미생물의 새로운 가치

• 미생물은 고부가가치 바이오 신소재 산업의 주인공으로서 미래의 보물(TREASURE)이라는 새로운 가치가 부각
  • Technology(기술발전) : 첨단기술 개발의 주역
  • Recycling(자원재생) : 폐기물을 황금으로 만드는 연금술사
  • Eco(환경보호) : 오염된 환경을 회복시키는 환경 치료사
  • Alternative(대체에너지) : 대체에너지 생산의 조력자
  • Safety(안전성) : Green Chemistry, 안전지킴이
  • Utopia(사막화 방지) : 新오아시스의 건축가
  • Resource(유전자원) : 총성 없는 자원 전쟁의 무기
  • Economic(경제적 가치) : 최고의 생산자, ‘바이오리액터’
  미생물의 새로운 가치

Technology 기술발전

첨단기술 개발의 주역

• 생명공학 연구에서 유전자 조작에 활용되는 주요 효소는 대부분 미생물에서 유래
  • 새로운 유전자를 삽입하는데 활용하는 제한효소는 바이러스의 침입에 대항하던 박테리아에서 유래
  • 친자확인 등 유전자분석 과정에서 사용하는 유전자 증폭효소는 화산지대에 서식하던 미생물에서 추출
    • 유전자분석 실험은 일반적으로 60℃ 이상에서 이루어지므로 유전자를 증폭시키는 효소도 60℃ 이상에서 생존하는 것이 중요
• 생명공학기술을 활용하여 미생물이 가지고 있는 유용 유전자를 식물에 삽입함으로써 새로운 개념의 품종이 개발
  • 미생물이 가지고 있는 살충성분을 생산하는 유전자를 옥수수에 넣어 식물의 체액에 살충성분이 함유된 Bt 옥수수를 개발
    • BT(Bacillus thuringiensis)라는 세균은 벌레의 소화기관을 파괴하는 치명적인 독소를 보유
    • 최근에는 Bt 유전자를 도입한 면화 품종도 개발되어 인도를 중심으로 재배면적이 빠르게 늘어나고 있는 추세
  유전자 증폭기(PCR)
  BT 세균
  BT 면화 재배 (인도)

Recycling 자원재생

폐기물을 황금으로 만드는 연금술사

• 뛰어난 분해 능력을 지닌 미생물을 이용하면 축산 폐기물이나 하·폐수 오니(汚泥)1) 등 오염물질의 친환경적인 처리가 가능
  • 런던의정서에 따라 ‘12년부터 폐기물의 해양투기가 전면 금지될 예정이어서 친환경적 폐기 방법의 도입이 필요한 시점
    • 현재 우리나라는 포항 동쪽, 울산 남동쪽, 군산 서쪽 등 세 구역에 폐기물을 투기 중

      ’10년에만 산업폐수 117만 톤, 음식폐기물 110만 톤, 하수 오니 109만 톤, 가축분뇨 106만 톤을 해양에 투기(’11.6.28., 아시아투데이)

• 미생물은 폐기물을 분해하여 바이오 메탄가스나 퇴비로 재생하는 등 폐기물을 자원으로 만드는 연금술사의 역할도 수행
  • 산업폐수 처리 과정에서 발생하는 유기물과 불용성 폐기물 덩어리를 미생물을 이용하여 퇴비화하는 기술이 개발
  • 가축 분뇨를 처리하는 과정에서 발생하는 메탄가스를 전기 에너지로 변환하여 이용하는 기술이 실용화

    우리나라는 ’13년까지 가축 분뇨를 이용한 바이오가스 플랜트 시설 15개소를 설치하여 바이오가스 생산·공급 예정

  개똥으로 밝히는 도시의 가로등

  미국 매사추세츠 주의『Park Spark Project』

  MIT대와의 공동 연구로 개의 분변을 메탄으로 바꾸는 메탄 다이제스트 장치를 개발

  개의 분변을 분해하는 과정에서 방출된 메탄을 전기에너지로 바꿔 공원의 가로등을 점등

Eco 환경보호

오염된 환경을 회복시키는 환경 치료사

• 미생물은 오염된 환경의 독성물질이나 분해가 어려운 물질들을 분해함으로써 환경을 복원할 수 있는 능력을 보유
  • 핀란드에서는 창고 화재로 유출된 제초제 2,4-D 등으로 인한 토양오염 문제를 인근 지하수에 존재하는 미생물로 해결
  • 적조분해 미생물을 활용하면 해양오염 방지 및 적조구제 비용의 획기적 절감이 가능(톤당 비용: 170원 → 0.68원)

    적조에 의한 양식생물 집단폐사로 국내에서도 매년 100억 원 이상의 피해가 발생하며, 적조 구제용 황토 살포로 인한 환경 파괴도 심각

  • 유조선의 침몰 등 해상사고로 인한 원유의 해양 오염 문제에도 미생물을 사용하여 기름을 분해하는 친환경적인 처리방법이 개발
    • 미생물이 기름을 분해하여 해양 정화에 기여한다는 사실이 나이지리아 해안에서 최초로 확인(1933)
    • 엑손 발데즈(‘89), 셰틀랜드(’93), 미국 멕시코만의 원유 유출에 의한 해양 오염 사고(‘10) 해결에도 기름 분해 미생물이 기여

  2010년 멕시코만 기름 유출 사고의 해결사

  사고해역에서 기름을 분해하는 새로운 미생물이 발견

  ’10년 4월 영국 BP사의 원유 시추시설 폭발로 5개월간 총 490만 배럴의 원유가 유출(딥워터 호라이즌 사고)

  유출된 원유로 미국 남동부 950km의 해안선이 오염

  산소를 많이 소모하지 않으면서도 원유(탄화수소)를 매우 빠른 속도로 분해하는 미생물이 인근 해저에서 발견되어 오염지역 회복에 활용

Alternative 대체에너지

대체에너지 생산의 조력자

• 최근 화석연료의 대체재로 각광받고 있는 바이오에너지를 생산하는 과정에도 미생물의 발효가 핵심적인 역할을 담당
  • 옥수수, 감자 등 작물의 전분을 미생물을 통해 발효시키고 이를 정제하여 얻는 것이 1세대 바이오 에탄올)

    곡물로 만드는 바이오에너지는 곡물가격 상승 등 식량 부족문제를 야기할 수 있다는 우려에 따라 곡물을 사용하지 않는 바이오에너지 개발 연구가 시작

• 곡물을 사용하지 않는 2, 3세대 바이오에너지 연구가 시작되면서 미생물은 핵심적인 존재로서 가치가 더욱 부각
  • 목질계 바이오에탄올 생산의 필수단계인 당화과정2)의 경우, 사용되는 효소 가격이 높아 실용화에 한계가 존재
    • 셀룰로오스 분해 능력이 우수한 분해 미생물의 탐색 등 당화 과정의 비용을 낮추기 위한 연구가 세계적으로 활발
  • 바다의 미세조류를 활용한 3세대 바이오에너지 생산 등을 통해 미생물은 에너지원으로도 부각
    • 미세조류는 광합성을 통해 생산한 양분을 지방으로 저장하는데, 저장된 지방을 이용하여 바이오디젤을 생산

  석유 없이 사는 마을, 오스트리아 무레크(Mureck)

  에너지 농사를 짓는 농민들이 모여 사는 세계 최초 에너지 자립 마을

  폐식용유로 만든 바이오디젤 주유소, 나무칩을 이용한 지역 난방회사, 가축 분뇨로 전기를 생산하는 지역전기 회사를 통해 에너지 자립도 170%를 달성

Safety 안전성

Green Chemistry, 안전지킴이

• 화학농약이 환경과 인체의 안전성에 미치는 영향에 대한 인식이 높아짐에 따라 생물농약3)의 중요성이 부각
  • 잔류독성, 환경오염, 저항성 병해충 증가, 친환경·유기농 농산물 수요 증가 등으로 생물농약 시장은 빠르게 성장하고 있는 추세
  • ’10년 세계 생물농약 시장 규모는 전체 농약시장의 4.25%에 해당하는 약 11억 달러로 추정되며 연평균 9.9%의 성장률을 기록

    미국 등 선진국을 중심으로 미생물살충제 50여종, 미생물살균제 100여종, 바이러스성 살충제 30여종 등이 판매 중

• 가축에게 공급해 장내(腸內) 미생물 균형을 개선하고 면역력을 높여 항생제 사용을 대체하려는 미생물 사료첨가제 개발이 활발
  • 가축질병 발생률의 감소와 사료 급여에 따른 성장의 증진으로 가축의 생산성도 향상

    '11년 7월부터 사료용 항생제 사용금지로 미생물 사료첨가제에 대한 관심이 고조

  • 가축 면역능력 향상에 따른 체내 독성물질 분해, 장내독성 제거, 분뇨의 악취 저감 효과도 기대

  미국의 녹색화학 대통령상 수상작이 농약?

  '03년 수상작은 기존 화학농약을 대체할 수 있어 환경부하를 줄이고 잔류독성이 없는 미생물 농약 ‘Serenade’

  미국 환경보호국(EPA) 주관으로 환경 분야의 업적을 기려 매년 대통령이 직접 수여하는 권위있는 상

  흰가루병, 잿빛곰팡이병 등에 효과가 있어 미국, 칠레, 일본, 유럽 등지에서 연간 400억 원 정도의 매출을 기록

Utopia 사막화 방지

新오아시스의 건축가

• 아프리카 등의 식량 증산과 기아 해결을 위한 사막의 농경지화 프로젝트의 일환으로 미생물의 활용가치가 부각
  • ‘90년 이래 600만ha에 달하는 농경지의 사막화가 진행되었으며, 향후 사막화의 속도는 더욱 빨라질 것으로 전망
    • 미국의 최대 곡창지대인 아이오와 주에서는 바람에 의한 토양 침식으로 2020년 경 전체 경작지의 40%가 사막화될 것으로 예상
    • 중국은 국토의 15.9%가 사막이며, 매년 서울 면적의 4배가 넘는 땅이 사막화 되고 있는 황사 현상의 발원지
    • 우리나라는 직접적인 사막화가 진행되고 있지는 않지만, 불규칙한 강수와 아열대성 기후가 나타나면서 사막화 위험성이 증가
  • 이집트의 사다트 시는 일본에서 도입한 미생물을 이용해 사막에서의 농작물 생산 및 농업용수 정화에 성공
    • 사막 지하수의 염분으로 인해 발생하는 치명적인 염해를 미생물을 이용하여 성공적으로 해결

  사막을 녹지로 만드는 미생물

  탄산칼슘 형성 미생물을 이용하여 사막에 물을 담아 둘 수 있는 구조를 형성

  사막은 비가 오거나 물을 인위적으로 가두어두어도 시간이 흐르면 모두 지하로 스며들어 담수화(湛水化)가 곤란

  탄산칼슘 형성 미생물을 활용하면 사막을 자연적으로 굳게하여 물을 가둘 수 있고, 나무심기와 연계하면 사막화 방지 효과가 극대화

Resource 유전자원

총성 없는 자원전쟁의 무기

• 미생물 유전자원의 가치가 부각됨에 따라 이를 확보하기 위한 선진국과 개도국 간의 경쟁이 심화
  • 선진국은 미래의 고부가가치 성장 동력 개발을 위하여 세계 곳곳에서 미생물을 수집하고 특허로 등록하여 독점권을 행사
  • 개도국은 자국의 생물자원을 선진국이 수집하여 이윤을 챙기는 ‘유전자원 해적행위’를 규탄하며 자국의 미생물자원 보호를 강화

    ‘제10차 생물다양성협약당사국 총회’(’10, 일본)에서 타국의 생물 유전자원 사용 시에 제공국에 승인을 받고 발생한 이익은 공유한다는 의정서를 채택

• 우리나라는 신종 미생물 발견 강국으로 ‘05년부터 현재까지 400여 종의 신종 미생물을 보고
  • 우리나라 과학자들이 발견한 신종 미생물에 '독도', ‘한국’, '광양' 등 우리 지명을 활용하여 명명함으로써 자부심을 고취
    • ’04년 독도 앞 바다에서 발견된 ‘Donghaeana dokdonensis’는 새로운 미생물로 ’06년 국제학회에 등록
    • 광양만 퇴적토에서 분리한 ‘Kordiimonas gwangyangensis’는 다양한 산업분야에서 고부가가치성 원료로 활용이 기대
    • 남극 세종기지에서 순직한 전재규 대원의 성과 세종기지의 명칭을 활용하여 명명한 ‘Sejongia jeonii‘ 등도 보고
  • 최근에는 퇴비, 김치, 젓갈 등의 우리 명칭을 활용하는 경우가 증가하고 있어 우리말에서 기원한 학명은 더욱 다양화될 전망

Economic 경제적 가치

최고의 생산자, ‘생물반응시스템(바이오리액터, Bioreactor)’

• 생물체의 체내에서 일어나는 다양한 생화학적 반응을 산업소재 생산에 활용하는 ‘생물반응시스템’에 대한 연구 개발이 증가
  • 기존의 화학공정과 달리 고온·고압조건을 필요로 하지 않으며, 환경오염물질인 금속 촉매 대신 효소 촉매 시스템을 이용
    • 효소는 상온에서도 반응이 일어나 에너지가 절약되며 정밀한 반응으로 불필요한 부산물 발생을 최소화
  • 효소촉매의 경우, 기존의 미생물이 아닌 화산, 심해, 극지 등 극한 환경에서 생존하는 미생물에서 주로 추출
  심해 열수구
  초저온의 극지
  고온의 화산지대
• 미생물을 활용한 ‘생물반응시스템’은 기존의 화학공정에 비해 생산수율이 높아 다양한 물질 생산에 활용이 증가 추세
  • 미생물을 이용하여 충치 예방효과로 유명한 천연감미료 자일리톨(xylitol)을 대량 생산 중

    화학공정에 의한 자일리톨의 생산수율은 50～60%에 불과하며, 촉매로 사용하는 유해 중금속 니켈의 재처리 비용이 증가

  • 비타민을 생산하는 미생물공정은 화학공정에 비해 생산비가 1/4에 불과하며, 환경위해요소는 40%나 감소

미생물의 미래핵심가치 제고를 위한『보물섬 프로젝트』추진

미생물 자원 활용도 제고

• 전체 산업 분야에 걸쳐 활용성이 높은 미생물자원의 다양성 확보 및 미생물 유전자원 강국 실현을 위한 DB 구축이 필요
  • 일반적인 미생물 자원 뿐 아니라 다양한 환경에 서식하는 특수미생물 자원의 확보도 필요
  • 발견한 미생물의 기본정보 뿐 아니라 활용에 관한 정보도 한데 묶은 통합 DB를 구축
  • DB 관리에 있어 ISO 규격에 준하는 관리시스템을 이용하여 국내외 연구진에게 고품질의 미생물자원 관련정보를 제공

융·복합형 R&D 강화

• 전통 미생물산업의 외연 확장을 통한 BT, NT, IT와의 R&D 융복합 분야 기술 개발로 미래 성장동력을 창출
  • 생명공학(BT)과 관련된, 미생물을 활용한 유용물질의 대량생산 체계 개발 및 신약 개발 등의 분야
  • 나노기술(NT)을 활용한 약물전달 시스템, 연료전지 등 첨단 산업 소재 개발 분야
  • 정보통신기술(IT)을 생물정보학(Bioinformatics)에 적용한 통합데이터 분석 시스템 구축 분야

  1만 배의 부가가치, 당뇨병 치료제 ‘보글리코스’

  미생물을 이용해 kg당 20달러인 벼 잎집무늬마름병 방제용 전문약제인 ‘발리다마이신’을 ‘보글리코스’로 전환

  국내 제약사가 당뇨병 치료제로 개발한 ‘보글리보스’는 kg당 20만 달러로 무려 1만 배의 부가가치를 창출

  시판 첫해부터 100억 원대의 매출을 달성

• 미래 성장동력을 발전시키기 위해서 산학연 협력을 통한 산업화 및 산업재산권 확보 연구의 강화가 필요한 시점
  • 미생물 유전자원의 기능성 평가단계에서 다양한 산업적 가치를 검토하고 활용가치를 분석하는 것이 필요
    • 미생물 전문기업과의 상시 협업 네트워크 구축을 통한 사업화 Express Highway 제도 도입 및 인센티브 부여 방안도 고려
  • 사업의 연속성 확보를 위해 3~4개의 산학관연 연구 컨소시엄을 구성하고, 인력, 기자재 등 전사적 자원활용 시스템 구축이 중요

신성장동력 산업 창출

• 미생물 바이오산업은 미래의 블루오션 사업으로 새로운 아이디어를 산업화하여 시장을 선점하는 것이 관건
  • 수소를 생산하는 미생물, 적조현상을 개선하는 미생물, 오염물질을 분해하는 미생물 등의 특수미생물 산업 등이 유망

  ‘네이처’지에 게재된 바이오수소 생산 세균

  국내 연구진에 의하여 수소를 생산하는 세균의 생산기작을 구명하여 바이오수소의 생산 가능성을 확인

  해양 신종세균에 의한 수소와 생체에너지 생산기작을 세계 최초로 규명하여 ‘네이처’에 게재(’10, 해양연)

  바이오수소 생산 단가는 기존 방식의 절반 수준인 1kg당 2달러로 미래 수소생산 주도권 경쟁에 청신호를 제시

미생물산업 육성법 제정 및 제도 개선

• 미생물 자원 활용과 산업화 촉진 및 산업체 지원 대책 수립 등을 담은 농식품부의 ‘미생물분야 산업 육성법’ 제정이 시급
  • 미생물산업 육성과 촉진을 위한 통합 법령(가칭 ‘농수산미생물 산업육성법’)의 입법을 추진
  • 미생물농약과 친환경유기농자재의 목록 공시제, 친환경유기농자재와 토양미생물제제의 인증제도 등을 통합한 시스템을 구축
• 농업분야 미생물산업의 창업 촉진, 수요 창출·확대를 위한 지원
  • 농업용 미생물제제 산업체 육성과 안정적인 수요의 지속적인 창출을 위해 농가 보조사업을 추진
  • 미생물비료 관리규정 선진화를 위한 제도개선 추진 및 미생물 제재 공급 산업체와 지자체의 협력사례 발굴 확산이 필요

통계로 보는 농업

미생물유전자원 보유 현황

국내 미생물산업 현황