할 수 있다. 미세조류 균주개량을 위한 일반적인 방법으로는 형질전환(transformation)이 있는데, 식물 세포의 형질전환 방법과 마찬가지로 미세조류에서도 글래스비드(glass beads)를 통한 교반 방법, 전기충격(electroporation) 방법, 유전자총(particle bombardment) 방법 및 아그로박테리움(agrobacterium) 방법 등이 일반적으로 적용되고 있다. 2000년대 이후에는 Zinc-Finger Nucleases(ZFN), Tranion Activator-Like Effector Nucleases(TALEN) 등과 같은 유전자 교정 방법을 통한 미세조류 균주 개량이 시도되었다.

최근에는 유전자 교정의 최신 기술인 CRISPR associated protein 9(CRISPR-Cas9) 기술이 미세조류에도 적용되어 외래 유전자가 미세조류 게놈(genome)에 남아있지 않은 채 원하는 유전자의 발현 혹은 억제를 통한 미세조류 균주 개량이 이루어지고 있다. [표 2]에 미세조류에서 CRISPR 기술이 적용된 최근의 주요 결과들에 대해 정리하였다[6]. 다양한 방법의 형질전환 방법과 더불어 대사공학(metabolic engineering) 및 합성생물학(synthetic biology) 기술을 형질전환 기술과 조합하여 미세조류로부터 대사경로 혹은 유용물질의 생산을 수학, 통계학적 방법을 통해 최적화하는 연구도 활발히 진행되고 있다. 하지만 동물세포, 박테리아, 식물세포 등과 같이 형질전환 시스템이 다양한 분야에서 오래 전부터 연구된 시스템과는 달리 미세조류 형질전환 관련 연구는 비교적 최근에 시작되었고, 연구 결과도 다른 세포 시스템에 비해 적어 아직까지는 상업적으로 활용되고 있는 연구 성과는 극소수에 불과하다.

산업적 파급력으로 인해 미세조류 형질전환의 일차 타겟은 주로 바이오연료 생산을 위한 생합성 경로가 되었다. 미세조류의 경우 한 번 바이오매스가 생산이 되면 바이오리파이너리(biorefinery) 공정에 의해 바이오가솔린, 바이오에탄올, 바이오디젤과 같은 다양한 형태의 바이오연료로 전환이 가능하기 때문에, 우선 미세조류의 바이오매스 생산과 더불어 지질 생산성 증대에 초점이 맞춰져 유전자 변형이 시도되었다. 미세조류에서 지질 생산을 위한 주요 경로는 malonoy-CoA 합성, acyl chain elongation, TAG(triacylglycerol) 형성의 세 단계인데, 여기에 관여하는 유전자들과 지질 생합성과 경쟁 관계에 있는 phospholipid 생합성 경로 유전자들이 주요 형질전환 대상 유전자이다. 미세조류 형질전환 시스템 개발 분야의 선도 그룹이라고 할 수 있는 기업은 Craig Venter가 설립한 Synthetic Genomics사다. 최근 Synthetic Genomics사와 ExxonMobil사의 협력을 통해 CRISPR-Cas9 유전자 교정 기술을 적용하여 미세조류 난노클로롭시스(Nannochloropsis gaditana)의 오일 함량을 최소 40%까지 증대시키는 연구에 성공하였다.

[표 2] 미세조류에서 CRISPR 기술을 적용한 최근의 주요 논문

<출처 : Biotechnology Journal, 2017>

미세조류 산업에서 바이오연료 생산을 위한 미세조류 바이오매스와 건강보조식품으로 사용되는 클로렐라, 스피루리나에 이어 가장 많은 산업적 규모를 가지고 있는 미세조류 유래 소재는 카로티노이드이다. 미세조류 중 듀날리엘라(Dunaliella salina)가 베타-카로틴(ß-carotene) 생산을 위한 원료로 사용되고 있으며, 헤마토코쿠스가 아스타잔틴 생산을 위한 주요 미세조류로 사용되고 있다. 이 두 카로티노이드를 생산하는 글로벌 기업으로는 이스라엘의 AlgaTechnolgogy사를 비롯하여 Cyanotech사, Fuji사, NBT사, Parry사, Yamaha사, Cognis사 등이 있다[그림 1]. 헤마토코쿠스의 경우 형질전환 시스템이 구축되어 있어 아스타잔틴의 생산량을 늘리기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다.

특히, 헤마토코쿠스는 클로렐라처럼 바이오매스 자체를 식품으로 소비하는 것이 아니라, 추출 과정을 통해서 아스타잔틴을 생산하기 때문에 유전자 변형을 통한 GMO(gene modified organism) 문제에서 비교적 자유로울 수 있다. 카로티노이드 생산 연구를 위한 모델 종으로는 클라미도모나스(Chlamydomonas reinhardtii)가 가장 많이 쓰이고 있으며, 주로 베타-카로틴 생산 증대를 위한 전략 확보가 주요 목적이다. 최근에는 클라미도모나스를 통해 스쿠알렌(squalene)생산을 위한 형질전환 시도도 있었다. 하지만 이러한 시도에도 불구하고 미세조류 형질전환을 통한 유용물질 생산 증대 시도는 좋은 성과를 내지 못하고 있다. 대부분 2배 이상의 생산량을 내는 균주 개발에 실패했다[7]. 이는 카로티노이드 생합성 과정의 속도 조절 단계(rate-limiting reaction)가 여러 개 있기 때문일 것으로 판단되는데, 향후 이러한 문제는 여러 유전자를 동시에 미세조류 게놈에 형질전환 할 수 있는 방법을 시도해야 해결될 것으로 예상하고 있다.

미세조류 형질전환을 통한 고부가 소재 생산의 백미는 아마도 미세조류 기반 백신이나 의약단백질 생산이 될 것이다. 현재 일부 미세조류는 어류 및 동물의 사료로 쓰이고 있다. 따라서 가장 쉬운 접근 방법은 형질전환을 통해 어류 및 동물의 백신 단백질을 미세조류에서 발현시킨 다음 미세조류 자체를 어류 및 동물의 사료로 쓰는 방법이다. 물론 현재로써는 미세조류의 어류 및 동물 사료에 대한 GMO 문제가 인간이 아닌 어류 및 동물을 대상으로 했기 때문에 법적으로 허가가 될 것으로 판단된다. 현재까지 미세조류 형질전환의 용이성으로 인해 미세조류 클라미도모나스가 백신 생산을 위한 host 균주로 가장 많은 연구가 이루어지고 있으며, 그 외 페오닥틸럼(Phaeodactylum tricornutum)과 듀날리엘라 등이 host 균주로써 사용되고 있다. 미세조류에서 생산이 시도된 백신으로는 Hepatitis B surface antigen(HBsAg), Classical swine fever virus(CSFV) structural protein E2, Human glutamic acid decarboxylase 65(hGAD65), White spot syndrome virus VP28 protein 등이 있다[8].

...................(계속)