첨단농업-식물공장

식물공장에서 재배되는 감자만 먹어도 무병장수!

분자농업과 식물공장

  전통적인 육종방법이 아닌 다른 미생물, 동물, 식물 등으로부터 새로운 유용 유전자들이 유전자 조작기법에 의해 도입되어 새로운 형질이 발현되는 transgenic plant(형질전환식물)는 1985년 미생물유래의 유전자를 담배에서 발현시킴으로써 시작되었다. 이후 몬산토, 아그레보 등의 거대 화학회사들이 라운드업, 바스타 등의 비 선택적 제초제에 대해 내성을 지니는 미생물 유전자를 작물에 도입하여 선택성을 지니는 작물을 만들어 내었으며 최근에는 생분해성 플라스틱 혹은 정밀화학제품 생산을 위한 환경친화적 바이오리액터로서 그 가능성이 폭넓게 검토되고 있는 추세이다. 이미 유전자가 조작된 작물(Genetically Modified Organism ; GMO)의 상업화가 이루어져 왔으며, 과거 식물을 주로 식량 확보 차원에서 농업적으로 이용하기 위해 유전자를 조작한 작물을 제 1세대 GM 작물이라고 한다면, 정밀화학제품 생산, 유용 단백질 생산 등의 고부가가치 산업적 응용, 주로 의학적 용도를 목적으로 개발된 작물을 제 2세대 GM 작물이라고 한다.

제 1세대 GM 작물   식량 증산의 차원에서 제초제 내성, 내병성, 내충성 유전자의 도입에 치중된 제 1세대 GM 작물들로는 콩, 옥수수, 면화, 카놀라, 감자, 호박, 파파야 등이 있다. 이들의 재배면적은 1996년에서 1999년 사이에 12개국에서 20배 이상이 증가하였으며, 이는 산업적 기준으로 볼 때 어떤 새로운 기술들보다도 빠른 증가율을 나타낸 것이다. 이러한 제 1세대 GM 작물들은 수많은 안정성 검사를 통과하여야만 상업적으로 성공할 수 있으며, 그나마도 환경단체들의 반발에 직면하여 GMO 표시제 등의 불이익을 받고 있다. 주요 개발국인 미국마저도 FDA를 통하여 향후 개발되는 GMO는 같은 종 (species) 간의 유전자 도입(예; 식물유전자를 다른 식물에 도입하는 경우)만을 승인해 주는 쪽으로 가고 있어 이미 수백만 불의 개발비를 들인 회사들로 하여금 축적된 연구결과와 경험으로 새로운 개발방향을 모색하게 만들었다.   제 2세대 GM 작물   식물분자생물학의 발전에 따라 식물체는 단순한 식량 증산의 대상이 아닌 양적, 질적으로 우수한 산업용 소재로써의 가능성이 점차 증가하고 있다. 새로운 형질을 도입하여 새로운 물질이나 기능을 부각시키려는 노력이 제 2세대 GM 작물에서 시도되고 있으며 궁극적으로는 유용 단백질원 생산 및 고부가 정밀화학제품 생산을 통하여 기존의 전통석유 화학기업들에게 새로운 도전의 기회를 제공하고 있다. Molecular Farming, Biocatalysis, Phytoremediation 등이 이에 해당된다. 특히 최근에는 혹한 조건에서도 성장성이 뛰어난 갈대등을 이용하여 침출수 처리, 환경처리등을 위한 시도가 이루어지고 있다.

 

  Molecular Farming(분자농업)이란 유전공학기술을 이용하여 새로운 유전형질을 도입하여 고발현 시킴으로써 고부가가치의 유용단백질(효소, vaccine) 자체를 생산하거나 대사공학적 처리에 의한 고부가 대사산물의 획득 및 유용한 oil류 등을 고 생산하는 기술을 의미하며 Plant Molecular Farming 또는 Biopharming이라고도 부른다. 식물 자체가 대기중의 탄소원을 사용하여 당을 합성하고 태양을 에너지원으로 하여 단백질을 합성할 수 있기 때문에 식물은 기존의 화학공정 산업에 비하여 절대적으로 낮은 비용으로 대량의 수용성 단백질과 정밀화학제품을 생산할 수 있는 이상적인 시스템이다. 대부분의 단백질 약품 혹은 정밀화학제품 생산은 대단위 공정이 필요하기 때문에 생산비용이 높지만 식물을 이용한 생산기술이 완성되기만 한다면 유전자 전이된 식물을 재배하여 이로부터 단백질 및 2차대사 산물들을 정제하여 바로 상업화가 가능한 저렴한 의약품 생산시스템이 될 것이다. 즉, 식물 자체가 목적이 아니라 새로운 의약품을 생산하는 일종의 bioreactor로서의 역할을 담당하게 될 것이다. 이러한 분자농업은 향후 10년 내에 500억불 이상의 가치를 지닌 시장으로 성장하게 될 것이다.

  먼저 어떠한 약품이나 백신을 생산할 것인지, 어떤 식물체를 호스트로 사용할지를 결정하여 식물체를 디자인한다. 새로운 유전자가 도입된 작물로부터 원하는 단백질의 대량생산성, 약효의 신뢰성, 다른 위험성의 존재 여부 등을 검사한 후 식물체를 대량생산한다. 필요에 따라 edible vaccine류는 그대로 사용하고, 정제가 필요한 단백질들은 정제 과정을 거친다.

  가장 많은 수요를 지니는 품목으로서 활발한 연구가 진행되고 있는 것이 항체(antibody)에 관련된 것이 많아 분자농업이라고 하면 단백질을 생산하는 것으로 알려져 있지만, molecular farming에 의해 생산될 수 있는 제품군은 단백질에 한정되는 것이 아니라 그 대상이 매우 넓다. 최근 분자농업 분야는 그 실용성이 증명되고 이에 따라 많은 연구 투자가 이루어지고 있다. 그 이유는 첫째 식물을 통하여 신기능물질을 생산하는 일이 동물 시스템에서 요구되는 산업적 설비에 비해 경제적이고, 둘째는 대량 생산 과정과 분리가 상대적으로 쉽고, 셋째는 미생물과 달리 동물 세포 시스템과 비슷한 단백질의 번역 과정 후의 변형을 가지고 있으며, 넷째로 식물의 종자 내에 생성 물질의 집적을 유도함으로써 추출 및 전제를 쉽게 할 수 있고 장기 저장이 가능하기 때문이다. 그리고 병원균 및 독성 물질의 오염으로부터의 위험 요소가 동물에 비해 식물이 상대적으로 적기 때문으로 분석할 수 있다.

▶ Molecular Farming의 장점 ◀ 분자농업이 지니는 장점은 다음과 같다 1) 대량생산이 가능해 정밀화학제품 및 단백질류의 생산비용을 대폭 절감할 수 있다. 2) 안전성이 높다. 즉 인간 질병의 발병 원인이 되는 바이러스나 프리온과 같은 단백질의 오염 위험도가 적다. 3) 식물내에서 생산된 단백질은 인체에서와 매우 유사한 접힘(folding) 형태를 지닌다. 4) 공기중의 탄소원과 태양에너지를 근원적인 에너지원으로 사용하여 생산단가가 절대적으로 저렴하다

 

  식물체는 무한정 존재하는 대기중의 이산화탄소를 사용하여 대사과정을 거쳐 단백질 및 복잡한 유기화합물을 무한대로 합성해 낼 수 있다. 여타의 석유화학공업 혹은 미생물 발효시스템이나 동물 세포배양에 비해 더 효과적이고 경제성이 높아 분자농업이 약품 생산비용을 크게 줄여줄 수 있을 것으로 보고 있다. Epicyte Pharmaceuticals사는 동물세포 배양으로 ＄333.00/g, 유전자 재조합 소의 우유로부터 약 ＄100/g이 들어가는 항체생산비용이 분자농업을 통해 옥수수 단계에서는 ＄0.20/g, 최종 정제단계에서는＄3.70~20/g이 들어갈 것으로 내다보고 있다.

  식량생산이 목적이 아닌 의약품 생산을 목적으로 한 식물은 한정된 좁은 면적에서도 손쉽게 대량생산이 가능하다. 한국과 같이 국토가 좁은 나라에서 고부가가치의 농작물을 생산할 수 있는 대안이 될 수 있을 것으로 본다.

  식물에서 약품을 추출하는 과정을 거치지 않고 그대로 섭취해도 되는 경우가 있다. 유전적으로 조작된 식물을 먹기만 하면 질병을 예방할 수 있는 edible vaccine들이 현재 임상실험단계에 있다. 지금처럼 유전자가 조작된 동물세포를 이용한 의약품생산 방법은 비용이 너무 많이 들기 때문에 때로는 환자 1명이 1년 동안 부담해야하는 돈이 수백만 원에서 수천만 원에 이르기도 한다. 앞으로는 간단히 감자나 옥수수, 바나나를 먹는 것으로 치료 및 예방효과를 거두게 될 날이 도래할 것이다.

 하지만, 분자농업에 의해 만들어진 제 2 세대 GM 작물들도 제 1세대 작물에 비해 적기는 하지만 안정성 및 환경영향평가를 극복해야하는 문제점이 여전히 남아있다. 유전자 조작을 통해 의약품을 만들어내도록 변형된 식물의 생산은 농업에 있어서 유전공학의 새로운 흐름을 대표하고 있는 것으로 보인다. 그러나 최근 제초제 저항성 콩, 내충성 옥수수 등의 GMO 작물에 의한 식량 생산에 대해 안전성과 이것이 환경에 미치는 영향에 대한 논쟁이 시작되면서, 분자농업 또한 이 연장선상에서 여러 가지 우려가 제기되고 있다.

  제 1세대 GMO 작물(콩, 옥수수, 감자)은 GMO 표시제를 통하여 1~5% 라는 비의도적 혼입율을 정하고 있다. 이것은 안정성의 문제라기보다는 소비자의 선택권을 주자는 취지에서 정해진 것이다. 그러나, 제 2세대 GMO 작물은 식량이 아니라 한정된 사람을 위한 의약품을 생산하는 것이 목적이다. 이러한 작물이 일반 사람들의 식량 속에 섞여 들어갈 위험성이 있다. 식물이나 종자가 비의도적으로 가공과정에서 잘못 혼입되거나, 의약품을 함유하고 있는 작물의 꽃가루가 근처의 보통 식물에 수분되는 경우도 일어날 수 있다. 이 경우 곤충들이 수분과정에 작용을 하는 경우와 의약품을 함유하고 있는 식품을 먹거나, 약품이 뿌리를 통해 토양으로 스며들 가능성도 있다. 캘리포니아대학의 유전학 교수, 노먼 엘스트랜드는 화분의 이동에 대해 알려져 있는 것이 많지 않다면서 “다른 식물과의 재배거리를 늘리는 것만으로 모든 문제가 해결될 수 있을지는 불분명하다”고 말했다.

  이러한 우려에 대해 분자농업을 실험하고 있는 기업이나 연구진들은 다양한 대책 마련에 부심하고 있다. 예를 들어, Crop Tech사는 자신들이 실험하고 있는 담배가 완전히 성숙하여 꽃을 피기 전에 수확함으로써 다른 식물과의 잡종이 탄생하는 것을 예방할 것이라고 밝혔다. 또한, 농기구를 깨끗이 관리하는 방법으로 유전자의 전이를 막는 것도 한 방법으로 제시되고 있다. 소량으로도 충분한 효과를 발휘하는 약품을 함유한 식물의 경우 야외의 밭이 아니라 격리된 온실에서만 재배하는 방법을 택할 수도 있다. 이밖에 수확 후 가공과정에서 약품을 함유한 식물이 다른 작물과 섞이는 것을 막기 위해 식물에 색깔을 바꾸는 유전자를 이식하는 방법도 연구되고 있다.

  분자농업으로 생산된 작물들이 점차 증가하게 되고 곧 시장에 등장하게 될 상황에 이르자, 정부 당국은 이들 작물의 안전성을 확보하는 방법을 놓고 고민을 하고 있다. 환경에 해를 끼칠 가능성을 최소화하기 위해 약품을 생산하는 모든 식물의 실험을 반드시 정부의 허가를 받도록 하고 있으며, 약품을 함유한 식물이 보통 식물과 교배되는 것을 막기 위해 약품을 함유한 식물과 보통 식물 사이의 거리가 보통 종자 회사들이 씨앗의 순수성을 지키기 위해 확보하는 거리보다 두 배가 되도록 규정하고 있다. 아울러 이들 GM작물들에 대한 검증을 위하여 국가적 차원의 Lab Testing Protocol의 확립, GMO 진단시약등의 개발과 관련된 기술연구가 날로 중요시된다.

  ISAAA의 보고서에 따르면, 생명공학 기술은 미래에도 식량 증산과 인류의 보다 좋은 건강과 환경 친화적인 농작물을 생산하고자 새로운 기능성 부여를 통한 가치 창조에 크게 기여할 것으로 예상하였다. 또한 생명공학작물의 바이오 연료 (에탄올과 바이오 디젤)로서의 이용 연구는 여타 많은 나라에서 주요 신규 개발이 있을 것으로 전망하고 있으며, 식물을 이용한 의약용 소재, 및 백신 등의 개발 연구가 가속화 및 실용화로 이어질 것으로 전망하였다.

  식물을 단백질 생산을 위한 공장 개념으로 이용하겠다는 여러 성공적인 연구 결과를 바탕으로 초기의 연구에는 비교적 형질전환이 쉬운 담배를 발현 시스템으로 사용하였으나 현재는 감자를 비롯한 꽈리, 토마토, 당근, 시금치, 알팔파 등에서 경구백신 및 생의약품의 생산을 위한 연구가 진행되어졌고 앞으로는 여타의 식물에 비해 단백질 함량이 높은 콩과류에 대한 연구가 한층 더 진행되리라 생각한다. 면역 접종이 어려운 국가의 여건에 맞는 바나나와 같은 유사한 식물체에 형질 전환이 이뤄지리라 생각하고 저개발국가의 질병 치료에 커다란 도움이 될 것이며, 인체를 대상으로 할 때 비교적 알레르기 유발 물질이 적은 쌀을 비롯한 채소류를 이용한 경구 백신 및 치료의약품 연구도 진행되리라 생각된다.

  국내의 통계자료를 바탕으로 국내의 농업 기반 여건을 보면 총인구대비 농가 인구 3백 4십 1만명로 세계농업 인구 비중 0.13%를 차지하고 있으며 경지면적 1,846 (1000ha)로 세계 95위로 비중은 0.12%이다. 곡물전체 단위당수량은 2004년 6,493kg/ha로 세계 3,348kg/ha를 능가하며 이중 쌀 단위당 수량은 6,729kg/ha로 세계적 4,017kg/ha을 능가하고 있다. 이러한 국내의 농업 기반 여건은 세계의 총생산량에 비하면 작은 경지 면적으로 인한 부분적인 생산력에 기여하고 있다 하겠다. 또한 생산력 증대의 문제는 선진국 수준에 이미 진입하였다. 그러나 넓은 경지 면적과 다국적 기업을 내세우는 국가들로부터 수입개방 압력의 거셈과 저가의 공세는 현 한국 농업에 어려운 문제점을 안겨주고 있다. 이러한 국내?외 여건을 바탕으로 생명공학을 이용한 농업의 고부가 가치화 작물 개발은 실현 가능할 것으로 생각된다. 그중 제 3세대 농업생명공학으로 알려져 있는 식물 시스템을 이용한 단백질 의약품 및 경구백신 생산기술은 작물의 역할 중 고전적 측면인 인체와 동물에 필요한 기초 영양분을 공급하는 영양학적 역할과 식량생산기능을 산업화소재 생산 기능으로 전환 할 수 있는 기술로 알려져 있다. 식물시스템을 이용하여 바이오의약품 및 산업용 소재를 생산하는 식물공장(plant factory) 연구개발의 필요성은 농업생명공학 연구 성과의 산업화 촉진 및 분자농업에 의한 새로운 농업생산 및 소득을 창출할 것으로 기대한다.

 

  최근 일본의 산업기술종합연구센터 내에 세계 최초의 밀폐형 유전자 재조합 식물 공장이 설치되었다. 이 시설은 유전자 확산 방지 조치를 강구한 식물 공장과 의약 생산용 GMP 기준에 대응한 의약품 원료 제조 시설을 일체화한 것이다. 이처럼 분자농업과 도심·건물 내에서 재배하는 개념인 식물공장이 복합되면 미래의 농업 또는 생산방식에 큰 혁신이 가능하다. 이러한 식물공장은 폐쇄된 건물 내에서 재배하므로 생태계 교란 가능성을 제어할 수 있으며 대규모 식물 재배가 가능하여 안정적인 식량자원 확보에도 기여할 수 있다.

새로운 농업개념 Vertical Farming ·도심의 대형 건물에서 자동화 장비를 이용하여   대규모로 식물을 재배하는 방식 - 농업용수를 재사용하여 물 부족 문제를 해결하고 태양열이나 지열을 이용하여 에너지 사용량도 감축 -4계절 재배가 가능하고 외부로부터의 병충해 오염을 차단하여 토양재배보다 10배 이상의 수확이 가능 (자료 : The vertical Farm Projects)

 

  많은 규제와 제약이 따르겠지만 분자농업의 미래는 밝을 것이며 보다 안전한 고발현시스템과 대사공학적 경로를 조절기능을 갖춘 작물자체가 미래의 정밀화학산업과 신 바이오산업의 발전방향과 연관되어 매우 중요한 기술의 주류를 이룰 것이다. 이러한 기술조류 (technology trends) 는 앞으로 인지하지도 못한 사이에 우리의 삶과 연관되어 진행될 것은 자명하다. 향후 미래 인류는 약품을 제조하기 위해 화학공장에서 배출되는 폐수와 매연을 관리하는 것보다 손쉽게 GMO 작물을 관리할 수 있는 법적, 기술적 시스템을 확립하는 것이 인류의 미래 환경을 더욱 안전하고 깨끗하게 유지시켜 줄 수 있음을 주지하고, 이에 대한 기술발전의 방향을 설정해야 할 것이다.