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합성생물학은 인류의 복지와 경제성장을 동시에 달성하는 바이오경제(bioeconomy)를 가능하게 하는 플랫폼 기술(Platform technology)로 각광받으며, 산업전반에 거쳐 다양한 응용잠재성을 기반으로 고부가가치의 바이오연료, 의약품, 유기물질 등을 생산하거나 암을 제거하는 미생물(microorganisms)을 만들 수 있으며, 온실가스 배출 감소와 식량 및 에너지 안보 문제도 해결할 수 있을 것으로 예상하고 있다.

이처럼 치명적인 유전자 결함을 제거하기 위한 강력한 도구 개발이라는 긍정적인 면과 함께 자칫 시장 주도의 우생학으로 발전할 수 있다는 악용 가능성에 대한 문제가 제기되며, 이를 차단할 수 있는 제도 마련이 시급하다는 의견이 점차 높아지고 있다.

이와 같이 바이오안보에 대한 중요성이 커지고 있는 상황에서 바이오안보 위험이 초국가적이고 글로벌한 차원에서 발생하는 만큼 이에 대한 대응체계도 글로벌 차원에서 구축해야 하는데, 글로벌 대처 방안은 ▲정부, 민간 부문, 국제 및 비정부기구 간의 부문 간 통합을 촉진 ▲ 바이오 테러 및 기타 위험을 줄이기 위한 단호한 병원균의 통합 및 확보라는 세계적 목표를 추진 ▲ 바이오안보 개선에 중점을 둔 기술 및 의학적 진보를 저해하는 장벽을 제거 ▲ 급속한 과학적 및 기술적 진보와 보조를 맞추기 위해 규범을 업데이트할 것을 지지 ▲ 글로벌 보건안보 의제를 지지하는 강력한 비정부기구 활동의 개발을 이끌어낸다는 슬로건을 내놓고 있다.

또한, 합성생물학은 식량ㆍ연료ㆍ기후와 관련해 현재 지구가 직면하는 실존적 환경 위기의 대안으로 떠오르고 있는데, 현재 세계 전체 육지의 약 40%가 인간의 식량 생산에 할애되고 있지만, 그럼에도 불구하고 세계 인구의 9명 중 1명은 배고픔을 경험할 만큼 식량부족에 시달리고 있는 상황에서 식물과 고기의 합성 등과 같은 방식을 통해 식량난을 해결할 수 있을 것으로 예상하고 있다.

뿐만 아니라 2050년이 되면 추가로 늘어나는 인구 20억 명에 대한 식량이 확보되어야 하는 상황에서 합성생물학은 인간이 원하는 목적에 맞는 연구를 통해 유전자 변형 미생물을 만들어 내거나 품종개량 등을 통해 척박한 환경에서도 살아남을 수 있는 작물을 만들어 식량을 생산함으로써 새로운 해결책을 제시할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

또한 기후변화를 해결하기 위해서는 전세계가 탄소 배출량을 2050년까지 완전히 없애야 하는 상황에서 합성생물학은 화석연료통 대신 연료를 생산하는 미생물이 담긴 통을 장착한 자동차를 생산하거나 서로 다른 기능을 인공적으로 합성해 전혀 새로운 물질로 전환하는 특성을 활용함으로써 대체에너지로 활용하는 등 새로운 가치를 불어넣을 것으로 예상하고 있다.

이처럼 환경오염을 극복할 대안으로 합성생물학이 주목받고 있는 가운데, 현재 치명적인 해양오염을 일으키는 유조선 원유 유출 사건의 경우, 인간의 노력만으로 해결하기 힘든 대량의 원유 유출 기름을 분해할 수 있는 자생 박테리아의 유전자를 해독을 거쳐 박테리아를 대량 생산함으로써 오염을 해결할 수 있는 합성생물학 연구가 진행 중인 것으로 알려지고 있으며, 그밖에 사막에서 잘 자라는 식물을 합성함으로써 환경 문제도 해결이 가능할 것으로 분석하고 있다.

또 질병에 있어 합성생물학은 DNA를 구성하는 아데닌(A), 티아민(T), 구아닌(G), 시토신(C) 외에 인공염기를 추가해 질병에 훨씬 더 강한 환경을 만들거나, 유전자 조작을 통해 질병의 발생을 미리 막거나 치료를 할 수도 있으며, 또한 질병 관련 유전자를 제거하고, 심신의 능력을 향상시키는 유전자를 개발ㆍ확대함으로써 근본적으로 향상시킬 수 있을 것으로 예상하고 있다.

세계 합성생물학의 시장규모는 2018년 42억 7,000만 달러에서 연평균 20% 성장률을 보이며 2023년에는 104억 9,000만 달러 규모까지 확대될 것으로 전망되고 있다.

이에 우리 정부는 2021년 10월에 ‘바이오 제조혁신을 위한 합성생물학 생태계 조성방안’을 수립하였다.

합성생물학 집중 육성을 통해 바이오제품 생산 시간ㆍ비용은 1/2로, 혁신신약ㆍ소재 연구개발 효율은 2배로 제고한다는 목표 하에 ①인공세포 설계ㆍ제조 원천기술, 바이오제조공정 혁신요소기술 등 합성생물학 핵심기술을 선제 확보하고, ②합성생물학 전(全)과정(D-B-T-L)을 고속ㆍ자동화할 정부주도의 공공 K-바이오파운드리를 구축해 나가고자 한다. 또한, 합성생물학 분야 전문인력 양성, 기술 활용을 위한 유전자변형생물체법 등의 법ㆍ제도 보완 등 생태계 조성과 함께 합성생물학 기반 제품개발 및 창업 활성화도 적극 지원해 나갈 계획이다.

이와 더불어 정부는 2021년 12월 22일, ‘국가필수전략기술 선정 및 육성ㆍ보호 전략’에서 10개 국가 필수전략기술 중의 하나로 ‘첨단 바이오’를 선정하면서 집중 육성ㆍ보호하기 위한 지속적 투자 확대, 세제ㆍ기반(인프라)ㆍ인력 등 민간혁신 촉진, 기술유출 방지 등 전방위적 지원 강화, ‘국가필수전략기술 육성에 관한 법률’ 제정 추진으로 지속적 목표 달성을 위한 기반을 마련하고자 한다.

이에 IRS글로벌은 ‘합성생물학(Synthetic Biology)’의 국내외 기술ㆍ연구개발 동향 및 산업 분야별 활용 전망까지 종합적으로 분석, 정리하여 관련 분야에 관심을 갖고 계신 분들께 미력하나마 도움을 드리고자 본서를 기획, 출간하게 되었습니다.

Ⅰ. 합성생물학과 유전공학의 혁신 기술 트렌드

1. 포스트 코로나 시대 합성생물학(Synthetic Biology) 기술

  1-1. 포스트 코로나 시대 의료산업

    1) 바이오 경제 시대

    2) 헬스케어 산업의 혁신적인 변화

    3) 치료 방식의 변화 유전체 시퀀싱(Sequencing)

  1-2. 바이오 혁신기술 합성생물학(Synthetic Biology) 산업의 개요

    1) 합성생물학 산업

    2) 합성생물학 개념

  1-3. 합성생물학(Synthetic Biology) 기술

    1) 합성생물학 개발 이력

      (1) 새로운 변화

      (2) 개발 이력

    2) 합성생물학의 발전

    3) 합성생물학의 활용 분야별 변화와 부작용

      (1) 활용 분야별 변화

      (2) 예상되는 부작용

  1-4. 합성생물학(Synthetic Biology) 과정

    1) 합성생물학과 DNA

      (1) DNA 구조

      (2) DNA와 합성생물학

    2) 합성생물학과 유전자 네트워크

    3) 합성생물학과 유전자 배열

      (1) 유전자 개념

      (2) 유전자 기능

    4) 유전암호와 단백질 합성

      (1) 유전암호(Genetic code)

      (2) 단백질 합성

        ① 전사(transscrption)

        ② 번역(Translation)

    5) DNA, RNA 단백질의 기능

      (1) DNA(Deoxyribo Nucleic Acid) 단백질

      (2) RNA(RiboNucleic Acid) 단백질

        ① RNA 간섭(RNA interference, RNAi)

        ② 작은 간섭 RNA(small interfering RNA, siRNA)

        ③ 마이크로RNA(microRNA, miRNA)

        ④ RNA 간섭과 질병 치료

    6) 합성생물학의 핵심 기술 합성유전자 배열

      (1) 합성유전자 배열

      (2) 합성세포 프로세스

2. 유전공학(genetic engineering)과 생물학

  2-1. 유전공학(genetic engineering)

    1) 유전공학의 개요

      (1) 유전공학 개념

      (2) 유전공학(genetic engineering)과 유전체 공학(genomic engineering)의 차이

    2) 유전자가위, 크리스퍼-카스9(CRISPR-Cas9)

      (1) 유전자가위 개요

        ① 유전자가위 개념

        ② DNA 절단 및 복구 과정

        ③ 유전자 편집(Gene Editing) 기술

      (2) 제3세대 유전자가위 크리스퍼-카스9(CRISPR-Cas9)

  2-2. 시스템 생물학(systems biology)

    1) 유전체(genome)

      (1) 유전체 정보 분석

      (2) 유전체 기능 분석

    2) 전사체(transcriptome)

      (1) 전사체학 개념

      (2) 전사체 분석

    3) 단백질체(proteome)

      (1) 단백질체 개념

      (2) 단백질체 분석

    4) 대사체(metabolome)

      (1) 대사체 개념

      (2) 대사체 분석

3. 합성생물학(Synthetic Biology) 기술 개발 동향

  3-1. 인공 생체 고분자 / 인공 세포

    1) 인공 생체 고분자 / 인공 세포의 개요

    2) 주요 연구개발 동향

      (1) 인공 생체 고분자

      (2) 인공 세포

    3) 新기술 전개 및 이슈

    4) 향후 기술 과제

  3-2. 유전자 합성

    1) 유전자 합성 개요

    2) 유전자 합성 기술

  3-3. DNA 해독 기술 게놈 엔지니어링(genome engineering)

    1) 합성생물학과 게놈 해독

      (1) 생명공학 기술 바이오 융합

      (2) 생명 언어를 다루는 기술 게놈 분석(Genome sqence)

        ① 게놈분석(Genome) 개요

        ② 게놈 분석 기술 동향

  3-4. DNA 클로닝(cloning)

    1) DNA 클로닝(cloning) 개념

    2) DNA 클로닝(cloning) 기법

    3) 유전자 클로닝(cloning) 목적

  3-5. 유전체 데이터

    1) 유전체 정보분석

      (1) 단일 유전자 검사(Sanger sequencingㆍ생어 시퀀싱)

      (2) 인간게놈프로젝트(Human Genome Project)

      (3) 차세대 염기서열 분석(Next Generation Sequencing)

      (4) 차세대 염기서열 분석(NGS) 기술의 종류

        ① 전장엑솜시퀀싱(Whome Exome Sequencing, WES)

        ② 전장유전체시퀀싱(Whole Genome Sequencing, WGS)

        ③ 목표유전자시퀀싱(Targeted Gene Sequencing, TGS)

        ④ 유전체 분석 기술과 디지털 헬스케어

    2) 유전체 개인 맞춤 분석

  3-6. 부위 특이적 돌연변이(Site-Directed Mutagenesis, SDM)

Ⅱ. 합성생물학 주요 분야별 연구개발 동향 분석

1. ‘유전자 가위’ 연구개발 동향 분석

  1-1. 분석절차

  1-2. 연도별 연구 동향

  1-3. 인용 상위 연구

  1-4. 주요 단어 및 네트워크 분석

  1-5. 주제 분석

  1-6. 연구 주제별 평균 인용 수

  1-7. 연도별 주요 학술지

  1-8. 주제별 전망

  1-9. 오픈엑세스 저널 비율

  1-10. 펀딩연구의 비율

2. ‘시스템생물학’ 연구개발 동향 분석

  2-1. 분석절차

  2-2. 연도별 연구 동향

  2-3. 인용 상위 연구

  2-4. 주요 단어 및 네트워크 분석

  2-5. 주제 분석

  2-6. 연구 주제별 평균 인용 수

  2-7. 연도별 주요 학술지

  2-8. 주제별 전망

  2-9. 오픈엑세스 저널 비율

  2-10. 펀딩연구의 비율

3. ‘바이오플라스틱’ 연구개발 동향 분석

  3-1. 분석절차

  3-2. 연도별 연구 동향

  3-3. 인용 상위 연구

  3-4. 주요 단어 및 네트워크 분석

  3-5. 주제 분석

  3-6. 연구 주제별 평균 인용 수

  3-7. 연도별 주요 학술지

  3-8. 주제별 전망

  3-9. 오픈엑세스 저널 비율

  3-10. 펀딩연구의 비율

4. ‘바이오안보’ 연구개발 동향 분석

  4-1. 분석절차

  4-2. 연도별 연구 동향

  4-3. 인용 상위 연구

  4-4. 주요 단어 및 네트워크 분석

  4-5. 주제 분석

  4-6. 연구 주제별 평균 인용 수

  4-7. 연도별 주요 학술지

  4-8. 주제별 전망

  4-9. 오픈엑세스 저널 비율

  4-10. 펀딩연구의 비율

Ⅲ. 합성생물학 주요 활용분야별 적용 동향 및 시장 전망

1. 합성생물학의 주요 활용분야별 적용 동향과 전망

  1-1. 의료 분야

    1) 게놈백신(Genomic vaccines)

    2) 신약 분야

    3) 바이오센서

  1-2. 바이오연료, 재생에너지

  1-3. 바이오소재, 그린 화학제품

    1) 바이오 플라스틱(bioplastic)

    2) 바이오 화장품

  1-4. 농업

2. 합성생물학과 바이오안보

  2-1. 바이오안보의 개요

  2-2. 바이오 안전 및 안보의 중요성

    1) 생명윤리(bioethics) 논란

    2) 생물안전성(biosafety) 논란

    3) 생물안보(biosecurity) 논란

      (1) 감염병(Infectious Diseases)

      (2) 바이오테러(Bioterror)

      (3) 생물학무기(Biological Weapons)

3. 국내외 합성생물학 산업동향 및 시장 전망

  3-1. 주요국별 합성생물학 산업 및 정책 동향

    1) 미국

      (1) 산업 동향

      (2) 정책 동향

      (3) 주요 바이오파운드리

        ① Agile Bio Foundry (ABF)

        ② DAMP Lab

        ③ iBioFAB(Illinois Biological Foundry for Advanced Biomanufacturing)

    2) 중국

      (1) 산업 동향

      (2) 정책 동향

      (3) 주요 바이오파운드리

        ① Shenzhen Biofoundry

        ② MOE(Frontier Science Center for Synthetic Biology)

    3) 영국

      (1) 산업 동향

      (2) 정책 동향

      (3) 주요 바이오파운드리

        ① EGF(Edinburgh Genome Foundry)

        ② London Bio Foundry

        ③ Earlham Bio Foundry(Earlham Institute)

        ④ SYNBIOCHEM

    4) 한국

      (1) 산업 동향

      (2) 기술 수준

      (3) 생태계

  3-2. 시장 전망

  3-3. 국내 정책 추진 동향

    1) 합성생물학 핵심기술 선제적 확보

      (1) 빅데이터ㆍAI기반 인공세포 설계ㆍ제작 원천기술 확보

      (2) 바이오 제조공정 혁신을 위한 단계(DBTL)별 요소기술 개발 

    2) 정부 주도의 공공 바이오파운드리 구축

      (1) 합성생물학 기반 D-B-T-L 코어 중심의 K-바이오파운드리 구축

      (2) 바이오파운드리 핵심 장비 국산화

    3) 합성생물학 기반 바이오 제조혁신 조기 성과 창출

      (1) 기존 산업의 바이오 융합 新산업 창출 지원

      (2) 합성생물학 기반 제품 개발 지원 및 창업 활성화

      (3) 민간부문의 합성생물학 R&D 투자 부담 완화

    4) 합성생물학 발전 생태계 조성

      (1) 합성생물학 미래 전문 인력 양성

      (2) 사회적 수용성 확보 및 규제 개선

      (3) 국내 역량 결집 및 국제 협력 활성화