미래농업의 큰 축, 생명공학

• 우리나라의 안정된 식량을 확보하고 농업의 부가가치를 높여 대외 경쟁력을 갖출 수 있는 분야로 7개 분야가 지목
  • ‘Red Bio-tech'이라 불리는 의료, 바이오신약 분야에서는 가축을 이용한 인공장기 및 신약물질 생산과 우수 가축 육종 등이 유망
  • 대부분 농업기술과 관련된 ‘Green Bio-Tech'에서는 우수작물의 품종 육성, 기능성물질을 생산하는 형질전환 작물 등이 유망
    • 또 다른 한 축인 식품 분야는 기능성 물질 개발과 기능성 식품시장 확대와 더불어 투자도 증가 추세
  • ‘White Bio-Tech' 분야는 바이오에너지, 생물유래 촉매, 바이오고분자 등 산업소재 개발
    • 다양한 응용이 가능하면서도 산업재산권 선점이 용이한 유전자의 염기서열, 기능 등의 기초기반 기술도 포함
    • 유전자, 생화학 등에 대한 기초 연구와 생명공학기술에 다른 학문이 융복합된 최신 학문 시스템생물학, 합성생물학 등
  

Red-Bio

고단백 식품에서 생명을 주는 동물로

• 생명공학기술에서 경제적 가치로 가장 주목받는 분야 중의 하나는 사람의 장기를 대체할 수 있는 인공장기의 개발
  • 장기 이식은 중환자의 기능을 정상화 시키는 유일한 치료법으로, 시장 규모가 ‘15년에는 6조원에 이를 전망
  국내외 장기 이식 대기자 현황 (’10, 생명공학정책연구센터) (단위: 명)
  • 바이오장기와 관련한 국내외 기술 개발은 아직 초기 단계이나, 최근 동물복제기술, 줄기세포 등의 연구에 힘입어 가속화 추세
  • 돼지 등 동물의 장기가 인체에서 거부반응을 일으키지 않도록 하는 것이 바이오 장기 실용화의 핵심

    인간에는 없으나 포유류가 지니는 알파갈(Gal T) 유전자 등이 바이오장기를 통해 체내에 들어와 생기는 거부반응을 없애기 위한 연구가 활발히 진행

  지노, 믿음이, 그리고 소망이

  농촌진흥청은 인체 거부반응 없는 바이오 장기 생산용 복제돼지들을 개발

  ’09년, ’10년에 급성 체액성 면역거부반응 관련 유전자를 제거한 복제돼지 지노와 믿음이가 탄생하였으며, ’11년에는 급성 혈관성 면역거부반응 관련 유전자를 제거한 소망이가 탄생

  앞으로 지노와 믿음이, 소망이를 적절히 교배시켜 체액성, 혈관성 면역거부 반응을 모두 제거한 바이오 장기 생산용 복제돼지가 탄생할 것으로 기대

의약용 소재를 생산하는 동물, 생체공장

• 유용한 단백질을 의약용으로 개발하여 질병 치료와 예방에 사용하려는 바이오의약품 분야가 세계적으로 거대한 시장을 형성
  • 세계의 바이오의약품 시장은 매출액 기준 167조 원 규모로서, 연평균 17% 이상 성장(‘10, 지식경제부)
    • 효능과 안전성을 예측하기 쉽고, 성공 가능성이 기존 의약품보다 높아 80년대부터 다국적기업에서 집중 투자
  • 형질전환동물1)을 이용하여 의료용 단백질을 생산할 경우, 바이오의약품의 생산 단가를 크게 낮출 수 있음
    • 기존 방법에 비해 동물의 오줌, 알로부터 바이오 의약품을 생산할 경우, 생산비가 크게 낮아질 것으로 기대

      우리나라도 락토페린 생산 젖소(한국생명공학연구원), 빈혈증 치료제 생산 돼지, 혈우병 치료제 생산돼지(농촌진흥청) 등을 개발

  락토페린 생산 형질전환소
  면역억제 형질전환 돼지
  형광색을 내는 형질전환 닭

유용한 가축을 육종하는 생명공학기술

• 사람들의 식성이 서구화되어 감에 따라 세계적으로 육류소비가 급격히 증가하고 있어 이를 뒷받침하기 위한 기술의 발전이 요구
  • 가축 육종으로 EU 농가가 얻은 경제적 이득은 2조3,000억 원에 이르며, 수출한 가축까지 포함하면 2배 이상(‘06, FABRE)
  • 기존육종에 비해 육종의 시간과 효율을 획기적으로 향상시켜 우수 가축의 육성․보급에 기여

    유전체를 이용한 씨수소 선발로 기간 약 2년 단축, 비용 50% 절감, 개량속도 30% 이상 가속 효과(‘05, 캐나다 씨맥스社)

• 유전체학의 발전으로 필요한 특성(맛, 성장 속도 등)과 관계되는 요인을 파악하기 용이해 짐에 따라 맞춤형 가축육성도 가능
  • 한우의 맛을 좋게 한다든지, 한 마리에서 얻을 수 있는 고기량을 늘릴 수 방향으로 육종이 가능

    지방합성효소를 합성하는 FASN 유전자에 의해 한우 맛의 핵심인 마블링을 구성하는 올레인산 조성이 변화함을 발견(’10, 농진청)

  • 지구 온난화에 대응한 가축 개발 및 구제역 등의 질병에 강한 가축 육성연구에도 유전체 정보가 활용

    미 농무성 농업연구부(ARS)에서는 유전체 정보를 이용하여 질병에 강한 육우용 씨수소 후보를 선발하기 위한 연구가 진행

  수입 쇠고기에 속지 마세요

  FTA 등으로 수입육, 낙농제품의 수입이 늘어날 경우를 대비하기 위한 기술이 개발되어 실용화

  기존에 비해 진단 시간을 기존 2～3일에서 3시간 이내로 단축한 한우판별 진단 시스템을 개발 보급

  송아지 때부터 우수가축 선발이 가능한 기술도 개발

• 최근에는 곤충으로부터 소화효소, 의료용 신물질 등 유망한 산업 소재가 발견되면서 곤충이 새로운 고부가가치 산업자원으로 부상
  • 세계 곤충산업 시장규모는 ‘07년에 11조원 규모이며 ’20년에는 38조원 까지 늘어날 전망(함평 세계나비곤충엑스포 발표자료)
    • 발견된 물질은 농업, 의학, 에너지 등 활용도가 매우 다양하여 산업적 가치가 매우 높은 것으로 평가

      우리의 곤충 연구는 선진국의 80% 수준이며, 투자도 매우 미약

Green-Bio

제 2의 골드러쉬, 차세대 종자산업

• 전 세계 종자시장의 규모는 약 70조원 이상으로 평가되고 있으며, 대부분의 시장을 다국적 기업이 점유
  • 세계 종자시장의 67%를 몬산토, 신젠타, 파이오니어 등 10대 글로벌 종자 기업이 점유

    국내 종자 산업은 1조원 규모로 세계 시장의 1.5%에 불과

    • 종자산업은 1,000배 이상의 부가가치를 창출할 수 있는 산업으로, 로열티와 식량안보차원에서도 기술개발이 시급
• 우수한 종자는 대부분 5년 이상의 수명을 가지기 때문에 우수 종자의 개발과 자체기술력의 확보는 엄청난 경제적 이익과 직결
  • 세계 최고 수준의 전통육종기술과 생명공학기술을 결합한 고유의 기술력을 확보할 경우 국제경쟁도 가능

    
    

    • 우수한 품종개발 기술력의 확보는 농업 전반의 경쟁력을 높이는 一石八鳥의 효과
  
  • 참다래, 장미, 백합 등의 외국 품종에 대해 매년 100억 원 이상 지출되는 로열티를 대체하기 위한 연구가 진행
    • ’12년부터 품종보호제도 전면시행으로 외국 품종에 대한 로열티 지출의 증가가 예상되어 연구가 시급

      딸기의 경우, ’05년까지 거의 외국 품종을 재배했었으나 ‘설향’, ‘매향’ 등 국산품종을 개발·보급하여 현재 시장의 70% 이상을 점유

  제스프리사(社)의 참다래
  종구를 수입하는 백합
  일본품종을 밀어낸 ‘설향’

산업소재용 형질전환작물 개발

• 유용형질 개발을 위해 생명공학기술을 이용하여 관련 유전자를 도입한 GM작물2)의 개발과 상용화가 점차 확대
  • 미국 Calgene사의 늦게 물러지는 GM 토마토(’94) 개발 이후, 몬산토, 신젠타, 듀폰 등 다국적 기업 중심으로 개발·상용화

    
    

    • 1세대 GM작물3) 중심으로 해마다 재배 면적이 10% 이상 증가
  GM작물 재배면적 증가율
  • GM작물에 의한 농업의 편이성, 수확량 증가, 농약 사용 감소 등으로 1996-2010년까지 14년간 농가소득은 647억 달러 증가
  • 우리나라도 GM작물의 산물을 다량 수입하여 활용하나, 국내에서 개발되어 재배되는 GM작물은 전무
    • 국내에는 가공용, 산업소재용으로 주로 수입되며, 유전자의 지적 재산권 확보가 미약하여 경쟁력도 매우 미약한 형편
• 우리 국민정서를 고려하여 직접 먹지 않는 기능성 물질, 백신 생산 등 고부가가치 작물 중심으로 개발이 추진 중
  • 건강 증진, 병 치료와 예방 등에 유용한 고부가가치 기능성물질을 함유한 GM작물 개발이 활발
    • 비타민A 결핍을 해결하기 위해 베타카로틴을 합성하는 유전자를 도입한 ‘황금벼’를 세계에서 두 번째로 개발
    • 심장질환 등의 예방에 필수적인 레스베라트롤을 합성하는 벼, 대장암 예방 백신 토마토, 간염 예방 백신 감자 등의 작물도 개발 중
  베타카로틴 생산 벼
  안토시아닌 강화 토마토
  성장유전자 도입 수박
• 온난화로 인한 재해를 견디거나 국민의 안전성 확보를 위하여 환경과 인체유해성을 간편하게 사전 판별하는 기술도 개발 중
  • 기후변화, 병해충 저항성, 다수확 등에 유용한 작물을 개발하여 식량 부족 문제를 해결하려는 연구는 세계적으로 경쟁이 치열
  • 수입농산물의 GMO 혼입을 판별하는 기술 외에 환경위해성 평가 기술 표준 매뉴얼 등을 개발하여 OECD 표준으로 채택

건강기능성 식품의 확대

• 세계 식품시장의 소비트렌드가 건강증진으로 옮겨짐에 따라 기능성 식품, 천연물질 등이 새로운 시장으로 부상
  • 세계시장에 ‘웰빙 바람’이 불면서 농생물자원에서 유래한 천연 식의약소재의 개발이 고부가가치 사업으로 주목

    
    

    • 세계 (건강)기능성식품 시장은 2010년에 약 2,600억 달러 규모로, 연평균 7-10% 성장('10, Nutrition Business Journal)

      기능성 화장품의 세계 시장은 약 2,403억 달러 규모(’09, Datamonitor)

• ‘삶의 질’을 추구하는 트렌드에 걸맞은 식의약소재의 발굴 및 개발 필요성이 증가하면서 농업의 가치가 재조명
  • 맛과 건강을 동시에 만족시키면서, 친환경적이고 지속 가능한 발전을 이끄는 새로운 패러다임에 가장 적합한 소재는 농산물
  • 우리나라 생물자원 활용의 산업 규모는 2010년 약 700조원에서 2015년에는 3,700조원으로 성장 예상(’10, 농촌진흥청)

    입술을 더욱 돋보이게 하는 립스틱, 부드러운 감촉의 실크, 여드름을 치료하는 벌침액, 간기능 개선 음료 등이 개발되어 이용 중

  • 소비자들은 합성 신약에 비해 천연물에서 얻어진 신약을 신뢰하는 경향이 강하므로 이에 대응한 의약품 개발

  농생명 바이오 소재의 이용사례

  기존에 없던 기능성 성분을 함유한 식품, 화장품, 생활용품 등의 출시가 증가

  헛개나무 추출물에서 간을 보호하는 기능성 성분을 추출하여, 식약청에서 개별 인증을 받아서 개별인정형 음료 출시(야쿠르트 ‘쿠퍼스’)

  화장품 소비 트렌드가 이너 뷰티(Inner beauty)로 확대됨에 따라 기능성 천연물 유래 화장품 시장이 급속도로 성장 중

  이너 뷰티에 관련하여 제약회사, 식품회사들의 음료·화장품이 대거 출시되어, ‘먹는 천연물 화장품’ 시장은 하루가 다르게 성장 추세

  2010년 LG 생활건강의 ‘L-스킨케어’는 750억 원 매출을 돌파하고, CJ 뉴트라이너비의 신제품 ‘아쿠아 포스’는 출시 3개월 만에 매출 35억 원을 달성

  
  

White-Bio

생명의 비밀을 밝히는 유전체 연구

• DNA 염기서열을 분석하여 유용유전자를 찾아 기능을 밝히는 유전체 연구는 전 세계적으로 치열한 경쟁분야
  • 미국의 차세대 유전체 해독기술4) 관련 시장수익은 ‘11년 1.6억에서 ’16년 5.5억 달러까지 연평균 28%씩 성장 전망('11, Frost)
    • 획득한 유전체정보는 산업재산권으로 보호되어 모든 나라로부터 개발에 대한 권리를 행사할 수 있다는 점에서 매우 중요

      전 세계적으로 애기장대, 벼, 콩, 포도, 오이, 배추, 토마토를 포함하여 25종의 주요 식물이 해독

  • 개인별 질병 예측, 개인 맞춤형 약품, 유전자 치료와 같은 맞춤 의학, 예방의학에의 활용가능성으로 크게 기대받고 있는 분야
• 최근 관련 기술의 발달로 인해, 유전체정보 해독 속도가 증가함에 따라 각국은 이와 관련한 연구에 박차를 가하고 있는 상황
  • 미국 등지에서 상업적인 서비스를 제공하기 위한 차세대 유전체 해독 기술의 연구 및 활용이 지속적으로 증가

    
    

    • 유전체 분석을 위한 비용이 지속적으로 감소함에 따라 암, 유전학적 질병 등의 극복을 위한 활용도가 점차 높아질 것
  • 중국 북경의 유전체연구소는 유전체 분석과 관련한 인력과 장비면에서 세계 최고수준으로 식물, 동물 유전체 프로젝트에 집중
    • ‘10년까지 13종을 해독하고, ’11년 한 해에만 딸기, 감자, 배추, 야자, 비둘기 콩, 부처손 등 식물 8종의 유전체를 해독
• 유전체 정보의 수집과 제공은 국가의 기술수준을 나타내는 매우 중요한 정보로 선진국에서는 국가기관에서 정보를 직접 관리
  • 미국의 국립생물공학정보센터(NCBI)5), 일본의 DNA 데이터 베이스 은행, 유럽의 분자생물학연구소 등이 대표적인 국가기관
  • 우리나라에서는 국가농업생명공학정보센터(NABIC, 농촌진흥청)에서 농업관련 유전체와 유전자 정보를 제공
  중국 유전체연구소
  세계 최대 유전체DB, NCBI
  파란 장미

생명공학 위의 생명공학, 시스템 생물학

• 최근 등장한 시스템 생물학(systems biology)6)은 생명공학으로 얻어진 성과들을 조합해야만 생명체를 이해할 수 있다는 취지에서 시작
  • 생체를 이루는 분자와 그 성질을 밝혀내기는 했으나, 분자-유전자
    • 세포 기능간의 관계 등은 생명공학만으로는 설명이 불가능
    • 분자, 유전자 등의 생물학적 정보를 전산정보학, 수학, 물리학, 화학, 통계학 등의 원칙을 적용하여 이해하려는 통합학문
  • 시스템생물학 기술수준이 발전할 경우 기존 식물에서 채취되는 기능성물질의 질과 양을 개선하는 모델 등에 활용이 가능
    • 기계, 전자 계통의 산업에서 생명체를 모방한 제품을 생산하는 것도 가능
  시스템생물학을 컴퓨터 부품에 비유한 개념도
• 중세부터 많은 연금술사와 과학자들이 인공생명을 만들고자 했던 시도가 현대 과학기술의 발전에 힘입어 합성생물학으로 재탄생
  • 생물 구성요소인 DNA, RNA, 단백질 등을 기계부품처럼 만들어 세포에 적용함으로써 원하는 기능만 수행하도록 한다는 발상
  • 가장 유망한 분야는 식물에 풍부한 고부가가치 기능성물질 생산으로 산업소재 생산 전용 작물의 개발도 가능할 전망
    • 세포 내의 특정 생화학 반응을 변형하거나 새로운 대사경로를 도입하여 고부가가치 바이오 신소재를 생산

  세계 최초의 인공세포

  세계 최초로 인간의 유전자 서열을 밝혀냈던 미국의 크레이그 벤터7) 박사가 이끄는 연구팀에서 세계 최초의 인공세포를 만들었다고 발표(’10.5.20.)

  연구팀은 이번 연구 성과를 바이오연료나 백신 개발에 이용할 수 있다고 밝혔고, 이미 미국 에너지 회사 엑손모빌과 함께 산업적 적용 가능성을 검토 중

  벤터 박사는 합성 세포가 “컴퓨터를 부모로 둔 지구 최초의 자기복제 종”이라고 부르고 있으나 안정된 기술로 발전하는데는 시간이 필요할 전망

바이오경제 시대에 대비한 인식의 전환이 필요

• 21세기는 건강과 삶의 질이 우선시 되는 시대가 될 것으로 생각되며 근간이 되는 농산업이 중요한 분야로 부상할 것으로 전망
  • 지구 온난화 등 환경 문제가 심각해지면서 녹색산업인 농업의 가치가 재조명받는 4차 농업혁명의 시대가 올 것으로 예상

    바이오연료가 화석연료를 대체하고 모든 산업의 소재와 원료가 농업을 통해 생산되는 시대가 도래(’09, 미 대통령 연설문)

• 농산업은 먹을거리 생산 위주의 1차 산업에서 IT, BT, NT가 융· 복합된 지속가능한 청정산업으로 변모할 것으로 예상
  • 기존의 기초 농학부터 첨단 생명공학기술을 비롯한 모든 학문이 융·복합된 바이오산업으로서 발전 가능성이 매우 높은 분야
    • 먹을거리, 볼거리, 체험과 삶을 제공하는 생활밀착산업, 지식 기반산업, 소재를 제공하는 모태산업으로의 전환을 의미
  • 바이오 농산업은 온난화시대에 지속가능한 가장 강력한 대안으로 평가되며 산업화를 가속화하기 위한 다각적 노력이 필요

100년 먹을거리를 만들 10년 대계(大計)가 필요

• 전 세계 농산업은 기후변화로 인한 불안정성이 심화되면서 대규모 다국적 기업에 대한 의존도가 증대
  • 식량자급률이 90% 이상인 몇몇 선진국을 제외하고는 식량, 사료 등에 대해 다국적 기업에의 종속화가 우려
    • 막대한 자금력으로 많은 식물자원을 확보하고, 주요국의 종자회사를 인수·합병하는 등 다국적 기업의 영향력이 점차 확대
• 농업 관련 환경이 어렵다 하더라도 먼 안목으로 100년을 먹여 살릴 국가차원의 전략적인 농식품산업 육성계획이 필요
  • 농산업은 미래자원의 수집하는 것부터 시작하여 식량, 산업소재, 에너지를 생산하는 종합산업임을 고려한 전략계획수립이 요구
    • 농생명산업과 생명공학 기술개발의 강화는 자원이 부족한 우리 실정에 잘 맞으면서 인적자원을 가치 있게 활용하는 투자
  • 국내 기업의 참여가 저조한 상황에서 국가의 연구개발 투자를 마중물로 활용한 국내 산업 활성화 전략도 동시 전개가 요구

    글로벌 농산업 기업인 몬산토(Monsanto)의 1년 연구개발비 예산은 약 1.4조원으로 우리나라 전체 농산업분야 국가연구개발비의 1.5배 수준

국민 안전과 산업 육성이 조화된 국가 지원을 강화

• 국민 정서를 고려한 신중한 접근을 통해 국민안전과 경제적 가치 창출을 조화롭게 이루어낼 수 있는 지원 시스템 마련이 필요
  • 식량작물에 대한 안전성 확보와 생태계 교란을 방지하기 위한 강력한 대책과 함께 산업재산권 확보를 위한 조화로운 지원이 요구
    • 국민의 신뢰도 제고를 위해 비식용 바이오 분야의 기술개발과 산업화를 우선 지원하고 안전성에 대한 연구개발도 지속 지원
  • 바이오산업의 특성상 지식기반의 중소기업이 성공할 가능성이 다른 산업에 비해 매우 높으므로 이를 지원하는 정책도 요구
    • 국내 벤처기업이 지역 기반의 중소기업으로 성장할 수 있도록 지자체와의 강력한 협조체제 구축도 시급
  • 국가지원사업에서 개발된 기술이 벤처나 중소기업에 의해 사업 가능성을 평가받고 거래되는 통합 관리시스템도 필요

    국유특허 규정과 중소기업청, 특허청 등의 협력이 보완된 통합시스템이 필요

국가중심의 생명공학 육성 추진전략의 강화

• 생명공학기술의 산업화는 미래 국가 경쟁력의 핵심이며, 과학기술의 산업화에 대한 국가의 역할이 그 어느 때보다도 중요
  • 생명공학기술은 미래 산업의 핵심 기술로, 관련 기술 선점과 조기 산업화 성공 여부가 국가 경쟁력을 좌우하는 요소가 될 전망
  • 생명공학기술은 ① 지속적인 불확실성, ② 복잡성 및 이질성, ③ 빠른 누적적 변화라는 특징8)으로 인해 산업화가 쉽지 않음
    • 이를 극복하기 위해 국가적인 차원의 연구개발 지원과 합리적인 연구개발 구조 확립, 효율적인 투자가 필요

      우리나라는 ’93년 제1차 생명공학육성기본계획(Biotech 2000), ’06년 제2차 기본계획(Bio-Vision 2016)을 수립, 효율적·효과적인 연구개발을 추진 중

• 특히 농업분야 생명공학 연구와 산업화는 장기적인 연구와 투자가 필요하다는 점에서 국가 기관의 역할이 증대
  • 농업은 비교적 단기에 성과 창출이 가능한 분야와는 달리 장기적으로 인내심을 갖고 연구 지원이 필요한 분야
    • 식량 확보는 시장경쟁 논리로 담보할 수 없는 공적 부분이라는 점에서 국가기관을 중심으로 한 공익성 있는 연구개발이 필요
  • 농촌진흥청에서는 ‘농생명 산업 수출국 도약’을 목표로 ’01년부터 바이오그린21 사업을 추진하여 현재 2단계 사업 수행 중
    • 차세대 바이오그린21 사업에서는 시장과 산업재산권을 선점하고 기술 우위를 차지할 가능성이 높은 분야에 집중