생명공학기술
1. 개요
생명공학기술은 생물체와 그 구성요소를 활용하여 인간의 목적을 달성하는 광범위한 기술로, 가축화, 육종, 세포 배양 등을 포함한다. 유럽 생명공학 연맹은 생명공학을 생물체, 세포, 분자 유사체의 통합으로 정의한다. 기초 생물학을 기반으로 하며, 연구 개발, 생명 의학, 농업, 약학 등 다양한 분야에 응용된다. 1983년 한국에서 생명공학육성법이 제정되었으며, 정부는 바이오헬스를 신산업으로 선정하여 적극적으로 지원하고 있다. 생명공학은 의료, 농업, 환경, 산업 등 다양한 분야에 활용되며, 유전자 조작, 생물 다양성, 윤리적 문제와 관련된 규제가 이루어지고 있다.
| 설명 | 생물학적 시스템, 생물체, 또는 그 파생물을 사용하여 제품을 만들거나 수정하는 기술 |
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| 관련 분야 | 유전 공학 생물 공학 바이오닉스 |
| 주요 분야 | 농업 의학 산업 |
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| 최초 사용 | 1919년 칼 에레키가 "Biotechnologie der Fleisch-, Fett- und Milcherzeugung im landwirtschaftlichen Grossbetriebe"에서 처음 사용 |
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| 주요 논점 | 생명 윤리 유전자 조작 생물학적 안전 |
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2. 정의
생명공학은 인간의 목적을 위해 살아있는 유전자 조작 생물을 변경하는 광범위한 절차를 포괄하며, 동물의 가축화, 식물 재배, 인공 선택, 잡종을 사용한 육종 프로그램 등을 통해 "개선"하는 것을 포함한다. 현대에는 유전자 조작뿐만 아니라 세포 배양 및 조직 배양 기술도 포함된다. 유럽 생명공학 연맹(European Federation of Biotechnology)에 따르면 생명공학은 자연 과학과 생물체, 세포, 그 일부, 그리고 제품 및 서비스에 대한 분자 유사체의 통합이다.
생명공학은 인간의 삶을 개선하기 위해 제품을 생산하고자 생물학적 과정, 생물 또는 시스템을 활용하는 것을 의미한다.
3. 역사
인류는 신석기 혁명 이후 농업을 통해 식량을 생산하면서 생명공학을 활용해 왔다. 초기 농부들은 가장 적합한 작물을 선택하고 육종하여 수확량을 늘렸다. 발효 기술은 고대 메소포타미아, 이집트, 중국, 인도 등에서 맥주, 발효 빵, 간장 등 다양한 식품 생산에 활용되었다.
찰스 다윈이 활동하기 전부터 동식물 학자들은 이미 선택적 육종을 사용했고, 다윈은 과학이 종을 변화시킬 수 있는 능력에 대한 자신의 과학적 관찰을 통해 그러한 연구에 기여했다. 이것은 다윈의 자연 선택 이론에 기여했다.
19세기 후반, 루이 파스퇴르의 연구를 통해 발효 과정이 과학적으로 규명되었다. 20세기 초, 하임 바이츠만은 클로스트리디움 아세토부틸리쿰을 이용하여 옥수수 전분으로 아세톤을 생산하는 산업 공정을 개발했는데, 이는 제1차 세계 대전 중 영국이 폭발물을 제조하는 데 절실히 필요했다. 1928년 알렉산더 플레밍이 페니실리움을 발견하면서 페니실린 개발의 길이 열렸다.
1953년 DNA 이중 나선 구조 발견, 1967년 DNA 리가아제 발견, 1968년 제한 효소 발견, 1970년 대장균에 DNA 도입, 1973년 인공적인 유전자 재조합 기술 개발 등 분자 생물학의 발전은 생명공학의 획기적인 발전을 이끌었다. 1975년 단클론 항체 생산, 1977년 DNA 염기 서열 결정법 개발, 1985년 중합효소 연쇄 반응(PCR) 발명 등은 생명공학 연구에 필수적인 기술로 자리 잡았다.
1982년 유전자 재조합 인슐린이 최초로 상업화되면서 바이오 의약품 시대가 열렸다. 1990년 인간 유전자 치료가 시작되었고, 1994년에는 유전자 변형 토마토가 최초로 시판되었다. 1996년 복제 양 돌리가 탄생하면서 복제 기술의 가능성이 확인되었다. 1998년 인간 ES 세포 제작, 2000년 인간 게놈 초안 해독 등은 생명공학 연구의 새로운 지평을 열었다.
3.1. 한국 생명공학의 역사
1983년 생명공학육성법이 제정되어 한국 생명공학 분야 육성을 위한 법률적 기반이 마련되었다. 이 법은 바이오 분야 최상위 법률로서의 역할을 수행했다. 2020년에는 생명공학육성법 개정을 통해 생명공학 분야 정책 수립을 지원하기 위한 통계 조사 및 기술영향평가 등을 시행할 수 있게 되었다.
한국 정부는 바이오헬스를 3대 신산업 중 하나로 선정하고, 2019년 5월 '바이오헬스 국가비전'을 선포하는 등 생명공학 산업을 적극적으로 지원하고 있다. 2017년 12월에는 13대 혁신성장동력으로 맞춤형 헬스케어, 혁신신약을 선정하고, 2018년 8월에는 혁신성장 8대 선도 사업 중 하나로 바이오헬스를 포함시키는 등 주요 정책 방향에 바이오 분야를 지속적으로 포함하고 있다.
4. 분야 및 응용
생명공학기술은 의료, 농업, 환경, 산업 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.
생명공학기술은 미생물을 이용한 맥주 및 유제품 생산, 생물 침출을 이용한 채광 산업, 재활용, 폐기물 처리, 산업 활동으로 오염된 부지 정화(생물 정화), 생물학적 무기 생산 등에 활용된다.
생명공학기술의 여러 분야는 다음과 같이 분류된다.
* 생물 정보학(금색 생명공학기술): 계산 기술을 사용하여 생물학적 문제를 해결하고, 생물학적 데이터의 신속한 구성 및 분석을 가능하게 하는 학제간 분야이다. 계산 생물학이라고도 하며, 기능 유전체학, 구조 유전체학, 단백질체학 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 한다.
* 청색 생명공학기술: 해양 자원을 활용하여 제품과 산업 응용 프로그램을 만든다. 주로 광합성 미세 조류를 이용한 바이오 오일 생산에 사용된다.
* 녹색 생명공학기술: 농업 공정에 적용되는 생명공학기술이다.
* 적색 생명공학기술: 의료 및 제약 산업, 건강 보존에 생명공학기술을 사용한다.
* 백색 생명공학기술(산업 생명공학기술): 제조 공정에 생명공학기술을 적용한다.
* 황색 생명공학기술: 음식 생산(식품 산업)에 생명공학기술을 사용하며, 발효를 통해 와인(와인 제조), 치즈(치즈 제조), 맥주(양조)를 만드는 데 사용된다.
* 회색 생명공학기술: 환경 응용 분야에 전념하며, 생물 다양성 유지 및 오염 물질 제거에 중점을 둔다.
* 갈색 생명공학기술: 건조지 및 사막 관리에 관련된다.
* 자색 생명공학기술: 생명공학기술과 관련된 법률, 윤리 및 철학적 문제를 다룬다.
* 미생물 생명공학기술: 우주 및 미세 중력 환경에서 생명공학기술 응용 분야의 급성장하는 분야(우주 바이오 경제)에 대해 제안되었다.
* 흑색 생명공학기술: 생물 테러 또는 생물학적 무기 및 미생물과 독소를 사용하여 인간, 가축 및 작물에 질병과 죽음을 유발하는 생물전과 관련된다.
생명공학기술은 양조, 발효, 재생 의학, 신약 개발, 농작물 품종 개량 등 다양한 기술을 포괄하며, 농학, 약학, 의학, 치의학, 이학, 수의학, 공학, 위생, 복지, 영양학, 간호, 간병과 밀접하게 관련되어 있다.
분자 생물학이나 생물 화학 등 기초 생물학의 발전과 함께 응용 생물학으로서의 생명공학도 최근 괄목할 만한 발전을 이루고 있으며, 복제 생물 등 사이언스 픽션에 등장했던 다양한 공상이 현실이 되고 있다.
복제 기술이나 유전자 변형 작물 등은 윤리적 측면이나 자연 환경과의 관계에서 많은 논의가 필요한 분야이며, 유전자 조작이나 세포 융합 등의 기술에 관해 다양한 규제가 이루어지고 있다.
4.1. 의료 (레드바이오)
생명공학기술은 의료 및 제약 산업, 건강 보존에 응용되며, 이를 적색 생명공학기술이라고 한다. 이 분야는 백신 및 항생제 생산, 재생 치료법, 인공 장기 생성, 질병의 새로운 진단법 개발과 관련이 있다. 또한, 호르몬, 줄기 세포, 항체, siRNA 및 진단 검사 개발도 포함한다.
현대 생명공학기술은 제약 발견 및 생산, 약물유전체학, 유전자 검사(또는 유전자 선별검사)와 같은 분야에서 다양하게 활용된다. 2021년, 전 세계 제약 생명공학 회사 가치의 약 40%가 종양학 분야에서 나왔으며, 신경학 및 희귀 질환이 그 뒤를 이었다.
약물유전체학은 약리학과 유전체학을 결합한 기술로, 유전적 구성이 개인의 약물 반응에 미치는 영향을 분석한다. 연구자들은 유전적 변이가 환자의 약물 반응에 미치는 영향을 연구하기 위해 유전자 발현 또는 단일 염기 다형성과 약물의 효능 또는 독성을 연관시킨다. 약물유전체학의 목표는 환자의 유전자형에 따라 약물 치료를 최적화하여 최소한의 부작용으로 최대의 효능을 보장하는 것이다. 이는 각 개인의 유전적 구성에 맞춰 약물과 약물 조합을 최적화하는 "맞춤 의학" 시대를 열 것으로 기대된다.
생명공학기술은 전통적인 저분자 제약뿐만 아니라 생명공학의 산물인 바이오 의약품의 발견과 제조에도 기여했다. 현대 생명공학기술은 기존 의약품을 비교적 쉽고 저렴하게 제조하는 데 사용될 수 있다. 최초의 유전자 조작 제품은 인간 질병을 치료하기 위해 설계된 의약품이었다. 1978년 제넨테크(Genentech)는 대장균에 삽입된 플라스미드 벡터와 결합하여 합성 인간화 인슐린을 개발했다. 당뇨병 치료에 널리 사용되는 인슐린은 이전에는 도살장 동물의 췌장(소 또는 돼지)에서 추출되었다. 유전자 조작된 세균은 비교적 저렴한 비용으로 대량의 합성 인간 인슐린을 생산할 수 있다.
생명공학기술은 유전자 치료와 같은 새로운 치료법을 가능하게 했다. 인간 게놈 프로젝트를 통해 생명공학기술을 기초 과학에 적용함으로써 생물학에 대한 이해가 크게 향상되었으며, 정상 및 질병 생물학에 대한 과학적 지식이 증가함에 따라 이전에는 치료할 수 없었던 질병을 치료할 수 있는 새로운 의약품을 개발할 수 있게 되었다.
유전자 검사는 유전 질환에 대한 취약성을 유전적으로 의료 진단할 수 있게 해주며, 자녀의 친자 관계(유전적 어머니와 아버지)를 확인하거나 개인의 조상을 파악하는 데 사용될 수 있다. 개별 유전자 수준의 염색체 연구 외에도, 넓은 의미에서 유전자 검사는 유전 질환의 존재 가능성 또는 유전 질환 발병 위험 증가와 관련된 유전자의 돌연변이 형태에 대한 생화학적 검사를 포함한다. 유전자 검사는 염색체, 유전자 또는 단백질의 변화를 식별한다. 대부분의 경우, 검사는 유전 질환과 관련된 변화를 찾기 위해 사용된다. 유전자 검사 결과는 의심되는 유전 상태를 확인하거나 배제하거나, 유전 질환을 앓거나 전달할 가능성을 결정하는 데 도움이 될 수 있다. 2011년 현재 수백 건의 유전자 검사가 사용되었다. 유전자 검사는 윤리적 또는 심리적 문제를 야기할 수 있으므로, 유전자 검사에는 종종 유전 상담이 동반된다.
생명공학은 의료, 그중에서도 재생 의학 분야에서 널리 활용된다. 재생 의학의 예로 조혈 줄기 세포를 이용한 세포 이식이 있다. 혈액의 근원이 되는 조혈 줄기 세포를 백혈병과 같은 난치성 혈액 질환에 이식하여 혈액을 완전히 제공자 유래의 세포로 교체하는 치료법이다. 재생 의학은 뼈, 피부, 폐와 같이 단순한 구조를 가진 장기의 재생을 가능하게 하며, 실용화가 가까워지고 있다. 그러나 간이나 신장과 같이 복잡한 기능을 담당하는 장기의 재생은 아직 실용화까지 갈 길이 멀다. 재생 의학은 조직 공학이라는 분야의 접근 방식으로 성립되며, 환자와 완전히 유전적으로 일치하는 조직이나 장기를 교환할 수 있어 면역 거부 반응의 위험이 없다는 장점이 있다.
유전자 재조합 기술을 이용해 상업 생산된 최초의 의약품은 1982년에 출시된 인슐린이다. 이후 다양한 의약품이 생명공학을 이용하여 대량 생산되고 있다. 2021년에는 호르몬 제제, 항체 의약품, 유전자 치료제, 백신 등 모든 종류의 바이오 의약품 생산이 이루어지고 있다.
4.2. 농업 (그린바이오)
유전자 변형 작물은 1984년에 탄생하여 1996년 이후 주로 미국에서 재배가 시작되어 급속히 보급되었다. 유전자 변형을 통해 제초제나 살충제에 대한 내성을 갖춘 작물이 재배되고 있으며, 비타민 A를 부여한 황금쌀과 같이 유전공학을 통해 영양을 강화한 작물도 존재한다. 유전자 변형이 널리 이용되는 작물은 주로 콩, 면화, 옥수수, 유료 작물 등이다. 산토리 플라워즈와 플로리진이 2004년에 개발한 파란 장미와 같이 원예 작물의 개발도 이루어지고 있다. 이 외에도 식물의 생장점에는 바이러스가 침입할 수 없기 때문에, 줄기의 선단을 잘라내어 배양하는 경정 배양을 실시하면 바이러스에 오염되지 않은 묘목을 대량 생산할 수 있어 농업에서 널리 활용되고 있다. 또한, 약 배양에 의한 순계의 제작이나 배 배양에 의한 잡종의 창출도 이루어지고 있다.
4.3. 환경 (회색바이오)
미생물이나 식물을 이용하여 토양이나 지하수 등의 유해 물질을 제거하여 오염을 정화하는 기술은 생물 정화라고 불리며, 주로 유조선 사고 등으로 인한 석유 유출이나, 용제 및 중금속에 의한 지하수·토양 오염 등에 사용된다.
환경 변화에 따른 멸종으로부터 유전자원을 보호하는 것도 중요하며, 스발바르 세계 종자 저장소에 대표되는 종자 은행이나 유전자 은행도 세계 각지에 설립되어 있다. 멸종 위기종이나 멸종종의 복제를 생성하여 종의 부활을 목표로 하는 움직임도 일어나고 있다.
4.4. 산업 (화이트바이오)
생명공학기술은 미생물, 효소 등을 이용하여 화학 물질, 바이오 연료, 바이오 플라스틱 등 다양한 산업 제품을 생산하는 데 활용된다. 특히, 바이오 플라스틱은 생분해성 플라스틱으로, 해양 플라스틱 쓰레기 문제 해결에 기여할 수 있다. 바이오 에탄올, 바이오 디젤 등 바이오 연료는 화석 연료 고갈, 환경 오염 문제 해결에 기여할 수 있다.
4.5. 기타
생물정보학은 생명공학 연구에서 발생하는 방대한 데이터를 분석하고, 유용한 정보를 추출하는 데 활용된다. 청색 생명공학은 해양 생물 자원을 활용하여 의약품, 화장품, 식품 등 다양한 제품을 개발하는 분야이다. 황색 생명공학은 곤충을 이용하여 의약품, 식품, 사료 등을 개발하는 분야이다. 자색 생명공학은 생명공학 기술의 윤리적, 법적, 사회적 문제를 다루는 분야이다.
5. 규제
유전자 조작 기술, 특히 유전자 변형 작물 및 유전자 변형 어류를 포함한 유전자 변형 유기체(GMO)의 개발과 방출에는 위험이 따르기 때문에, 각국 정부는 이를 평가하고 관리하기 위한 규제를 시행하고 있다. 국가별로 GMO 규제 방식에 차이가 있으며, 특히 미국과 유럽 간의 차이가 크다. 유전자 조작 제품의 사용 목적에 따라서도 규제가 달라지는데, 예를 들어 식품용이 아닌 작물은 식품 안전 당국의 검토 대상에서 제외되는 경우가 많다. 유럽 연합(EU)은 GMO의 재배 승인과 수입 및 가공 승인을 구분하여, EU 내 재배 승인 GMO는 적지만 수입 및 가공 승인 GMO는 많다.
유전자 재조합 기술은 안전성 및 생물 다양성에 대한 우려로 인해 국제 협약 및 국내 법률에 따라 규제된다. 2003년 생물 다양성 협약의 바이오안전성에 관한 카르타헤나 의정서가 체결되었고, 한국은 이를 바탕으로 '유전자재조합생물 등의 사용 등의 규제에 의한 생물 다양성의 확보에 관한 법률'(유전자재조합생물 등 규제법)을 시행하여 유전자 재조합 생물 등의 사용을 규제하고 있다.
6. 생명공학 육성 정책 (한국)
바이오 기술은 경제 성장과 함께 질병 극복(레드바이오), 풍요로운 먹거리 제공(그린바이오), 쾌적한 환경 조성(화이트바이오)을 통해 국민 삶의 질 향상까지 달성 가능한 미래 유망 분야이다. 정부는 2017년 12월 '13대 혁신성장동력'에 맞춤형 헬스케어, 혁신 신약을 선정하고, 2018년 8월 '혁신성장 8대 선도 사업' 중 하나로 '바이오헬스'를 포함하였으며, 2019년 3월 '3대 신산업'에 시스템반도체, 미래 자동차와 함께 바이오헬스를 선정하여 '바이오헬스 국가비전(2019.5.)'을 선포하는 등 주요 정책 방향에 바이오 분야를 지속적으로 포함하고 중점적으로 지원·육성하고 있다.
2020년 생명공학육성법이 개정되어 생명공학 분야 정책 수립을 뒷받침할 수 있는 통계 조사와 기술영향평가 등을 시행할 수 있게 되었다.
생명공학육성법은 바이오 분야의 최상위 법률로, 1983년 제정된 이후 생명공학 분야 육성을 위한 법률적 바탕을 제공해 왔다.