해양바이오 주요 연구 사례
해양바이오 주요 연구 사례
  • 전유진 한국해양바이오학회 회장 (제주대학교 교수)
  • 승인 2020.05.12 09:22
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세계 속 비중 확대해야

해양바이오연구의 핵심, 한국생명공학연구원

[현대해양] 한국생명공학연구원에서도 해양바이오 연구에 많은 노력을 기울이고 있고, 현재 다양한 연구를 추진하고 있는데 그 가운데 관심이 가는 몇 개의 연구프로젝트를 소개하고자 한다.

먼저, BIET기반 유해 미세조류 발생/소멸기작 규명 및 생태공학적 제어기술에 관한 연구가 이루어지고 있다(그림 1).

 

그림 1

유해 미세조류의 발생/소명 기작을 이해하는데에는 기존의 일반적인 수질자료와 유해 미세조류 대발생의 관계 분석이라는 단순한 기법을 벗어나, 생명공학(Biotechnology), 정보(Informatics), 환경(Environment) 통합 및 융합기술 (BIET)을 기반으로, ①유해 미세조류와 미생물 간의 상호작용을 분석하고, ②유해 미세조류 발생/소멸 예측 모델을 도출하며 ③실증 규모의 현장적용 기술을 개발하는 연구를 한국생명공학연구원(KRIBB)의 오희목 박사팀을 중심으로 적조 발생 수역에서 지속적인 모니터링 자료를 축적한 결과, 여름철 Cochlodinium에 의한 적조 발생 시점에서의 수질, 환경 요인과 미생물 군집 분석 자료를 활용하여, 상호작용 네트워크를 구축하였다. 이러한 연구결과는 Science of the Total Environment 저널에 게재되었으며, 미생물 군집 분석 데이터는 National Center for Biotechnology Information (NCBI)의 Sequence Read Archive(SRA)에 PRJNA530378,PRJNA530388, PRJNA530380 번호로 업로드되어 있으므로 관심있는 연구자는 누구든 활용 가능할 수 있도록 정보를 제공하고 있다.

김희식 박사팀은 해양미세조류 색소 기반 고부가 소재 및 활용 기술개발에 관한 연구를 진행하고 있다(그림 2).

그림 2

2008년 고유가 파동으로 인하여 대두된 바이오연료 개발을 위해 3세대 바이오매스로서 주목을 받은 미세조류 연구는 2015년 셰일가스 개발로 인하여 유가가 안정되면서 경쟁력에 치명상을 입었다. 지금까지 축적된 바이오연료 개발을 위한 미세조류 연구 결과는 새로운 고부가가치 산업으로 눈을 돌리게 되었는데, 김희식 박사팀이 중심이 되어 해양 미세조류 색소 기반 고부가 소재 및 활용 기술 개발을 수행하고 있다. 핵심연구는 합성 색소 함량이 높은 토착 미세조류를 분리하여 최종 1톤 규모의 광생물 반응기에서 배양을 수행했다. 여기에서 얻어진 건조 바이오매스로부터 색소 추출공정을 확립하여 루테인을 활용한 미백 화장품 소재, 비올라잔틴을 활용한 주름 개선 화장품 소재, 푸코잔틴을 활용한 항비만 건강기능식품 소재를 개발을 추진하고 있다. 이러한 소재는 21세기가 지나면서 사회적 이슈는 건강, 미용, 그리고 친환경 등이 주목받으면서 천연물 유래 기능성 식품, 기능성 화장품, 천연물 의약품 등에 활용될 것이다.

한국생명공학연구원의 질환표적구조연구센터 우의전 박사팀은 국립해양생물자원관의 다양한 해양 미생물을 활용하여 면역체계 크리스퍼 시스템으로부터 신규 생리 활성 물질을 생산하고 이를 활용하는 연구를 수행하고 있는데, 해양 미생물에는 유전자 가위로 잘 알려진 Cas9와 같은 다양한 종류의 크리스퍼 시스템이 존재한다는 사실을 인지하고 복합체 형태를 가진 Type III 시스템을 활성화 형태로 재구성하 뉴클레오타이드 기반의 신규 화합물을 생산하는데 성공하였다. 뉴클레오타이드 기반의 새로운 신규 물질은 다양한 생리활성 기능을 조절하는 것으로 알려졌으며 현재 세포내 기능을 분석하고 있다. 해양 미생물에서 유래한 크리스퍼 단백질을 이용한 신규 생리 활성 물질의 개발은 세포 내 면역 시스템 뿐만 아니라 향후 식품 및 신약 관련 의약학 분야 등 폭넓은 산업적 분야에 활용될 것으로 생각된다.

 

한국광기술원의 해양바이오 연구

최근 수술 절제부위가 작으며, 빠른 쾌유로 사회복귀가 빠른 복경경 수술은 표피내에 위치한 종양의 위치와 경계가 육안으로 구별이 잘 되지 않을 뿐더러, 특히 mm 크기 이하의 국소전이 종양들은 육안으로도 식별이 잘 되지 않는 문제을 극복하고자 한국광기술원이 중심이 되어 국립암센터, 하버드메디컬스쿨, 단국대학교병원, 원텍, 바이오액츠과 공동으로 해양소재 기반 근적외선 조영물질 및 영상진단기기 개발을 위해 해양물질 유래의 근적외선 형광물질 수술지표자개발과 이를 기반으로 한 영상진단기기의 개발을 하여 수술 중 작은 병변까지도 실시간으로 그 위치과 경계를 정확히 구별하여 성공적인 암절제로 암재발률과 전이률을 낮추고자 한다. 여기에 이용될 소재로서 해양 유래 물진인 알긴산, 후코이단, 키토산을 기반으로 한 근적외선 형광 조영제를 개발함으로써 기존 의료현장에서 사용되는 근적외선 조영제인 Indocyanine green(ICG)의 단점을 개선하고 성능을 향상시켜 임상적용 범위를 확대하고자 하는 연구로서 최근 이러한 연구결과가 세계적인 학술지 Nano Micro Letter과 Quantitative Imaging in Medicine and Surgery(3월호 표지논문)에 논문 게재하였고, 기술이전을 통하여 사업화에 매진하고 있다.

 

기업 주관의 해양바이오 연구

기업이 주관되어 진행하는 해양바이오 연구 중에서도 관심이 높은 연구는 ㈜아크에이르의 홍성주 박사팀을 중심으로 한양대학교와 인하대학교가 협력하여 황반변성 치료를 위한 제아잔틴을 미세조류로부터 대량생산 및 대량정제 가능한 시스템을 구축하는 연구이다(그림3). 황반변성(Macular degeneration)은 안구 내 신경조직인 황반부에 변성이 일어나는 질환으로, 그대로 방치할 경우 실명에 이르기도 한다. 특히 노인성 황반변성은 노화에 의해서 황반의 기능에 문제가 생기는 것으로 국내 3대 실명 질환 중 하나로 알려져 있다. 황반은 루테인(lutein)과 제아잔틴(zeaxanthin)이라는 색소로 구성되어있으며, 이들 색소는 체내에서 자체적으로 생성되지 않는다. 따라서, 반드시 식품으로 보충해야하는데 일상적인 식사를 통해 보충하는 것에는 한계가 있어 이와 관련된 건강기능식품의 수요가 점차 증가하고 있다. 특정 해양미세조류는 고광도 스트레스에 대한 광합성 보호기작으로 제아잔틴의 생산이 이루어져 천연 제아잔틴의 공급원으로 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 상용화에 매우 유용한 기술이 될 것이다.

그림 3
그림 3

해양바이오산업의 미래

최근까지 국내・외 바이오산업은 상대적으로 접근이 용이한 육상생명자원을 기초로 발전해 왔으나, 최근 바이오 기업들의 해양바이오(MBT) 분야로의 진출이 지속적으로 확장하고 있다. 이는 육상생명자원이 지난 수백 년 동안 바이오산업에 활용되어 왔기 때문에 신규 산업소재의 획득한계에 부딪히고 있는 것이 반영된 결과로도 해석된다. 예컨대, 미국 FDA 승인의약품을 기준으로 1827년~2019년 사이 1,714건이 승인되었는데, 이는 접근 가능한 대부분의 육상생명자원이 이미 제품화 또는 특허로 인한 보호 등으로 그만큼 신규원천소재로의 활용이 어렵다는 것을 의미하는 것이기도 하다. 이는 국내 관련 조사에서도 확인되는데, 국내 바이오기업들 중 약 28%는 육상바이오와 해양바이오를 병행하고 있다. 또한, 현재 해양바이오 분야에 진입하지 못하고 있는 기업들 가운데 65.1%는 해양바이오 분야에 대한 참여를 희망하고 있다.

바이오기업들의 이와 같은 변화는 해양바이오 산업의 원천이 되는 해양생명자원의 무한한 활용 가능성에 있다. 해양생명 종은 지구상 서식하는 생명종의 80~90%를 차지하고 있는 것으로 알려져 있으나 산업적 활용 사례는 1% 미만으로 확장 잠재력이 무한하다. 이에 따라 최종소비제품으로서 해양생명소재가 주목받고 있으며 최종소비제품 시장 확장과 수요증대 현상 역시 괄목할만한 수준이다. 그간의 해양생명자원의 특이기작에 대한 R&D 활동과 식량자원 확보를 위한 양식기술개발 등을 통해 해양생명소재의 산업적 활용 가능성에 대한 높은 이해가 확보된 것도 강점 중 하나이다. 특히 늘어나고 있는 기대수명과 건강한 삶에 대한 관심은 기능성식품과 화장품, 의약품 등에 대한 수요 증가로 빠르게 연결되었고, ‘해양’의 청정이미지와 해양생명자원이 보유한 유용기작에 대한 이해가 높아지면서 해양바이오 제품에 대한 기대 및 수요가 증가하고 있다. MBT 분야는 원천기술확보 및 유용신물질 발견 가능성이 높은 태동기 산업으로, 체계적 육성전략 추진을 통해 우리나라 바이오산업의 다변화를 유도하고, 미래 성장동력 확보와 경제적 성과 창출 등 국가경쟁력 제고에 기여할 수 있다. 국내・외 바이오산업 시장은 지속적으로 성장하고 있으나, 주요 원천기술 분야는 선진국에서 선점했기 때문에 국내 바이오 기업의 성장을 위해서는 미개척・태동기 산업인 해양바이오산업 분야와의 접목이 필요하다.

이를 위해서는 MBT 산업분야의 개방형・융합형 혁신체제 구축, 해양생명자원 기반의 산업화 기술개발, 신시장 창출 및 지역 해양바이오 산업환경 구축 등을 국가가 전략적으로 지원하고 관련 파이프라인의 역량과 결과를 지속적으로 홍보해야 한다. 또한 경제적 부가가치 창출 및 국가경쟁력 강화를 위한 MBT 분야 산업 육성과 전통산업과의 MBT 기술 접목을 통한 신산업화, 지역 연계형 MBT 산업 육성을 위한 지역거점 구축 등을 활성화해야 한다. 이를 위해 각 구성원들의 상호 협력하는 개방형 연구 추진전략 및 체계적이고 정책적인 지원전략 논의가 매우 필요한 시점이다.

전 세계 해양바이오 시장은 빠르게 성장하여 2030년 8억 5,000만 달러에 도달할 전망이나 우리나라는 전 세계 해양바이오산업 시장 규모에서 불과 2%일 정도로 많은 부분에서 뒤쳐져 있는 것이 사실이다. 특히 첨단연구와 원천기술 확보, 국제적으로 유용한 가치를 가진 지적재산권도 미국, 일본 그리고 유럽 선진국들에 비하여 많이 부족한 편이라 우리나라의 해양바이오 산업은 아직까지 성숙하지 못한 상태이다. 하지만 최근 해양수산부가 해양바이오 산업의 육성을 인식하여 연구사업 관리 전문기관인 해양수산과학기술진흥원을 통하여 공격적이고 선제적인 연구추진방향을 이끌고 있다. 따라서 우리나라의 GDP 대비 연구개발 R&D규모가 지속적으로 상승하고 있고, 전체 연구개발사업에서 해양과학기술분야 R&D 비중이 5% 정도 차지하게 된다면 우리나라가 세계 해양산업과 해양바이오산업에서 두각을 나타내어 주도할 수 있는 기회가 올 것이라고 판단된다. 이를 위해 해양바이오 원천기술 확보, 4차융복합산업으로 확대, 유용물질 확보, 원료물질 확보 및 표준화 그리고 대량생산시스템 구축 등과 함께 전문인력 양성이 절실할 것이다.


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