해양수산부의 해양바이오 관련 연구 역점 추진

[현대해양] 2018년도 제4차 과학기술기본계획(2018.2) 정책방향과 4차 산업혁명 촉발로 인한 과학기술 생태계 변화를 반영한 해양수산과학기술 육성 전략을 위해 해양수산부에서는 해양수산과학기술 육성법 제5조에 따라, 해양수산과학기술육성을 위한 제1차 해양수산과학기술 육성 기본계획(2018~2022)을 수립했다. 해수부에서 중점 추진하고자 하는 해양바이오연구는 국립수산과학원과 출연연구구기관인 한국해양과학기술원 및 국립해양생물자원연구관을 중심으로 연구수행을 담당하고 있으며, 이러한 연구를 총괄적으로 기획하고 운영하는 전문기관인 해양수산과학기술진흥원이 맡아서 추진하고 있다.

우리나라 해양바이오 산업 전문가 집단인 (사)한국해양바이오학회 회원들은 지난 15년 동안 해양수산부와 지차체 및 기업들로부터 다양한 해양바이오 연구를 수행하고 있다. 필자는 지난해 정부 주도로 해양과학기술연구개발이 추친되고 있는 몇 가지 전략산업 분야를 선정하였는데 그 중 우리나라 해양연구의 최전선에 있는 국책연구기관인 한국해양과학기술원(KIOST) 연구개발에 대해 소개하고자 한다.

먼저 KIOST는 4차 산업혁명 기술 융합 분야 집중 육성을 위하여 스마트 양식 핵심기술 개발 및 표준화 연구를, 전략산업 육성을 위한 상용화 기술 확보를 위하여 해양바이오 전략소재 개발 및 상용화 기술개발사업, 수산양식 대량산업화 지원 사업 등을 추진하고 있다. 국민생활 문제 해결을 위한 과학기술 혁신 분야에서는 수산물 품질 및 안전관리 기술 확보와 더불어 해양환경오염 예측・제어・저감기술 확보하고자 연구개발 사업을 추진하고 있다. 국제사회에 기여하는 과학기술 선도 분야 연구도 있는데, 기후변화 대응 및 해양생태계 보호하고자 추진하는 연구가 그 대표적이다. 해양과학기술분야의 기초 및 응용 연구와 더불어 산업화를 위하여 해양수산 기업 혁신 및 창업지원 연구개발 사업도 확대하여 해양바이오 산업의 생태환경을 개선하고 나아가서는 세계적으로 선도할 수 있는 해양과학기술 선진국을 목표로 하고 있다.

 

단백질 의약소재 개발 R&D

KIOST에서는 해양생물 유래 유전체 및 단백질을 해석하여 활용하려는 연구를 진행하고 있는데 그 중 대표적인 연구가 이정현 박사팀의 해양생물을 이용한 단백질 의약소재 개발에 대한 연구·개발이다(그림 1).

 

이정현 박사팀은 2014년에 다국적 팀을 구성하여 세계 최초로 해양에 서식하는 고래류인 밍크고래 유전체를 해독하는데 성공하여, 약 5천만년 전 육상에서 생활했던 고래류 조상이 저(低)산소, 고염(高鹽)의 해양 환경조건에서 획득하게 된 생리적 특성을 분자 수준에서 이해할 수 있게 되었다. 아울러 고래류의 생리적 특성인 저산소증 저항성, 빠른 상처 치유능과 관련된 섬유아세포 성장인자(FGFs)와 기타 해양동물 유래 유전자와 단백질의 분자진화 및 조절 기작을 규명할 수 있었는데, FGFs는 상처 치유 효능과 비만, 당뇨, 비알콜성 지방간염 등의 대사성 질환 치료능을 가진 단백질을 만드는데 응용될 수 있다. 이 박사 팀은 인간 질환과 관련된 신규활성을 갖는 단백질을 발굴하여 개발된 후보 단백질들 가운데 비임상 후보 진입이 가능 물질을 도출하는 것 또한 목표로 하고 있다. 이를 위해 생물정보학 기반으로 해양 유전자/단백질 정보의 데이터베이스를 구축하고 데이터마이닝을 통해 더 나은 단백질을 설계하여 제조한다. 이렇게 개발된 단백질은 물성 최적화 과정을 거치며 동물 모델을 이용하여 검증과정을 거치게 된다.

 

해양동물 유전체 정보생산 및 분석

독도의 해양동물 유전체를 해독함으로써 해양생물주권을 확립하며, 산업적으로 활용이 가능한 해양동물 기원 단백질의 생물학적 특성을 해석할 수 있는 연구도 진행하고 있다. 염승식 박사팀은 해양동물 27종의 유전체 정보, 특이 조직, 발생과정 등의 해양동물 진화양상 정보, 해양생태계 보전 및 복원 전략 정보, 해양영토 및 생물주권 주장을 지지하는 과학적 정보, 그리고 의약품 및 화장품 개발을 위한 해양단백질 신소재 후보들을 확보하려는 연구를 진행하고 있다(그림2).

 

신규 신호 펩타이드 발굴

철홍 박사팀은 타겟 단백질을 대장균의 세포 내막과 외막 사이로 이동시킬 수 있는 해양미생물 유래 신규 신호 펩타이드를 발굴했다. 연구팀은 신호 펩타이드와 전사체 조절을 통해 대장균에서 타겟 단백질의 막 이동 증강 및 용융성 형태의 단백질 생산성 향상 기술을 확립하였을 뿐만 아니라 세포 내막과 외막 사이로 이동된 단백질을 하나의 용액 처리만으로 쉽게 정제할 수 있는 원천기술까지 확립하였다. 이러한 기술은 고가의 바이오 화장품 원료로 활용 가능한 기능성 단백질(상피세포성장인자, 항산화효소, 한천분해효소)들을 대장균 세포시스템을 이용하여 저비용-고순도로 대량생산할 수 있어 산업적으로 활용이 용이하다.

 

해양바이오 에너지 기술 개발

강성균 박사팀은 차세대 에너지인 바이오수소 생산 관련 기술을 개발하고 있는데, 대양탐사를 통해 초고온성 고세균 NA1을 확보하여 일산화탄소로부터 바이오수소를 생산하는 원천기술을 개발하였다. 이를 활용하여 친환경 수소에너지를 대량 생산하는 실용화 기술을 개발하는 중이다.

 

해양-육상 하이브리드 배양시스템 기술 개발

한편, 가장 많이 응용하는 미세조류 배양에 의한 바이오디젤 연구는 그 효율성을 높이지 않으면 상용화가 불가능하다. 따라서 강도형 박사팀은 성장효율이 우수한 해양 미세조류로부터 저비용·고효율 바이오디젤을 상용화하기 위하여 새로운 개념의 시스템 개발이 필요하여 해양-육상 하이브리드 배양시스템 기술을 개발하였다. 이러한 시스템에서의 미세조류 생산은 높은 효율성으로 인한 경제성을 높혔기 때문에 해양바이오 유래 신재생에너지를 생산할 수 있는 기술을 발전시키고자 노력 중이다.

 

홍해삼 유래 다목적 산업소재 활용

제주 특산자원 중 하나인 홍해삼은 오래전부터 ‘바다의 인삼’이라 불렸으며 최고의 한방약재로 사용돼 왔다. 해삼은 여러 고대 문헌을 통해 다양한 효능이 있다고 알려져 왔지만 이에 대한 과학적 근거는 매우 미흡한 편이며, 대부분 원물형태로만 판매되고 있기 때문에 해삼을 고부가가치화 시켜 세계 시장경쟁에서 가치를 높여야할 필요성이 제기되었다. 따라서 허수진 박사팀은 홍해삼을 활용하여 현대사회에서 문제시 되고 있는 질환 개선 효능(항염증, 항암, 항산화, 항비만, 근육강화, 세포증식 등)을 탐색하고, 유용성분 생산을 위한 공정기술을 개발하여 식품·의약품 소재로서의 가능성을 확인하여, 해삼 추출물이 함유된 기능성 음료 및 향장 제품을 개발하였고, 치료가 힘든 심각한 화상이나 피부 결손을 입은 환자에게 도움이 될 수 있는 의공학 소재로서의 상처부위 도포용 밴드를 제작하는 기술을 개발하였다.

 

바리과 어류 육종품종 R&D

전세계적으로 고부가가치 어종인 바리과 어류의 육종품종을 개발하는 연구가 매우 유용한 기술로서 주목받고 있다. 노충환 박사팀은 국내외 바리과 어류 7종(자바리, 붉바리, 능성어, 대왕바리, 갈색점바리 등)을 어미로 사용하여 120개 종간 잡종구를 생산하였으며, 이로부터 형질이 가장 뛰어난 대왕자바리(자바리♀×대왕바리♂)와 대왕붉바리(붉바리♀×대왕바리♂)를 신품종으로 개발하는데 성공하였다(그림 3). 이 두 품종은 열대와 아열대 환경에서 성장이 매우 빠르며 저수온에서 내성이 강한 특징을 가진다. 가장 큰 소비시장인 중국, 대만 그리고 다른 동남아국가에서 선호하는 체형과 체색을 보여 향후 대만, 말레이시아, 베트남 등지로서의 수출이 기대된다.

해양생물독 분석 R&D

이균우 박사팀은 한국해양과학기술원의 주요사업 중의 하나인 해양생물독 분석기술을 개발하고, 이를 통해 유독해양생물 내 생물독의 시공간적 변화조사, 생태독성평가기술개발 및 유용독 대량생산 프로토콜을 제시하여 해양생물독을 체계적으로 관리할 수 있는 방안을 마련하는 연구를 진행하고 있다. 또한 확보된 해양생물독을 활용하여 유용 산업소재와 유효물질도출을 최종목표로 하고 있다.

 

형광 분석 R&D

이종석 박사팀은 가시광선 영역에서 다양한 형광특성을 나타내는 신규 형광물질 KIOST-fluor(KF)유도체를 기반으로 환경·바이오분자 탐지가 가능한 형광화학센서를 개발하고, 이를 해양연구에 적용하려는 연구를 수행중이다. 이를 위해 KF유도체를 대량생산할 수 있는 효율적 합성법 2종을 개발하여 다양한 기능기를 갖고 있는 KF유도체들을 도출하였다. 이들의 광물리적 특성을 조사한 결과 합성된 신규 형광물질 KF의 광물리적 특성은 작용기의 적절한 선택에 의해 화학적으로 조절이 가능하여 KF를 형광소재로 응용하는데 손색없음이 밝혀졌다. 이에 KF에 맞춤형 기능을 부여하여 특정 분석물질에 대해 선택적으로 감응하는 형광화학센서를 개발하고할 수 있을 것으로 기대된다.

 

생명의 기원 추적 R&D

김동성 박사팀은 인도양 중앙 해령의 심해 열수분출공과 같은 특이한 환경 및 생태계의 구조 특성을 규명함과 동시에 극한환경에 적응한 생명 기능을 해석함으로써 생명의 기원을 추적하는 연구를 수행하고 있다.KIOST의 연구 조사선인 이사부호를 활용하여 인도양 열수구의 동물 다양성을 중심으로 주변 환경 및 생태적 특성을 조사하여 새롭게 발견된 열수구인 ONNURI VENT FIELD(OVF)에서 다양한 열수생물들을 획득하는데 성공하였을 뿐만 아니라, 중요한 환경 자료들도 확보하는 쾌거를 얻었다. 이런 결과는 열수구와 같은 극한 환경에 적응한 생명들의 적응 기작을 분석 및 이해하고 다양한 응용분야로서의 활용이 기대된다.

 

유용 해양생물 자원 확보

이희승 박사팀은 국립해양생물자원관과 협력하여 열대지역에서 해양무척추동물이나 미생물을 확보하고, 이로부터 200여종의 해양천연물을 분리하여 구조를 규명하여 다양한 분야로의 응용을 기대하고 있다.