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제조업을 혁신할 자연지향설계(Nature Co-Design) 시대 도래

출처 생명공학정책연구센터 조회수 877
발간일 2021-10-12 등록일 2021-10-12
첨부파일

BioINwatch21-68(9.30)●제조업을 혁신할 자연지향설...(339.216 KB)

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BioINwatch(BioIN+Issue+Watch): 21-68

제조업을 혁신할  자연지향설계(Nature Co-Design) 시대 도래


◇ 최근 Boston Consulting Group에서 발표한 ‘자연지향설계: 제조업 혁신 (Nature Co-Design: A Revolution in the Making)’은 합성생물학 딥테크 기반의 제조업 혁신에 관한 내용으로 탈탄소화 시대의 새로운 산업을 이끌어갈 자연지향설계의 중요성과 영향력을 설명 
 
    ▸주요 출처 : Boston Consulting Group, Nature Co-Design: A Revolution in the Making, 2021

▣ 자연에 대한 이해를 바탕으로 자연지향설계(Nature Co-Design) 기반의 정밀한 제조 플랫폼 기술이 부상할 것으로 전망

 ○ 1, 2, 3차 산업혁명이 일방적인 자연·자원을 사용하는 개발이었다면(Nature- using development) → 자연에 대한 이해를 바탕으로 자연 자체를 정밀한 제조 플랫폼으로 활용하는 방식으로 전환 예측(Nature co-design)
  - 자연지향설계는 Design-Build-Test-Learn(DBTL) 전략을 포함한 딥테크(DNA 해독/합성/편집, 정밀발효, 인공지능, 자동화 및 나노 기술 등의 융합)에 기반하며,
  - 특히, 비용이 하락하여 접근성이 향상되고 DBTL 전략의 높은 재현성을 바탕으로 기존에 상상하지 못했던 솔루션 발명이 가능해질 것으로 기대

<자연지향설계의 4가지 특징>

제조업을 혁신할  자연지향설계(Nature Co-Design) 시대 도래.png

출처 : Boston Consulting Group, Nature Co-Design: A Revolution in the Making, 2021


 ○ 합성생물학은 DBTL 전략을 수행하는 가장 진보된 자연지향설계 분야로, 빠르게 DNA를 구축 및 테스트할 수 있는 통합시설인 바이오파운드리 플랫폼 기술은 커뮤니티 전체에 기여 가능
  - 자연지향설계 솔루션은 현재 진행형으로 농업, 식품, 화학, 에너지, 의료, 소재, 생필품 등 광범위한 산업에 영향을 끼칠 전망
    * 자연지향설계는 글로벌 GDP의 40% 이상에 영향을 주어 이는 탈탄소화 시대의 피할 수 없는 경제적 과제이며 엄청난 비즈니스 기회로 인식(OECD, 세계은행)
    * IndieBio에 따르면 2040년까지 세계 경제에 약 100조 달러 가치를 창출할 수 있을 것으로 전망

 [100년 된 에너지 집약적 화학 공정을 혁신하는 자연지향설계 사례]
 ▶ 질소비료인 Habor-Bosh(HB)는 1970년 이후 세계 80억 인구의 식량 생산을 가능케 했지만, 환경오염의 문제점 존재
    * 세계 에너지의 약 1∼2% 소비, CO2 배출량 1% 이상, N2O(CO2 보다 300배 높은 지구온난화 효과) 배출 등
 ▶ Pivot Bio와 Joyn Bio는 식물 뿌리에 직접 질소를 고정하는 박테리아 비료를 상품화하여 세계 암모니아 비료 시장을 혁신하고 막대한 환경적 혜택을 제공

자연지향설계는 폐기물이 원료로 순환되는 새로운 가치사슬을 창조

 ○ 자연지향설계는 과학과 공학의 발전을 통해 솔루션 공간을 확장하고 기존 프로세스의 비효율적인 에너지 흐름을 개선하여 경제성이 강화된 새로운 프로세스를 구축
  - 폐기물이 공급 원료가 되어 제품 생산 프로세스와 경제성이 재정의되는 등 기존 산업의 가치사슬이 붕괴되면서 거의 모든 산업에 영향
  - 생명체의 높은 선택성을 활용하여 분리 불가능한 혼합물 원료로부터 원하는 제품을 정밀하게 생산할 수 있음
    * Pivot Bio와 Joyn Bio는 100년 된 에너지 집약적 HB 공정을 대체하였고, Niron Magnetics는 자연조립 원리를 이용하여 양질의 제품을 만들었으며, Gelfor의 콜라겐 생산, C16 Biosciences의 팜유 대체품 생산이 사례

 ○ 자연지향설계는 원자재로 출발하여 폐기물로 끝나는 기존 선형적 가치사슬 대신 한 공정의 최종 생성물이 다른 공정의 출발점으로 활용 가능
  - 폐기물은 프로세스의 자원이 될 수 있어 생산 공장의 규모와 위치뿐만 아니라 폐기물 근접성도 경제성에 중요한 변수
    * LanzaTech와 Mango Materials는 폐기물을 기본 원료로 사용하고 폐기물이 생산되는 시설을 공동 배치. NovoNutrients와 Kiverdi는 산업용 CO2로 단백질을 생산하고 Carbios는 효소를 이용하여 플라스틱 폐기물을 생분해 플라스틱 전환하고 있으며, Evrnu는 재중합을 통해 면직물 폐기물에서 재생 가능한 새로운 섬유를 생산
 
▣ 자연지향설계는 규모의 확장 보다는 유연성을 증가하는 방향으로 전환

 ○ S-커브를 따르는 미생물의 생장은 일정 규모로 배양되고 나면 특정 한도 넘어서는 성능의 실질적인 개선은 불가능하며,
  - 새로운 솔루션을 위해 생산 유기체나 공급 원료를 교체해야 하는 경우 등 대규모 공장의 낮은 유연성이 문제가 될 수 있음
  - 중앙 집중식 공장은 디지털 전환으로 유연한 프로그래밍이 가능한 분산형 네트워크로 대체되며 엔지니어링된 고효율 유기체와 생산 알고리즘 IP가 기존 대규모 인프라 기능의 일부를 대체
    * 전력은 운영 비용의 최대 15%를 차지하는 중요한 경제성 요소로, 전력 비용을 줄이면 최종 제품에서 10%의 비용 차이가 날 수 있으며, 상온·상압에서 최적화 되거나 고농도 생산 가능한 유기체 또한 비용의 절감 효과를 기대할 수 있음

 

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 출처 : Boston Consulting Group, Nature Co-Design: A Revolution in the Making, 2021

 

○ 스케일업에 대한 단계적인 실험을 수행하는 일반적인 전략이 아닌 최종 상업화 가능한 규모를 먼저 고려한 실험을 수행할 필요
  - 클라우드 기반의 자동화된 생물발효기 공장을 활용하여 해당 유기체가 다른 규모의 발효기에서 어떻게 작동하는지를 빠르게 테스트
  - 정밀발효를 통해 저비용으로 복잡한 분자를 생산하는 미생물을 프로그래밍
    * 정밀발효 비용이 지난 몇 년 동안 기하급수적으로 감소하여 새로운 시장을 형성하고 있으며 현재 식물성 육류 및 유제품 대체품이 주목을 받으며 이러한 추세가 가속화(RethinkX)

<정밀발효 비용 절감 추세>

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출처 : Boston Consulting Group, Nature Co-Design: A Revolution in the Making, 2021


▣ 자연지향설계는 시작 단계에 있으며 성공적인 비즈니스를 위해서는 과학적 지식의 확보, 혁신기술의 융합과 문제 중심의 상상력이 필수

 ○ 30억 년 진화의 산물인 DNA 서열 정보에서 많은 기초 지식이 발굴되어 생물학, 의학 및 농업의 발전을 촉진하고 있으며 컴퓨팅 능력의 발달로 새로운 분자를 in-silico 설계하고 테스트 가능
    * Rahko는 동급 최고의 양자 화학 플랫폼을 구축했으며 이를 활용해 새로운 분자의 발견 및 개발을 시뮬레이션하고 있음. 또한 OTI Lumionics는 양자 컴퓨팅 기반의 시뮬레이션을 사용하여 분자 설계 문제를 해결하고 있음 
  - 하지만 우리가 알고 있는 생물종은 전체의 10∼20% 수준으로, 과학적 지식 확보를 위한 지속적 노력이 필요
    * BioGenome Project에 따르면 전 세계 생물종의 80∼90%는 아직 과학적으로 연구되지 않았고, 1000만∼1500만 종의 진핵생물 중 3,500종만이 완전히 시퀀싱되고 100종만이 "참조 수준"에서 시퀀싱됨

 ○ 딥테크 기반의 성공적인 자연지향설계 기업들은 문제 중심의 전략을 취하고 있으며 비용 경쟁이 아닌 가치를 더하고 문제를 해결하는데 집중할 때 기존 기업이 확고하게 정착한 시장에서도 부가가치 제공 가능
  - 자연지향설계의 리더는 상상력을 통해 "있는 것"의 세계보다 "무엇이 될 수 있는지"의 영역을 탐구해야 하며 그래야만 새로운 기회를 창출하고 "있는 것"을 형성
  - 자연지향설계 역량 확보를 위해 파트너십과 전략적 투자를 통한 생태계 구축이 최선일 수 있으며 정부는 딥테크 스타트업의 초기 위험을 제거하고 사회적 수용성 확대와 비즈니스 생태계의 중간자 역할 수행 필요
    * 1992년 인터넷이 출현할 때 기업들은 TCP/IP 프로토콜을 이해할 필요는 없었지만 전 세계가 연결되는 비즈니스, 모바일 혁명을 예상해야 했음. 자연지향설계에서도 CRISPR와 같은 혁신기술이 ICT 기술과 융합될 때 또 다른 혁명이 일어날 수 있음

<과학적 지식 확보를 위한 지속 노력 필요>

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출처 : Boston Consulting Group, Nature Co-Design: A Revolution in the Making, 2021

▣ 자연지향설계에 대한 논의 중 필수적으로 포함되어야 할 항목으로 비환원주의적 사고와 강력한 윤리 체계의 확립이 중요

 ○ 생물학은 비선형적이며 예측 불가한 복잡성을 가지고 있어 “생물학적” 사고와 함께 비환원주의적 접근이 필요
  - 즉, 자연지향설계 또한 비선형적일 뿐만 아니라 자연에서 변경된 생물학의 의도하지 않은 결과는 거의 되돌릴 수 없는 문제를 발생시킬 수 있어 처음부터 2차, 3차적 영향을 고려한 “생물학적” 사고가 필요

 ○ 음식, 농업, 건강, 패션, 환경과 같은 인간의 삶에 밀접한 영향을 주기 때문에 사실만으로 대중을 설득하기보다는 감성과 합리성으로 투명하게 접근
  - 아티스트, 요리사 및 엔터테이너와의 교류를 통해 사회가 새로운 기술을 흡수하도록 지원하고, 의도하지 않은 반과학적 반발을 피하기 위해서는 더 많은 커뮤니티를 논의에 포함하는 것이 필수적

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