Future Bioscience, White biotechnology 

2040년 생명과학은 어떻게 변화할까? 이 질문에 답하기 위해서 우리는 먼저 현재의 생명과학이 어떻게 변화해왔고 어떠한 상황에 놓여있는지를 먼저 이해할 필요가 있다. 그렇다면 현재의 생명과학에 도달하기 위해서 생명과학은 어떻게 변화하여 왔는가? 생명과학이란 생명 현상을 과학적인 방법론을 통하여 연구하는 학문을 말한다. 사실 인간도 하나의 생명이기 때문에 여러 가지 자연현상을 이해하고 연구하는 것 또한 매우 중요하지만, 가장 중요한 것은 아마 생명현상에 관한 연구라고 생각된다. 사실 지금까지의 생명과학은 생명체들의 신비한 현상들을 해석하는 분야를 중심적으로 발달해왔다. 어떻게 해서 우리 몸에서 이러한 기작이 발생하는지, 왜 이러한 특성이 나타나는지, 어떠한 화학반응을 통해서 우리가 살아있을 수 있는지와 같은 생명의 비밀을 해결하기 위해서 생명과학은 계속해서 발전해왔다. 하지만 미래의 생명과학의 발전은 지금과는 조금 다른 형태로 진행될 것이라고 예상한다. 아직까지 해결하지 못한 많은 생명체의 비밀들이 존재하지만, 앞으로의 생명과학은 현재의 지식을 통해서 다른 분야들과 유기적으로 상호작용하고, 여러 가지 해결하지 못한 부분들을 이러한 방식으로 풀어나갈 것이라고 생각된다. 따라서 이번 에세이 에서는 생명과학 그 자체의 학문적인 요소도 매우 중요하지만, 그 보다 2040년 생명과학은 여러 가지 분야와 상호작용하며 여러 분야에서 다양하게 활용되는 형태를 띠게 될 것이라고 예상한다. 따라서 이번 에세이에서는 생명과학의 융합적인 요소를 중심적으로 미래의 생명과학이 어떠한 형태로 나타날 것이지 예상해보았다.


현재 생명과학이 다른 분야와 가장 유기적으로 상호작용하고 있는 분야는 바로 생명공학이라고 생각한다. 생명공학에도 여러 가지 분야가 있는데 가장 떠오르는 분야는 “White biotech"라는 분야이다. "White Biotech”이란 바이오에너지와 같은 생명과학적인 방법을 이용하여 에너지와 환경문제를 해결하는데 중점을 둔 생명공학의 기술을 통틀어서 칭하는 말이다. 사실 생명과학과 에너지문제, 환경문제 같은 분야들을 쉽게 연결시키기 어려운 부분이 있다. 하지만 전혀 다른 두 분야를 활용한 "white biotech"은 빠르게 발전하고 있다. 가장 대표적으로 바이오에너지가 있다.


하지만 화이트바이오기술에는 단지 바이오에너지만 해당되지 않는다. 여러 가지 바이오매스를 원료를 이용하여 다양한 물질을 생산하게 된다. 예를 들어서 옥수수와 우유를 이용한 플라스틱, 사탕수수를 이용한 페트병생산 등이 이에 해당한다. 실제로 이러한 화이트바이오테크놀로지는 먼 미래가 아닌 우리 일상생활에서도 이미 활용되고 있다. 코카콜라와 펩시는 바이오 플라스틱을 이용하여 페트병을 생산하고, 포드 자동차는 자동차의 일부분에 이러한 화이트 바이오테크놀로지를 이용하여 만든 플라스틱이 실제로 활용되고 있다고 한다. 이렇게 바이오매스를 통해서 간접적으로 생명체를 이용하는 방법도 있지만 직접적으로 생명체를 이용하는 기술도 실제로 이용하는 방법도 있다. 예를 들어 하수 처리용 미생물과 같이 생물학적 방법을 이용하여 환경문제나 다른 분야의 문제를 해결하는 것이 이에 해당된다.



오늘날의 Whitebiotechnology에 대하여 조금 더 자세히 알아보자. White biotech이라는 분야가 주목받고 성장하게 된 계기는 바로 석유를 이용한 여러 가지 제품이나, 에너지들을 생물학적인 방법을 이용하여 대체하기 위한 시도였다. 가장 대표적인 시도가 바로 생분해성플라스틱(biodegradable plastic)의 생산이다. 이 기술은 polyesters의 한 종류인 3-hydroxyacids (PHAs)를 이용하여 생산하는 plastic을 기반으로 한다. 이 물질은 박테리아에 의하여 자연적으로 합성되는 물질의 일종으로 탄소의 공급원이자 에너지 비축의 물질에 해당된다. 열 가소수성 수지와 탄성중합체의 비슷한 성질을 가지고 있지만, 또한 토양이나 물 속의 박테리아에 의하여 쉽게 분해되기도 한다. 이 PHAs 물질은 박테리아의 acetyl-CoA에서 생산되며 대표적으로 3-hydroxy-butyrate가 대표적이다. bacterium Ralstonia eutropha는 건조중량의 85%까지 PHA물질을 생산할 수있는데, 이를 이용하여 소형 bioplastic factory로 활용한다. 하지만 이 기술을 활용한 biodegradable plastic은 비용이 많이 필요하다는 단점을 가지고 있었다, 그러나 최근에 이 문제를 해결하기위한 새로운 방안이 연구되고 있다. 바로 Gene encoding 기술을 이용한 방안이다. Gene encoding을 이용하면 acetyl-CoA를 PHA로 전환하기 위한 enzyme을 생산함을 통하여 식물인 Arabidopsis thaliana (애기장대)에서 생산 할 수 있는 기술이 연구되고 있다.


뿐만 아니라 생물학적 방법을 이용하여 원래 석유산업을 통해서 생산되었던, 섬유, 의류, 여러 가지 사무용 용품과 같은 물품들의 생산 방식을 대체할 수 있는 방안들을 찾아나가고 있다. Dupont라는 회사는 수년간의 연구 끝에 1,3-propanediol (PDO)를 개발 하였다. 옥수수당의 발효를 통해 생산되는 젖산 기반의 이 고분자는 탄력성과 부드러운 성질을 갖추고 있어 이를 이용해 의류, 사무용품등 여러 가지의 물품을 생산할 수 있는 능력을 가진다.


이와 다르게 생물학적인 방법을 통해서 환경적인 문제를 해결하는 방법도 연구되고 있다. 가장 대표적으로 바이오 소재의 에너지 생산이 있다. 바이오에너지의 기본적인 형태는 바이오 에탄올의 생산이다. 사탕수수와 밀등 여러 가지 식물을 이용해서 현재에도 많이 사용되고 있다. 실제로 브라질에서 사용되는 자동차 연료의 10~20%정도가 바이오에탄올을 함유하고 있다고 한다. 그러나 바이오 에탄올에도 여러 가지 문제점이 존재한다. 가장 큰 문제는 효율성의 문제이다. 경제적인 관점으로 바라보았을 때 바이오에탄올을 생산하기위해 기르는 작물에 필요한 에너지가 작물로부터 생산되는 바이오에너지 보다 아직까지는 더 많은 비율을 차지 하고 있기 때문이다. 따라서 이러한 문제를 해결하고 더 풍부하고 저렴한 바이오에너지 생산을 위하여 농업 폐기물을 이용하는 방안, 셀룰로오스 비율을 높이는 genetechnology, 좀 더 효과적으로 분해 할 수 있는 bacterial cellulases등을 이용한다.


White -Biotech 기술은 현재에도 여러 가지 환경문제를 해결하고 한정된 자원인 석유와 석탄의 의존도를 줄여나가는데 많은 기여를 하고 있는 것이 사실이다. 하지만 40년 뒤 아니 어쩌면 가까운 미래에 화석에너지에 의존하기 힘든 상태에 도달했을 때 인류에게 주어진 여러 가지 문제를 해결 할 수 있는 핵심적인 방법으로 작용할 것이다.

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