제1절 식품산업

320

LMO 응용 및 산업화9유전자변형기술은 기능성 및 치료물질을 함유한 식품 및 농∙축산물에서부터 저탄소 녹색성장을 위한 바이오화학제품 및 바

이오에너지, 맞춤형 치료를 위한 바이오의약품 등 다양한 분야에서 친환경적이면서도 경제적으로 제품을 생산하는 데 응용

되고 있으며, 이로써 LMO는 점점 더 우리 실생활에 가까워지고 있다.

최근 유산균 발효, 기능성 및 유효성분의 량

생산, 체식량 생산 등 생물체를 이용해 식품 및

관련 물질을 생산하는 데 생명공학기술이 활용되

고 있다. 나아가 동∙식물, 미생물과 같은 식품원

료가 본래 가지고 있지 않은 외부 유효성분 유전

자를 삽입시켜 만든 유전자변형 가축, 양성이

강화된 작물, 고부가가치 기능성 물질, 알레르기

비유발 식품, 동∙식물세포 이용 생리활성물질의

생산 등과 같이 일반식품산업에서 이루지 못한

새로운 개념의 것을 생산하는 데까지 이용되고

있다.

이에 본 절에서는 유전자변형생물체(이하

‘LMO’)를 이용한 식품산업에 한 추이를 살펴

보기 위해서 최근 유전자변형기술을 이용하여 개

발된 LMO를 식물, 동물, 미생물로 분류하여 그 특

징을 소개하고자 한다.

1_ 유전자변형 작물을 이용한식품산업

1994년, 칼진(Calgene)사에서 처음으로 개발된

유전자변형 작물인‘잘 무르지 않는 토마토(Flavr

Savr�)’를 시작으로 1995년, 미국 몬산토(Mosan

-to)사에서는 자사의 유명 제초제인 라운드업

(Roundup�)에 반응하지 않는 미생물 효소 유전자

를 이식한 콩을 출시하 다. 이와 더불어 해충저

항성 옥수수(YieldGard�)와 해충저항성 목화

(Bollgard�)가 본격적으로 상품화되면서 1996년

이래로 유전자변형 작물의 규모 상업적 재배가

실시되었다. 특히 2000년에는 비타민 A가 강화된

황금쌀(Golden Rice)이 개발되어 저개발 국가에

게 개발기술을 무상으로 공여하기에 이르 다.

AgBios에 보고된 유전자변형 작물 중 식품안전

성 및 환경위해성 심사를 거쳐 식품산업에 이용

가능한 작물은 감자, 멜론, , 벼, 사탕무, 호박,

321

캐놀라, 옥수수, 콩, 토마토, 파파야, 자두(플럼) 등

12개 작물, 99품목이며, 부분이 제초제저항성

및 해충저항성 작물이다(표 4-9-01 참조).

한편 다음에 열거된 작물들은 품질향상 등 인

체안전성 및 환경위해성 심사를 거쳐 향후 식품산

업에 적용할 수 있는 유전자변형 작물의 예이다.

가. 유전자변형 벼

1999년, 스위스의 Ingo Potrykus 박사 연구팀이

비타민 A의 전구체인 베타카로틴을 합성할 수 있

는 황금쌀(Golden Rice)을 개발한 이래로 초기의

황금쌀보다 베타카로틴을 23배 더 많이 축적할 수

있는 황금쌀 Ⅱ(Golden Rice Ⅱ)가 2005년 신젠타

(Syngenta)사 연구팀에 의해 개발되었다. 또한 2005

년, 빌게이츠재단에서는 흡수력이 좋은 비타민 A,

비타민 E, 철, 아연, 단백질의 함유량을 증가시킨

황금쌀을 개발하는 데 투자하 다.

국내에서도 2008년 2월, 농촌진흥청 농업생명

LMO

응용

및산

업화

4부

제9장

감자

멜론

벼

사탕무

호박(스쿼시)

카놀라

옥수수

콩

토마토

파파야

자두(플럼)

12개 작물

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

총계

해충저항성(2), 해충∙바이러스저항성(2)

숙기조절(1)

제초제저항성(7)

제초제저항성(5)

제초제저항성(3)

바이러스저항성(2)

제초제저항성(7), 웅성불임/제초제저항성(5), 지방산개선(3)

해충저항성(7), 제초제저항성(9), 해충∙제초제저항성(23),

웅성불임∙제초제저항성(3), 라이신 강화(1),

라이신 강화∙해충저항성(1), 아 라제 강화(1)

제초제저항성(7), 올레인산 강화(2)

숙기조절(5), 해충저항성(1)

바이러스저항성(1)

바이러스저항성(1)

99 품목

<표 4-9-01> 유전자변형 작물의 상업적 승인 현황 (2008년 2월 기준)

작물명NO. 특성 (승인 품목수)

출처 : AgBios, 2008

322

공학연구원에서 비타민 A가 함유된 유전자변형

쌀인‘황금쌀’을 개발하여 안전성심사가 진행 중

이다. 이 외에도 쌀 생산성 향상을 위한 연구가 다

각도로 진행 중인데 2008년 9월에는 미국 캘리포

니아 학교의 연구진들이 감염성 질환에 저항성

을 보이는 XB15를 분리하여 생산성이 높은 벼를

개발하 으며, 미국 펜실베이나 주립 학교 연구

진들은 벼에서 쌀의 무게와 크기를 조절하는 GIF1

유전자를 동정한 후 이를 과발현시키자 일반쌀보

다 훨씬 크고 무거운 낟알을 생성하 다고 보고하

다. 연구진들은 본 연구결과를 토 로 쌀 생산

성을 향상시키는 과정을 연구하고 있다.

말레이시아 농업 R&D연구소에서는 홍수, 가

뭄, 고온에 저항성을 갖는 환경스트레스 저항성 벼

품종을 개발하고 있다고 밝혔다. 이에 따라 홍수,

가뭄, 극한의 온도, 산성토양, 이산화탄소 증가와

같은 환경조건에서도 다양한 종류의 작물을 파종

하여 생산성을 유지할 수 있을 것으로 기 되고

있다.

우리나라에서는 명지 학교 김주곤 교수팀과

미국 코넬 학교 레이 우 교수가 국제 공동연구를

통해 개발한 트레할로스 생합성 유전자를 이식하

여 가뭄에 견디는 벼를 개발한 바 있으며, 현재 인

도 생명공학회사인 마히코(Mahiko)사에 기술을

이전하여 상업화를 진행하고 있다.

나. 유전자변형 옥수수

현재까지 개발된 유전자변형 작물 중 가장 많

은 품목(Event)이 개발된 작물은 옥수수이다. 과거

에 개발된 유전자변형 옥수수는 모두 생산량 증

를 목적으로 하는 제초제저항성, 해충저항성 등의

특성을 갖고 있지만 최근에는 양성분 강화를 위

한 유전자변형 옥수수의 연구개발이 이루어지고

있다.

2008년 9월 미국 일리노이 학교에서는 추운

지역에서도 생산성이 좋은 목초류(Miscanthus

giganteu)의 저온내성 메커니즘에 관여하는 효소

를 이용하여 저온에 한 내성이 강화된 옥수수를

개발하 고, 현재 상업화를 준비하고 있다. 또한

미국 몬산토사는 RNAi 방법을 이용하여 고농도의

라이신을 옥수수에 함유시킬 수 있도록 유전자를

변형하는 데 성공하여 라이신 함유량이 높은 유전

자변형 옥수수를 개발하 다. 앞으로 이러한 연구

를 바탕으로 다른 필수아미노산이 함유된 유전자

변형 옥수수를 개발하는 연구가 많이 진행될 것으

로 기 된다.

다. 유전자변형 감자

리코겐 생합성에 관여하는 장균의 유전자

ADP-glucose pyrophosphorylase를 감자에 이식해

발현시킨 결과 전분 함량이 30~60%로 증가하

고, 이 유전자변형 감자를 튀기면 기름을 적게 흡

수하여 더욱 바삭바삭한 감자 칩을 만들어낼 수

있음을 확인하 다. 반면 ADP-glucose pyrophosph

-orylase 유전자를 역방향으로 이식하면 유전자와

효소의 발현이 억제되고 그 결과 전분의 생합성이

억제되어 오히려 단맛이 증가하 다. 한편 의

전분 입자 결합단백질인 퓨로인돌린(Puroindoline)

323

LMO

응용

및산

업화

4부

제9장

의 유전자를 벼에 이식시켜 종자 전분의 점탄성을

부드럽게 한 연구결과도 있다.

이처럼 전분 및 탄수화물 생합성에 관여하는

효소단백질 유전자를 과발현 혹은 억제시켜 생합

성되는 전분의 특성을 변화시키는 연구가 진행 중

이다.

라. 유전자변형 캐놀라

지질을 생산하는 유료작물(Oil crops)의 경우에

는 지질의 질을 개선하기 위해 생명공학기술을 이

용한다. 칼진사는 지방산의 생합성에 관여하는 효

소유전자 12:0-ACP thioesterase 유전자를 이식시

켜 길이가 짧은 지방산 laurate(C12:0)와 myrista

-te(C14:0)의 함량을 증가시키거나 stearoyl ACP

desaturase를 과발현시켜 불포화지방산을 증가시

킨 캐놀라를 개발하고 이를 상업화하 다.

캐나다에서는 제초제저항성, 질병저항성 그리

고 보다 질 좋은 기름을 얻기 위한 유전자변형 캐

놀라 품종을 개발하는 데 성공하 다. 이 캐놀라

품종이 새롭게 등록되기 위해서는 시험재배 등의

안전성심사를 거쳐야 하기 때문에 향후 4~6년 내

에 상품으로 이용할 수 있을 것으로 추측하고 있

으며, 중점적으로 개발하고 있는 품종은 아래와

같다.

비테라(Viterra)사에서 개발 중인 것은 제초제와

열, 가뭄에 내성을 지니며, 중간 정도의 속도로 생

육하고 병저항성(Pod shatter)이 강화된 복합특성

을 갖고 있다. 아카디오 바이오사이언스(Arcadio

Biosciences)사에서는 질소 효율을 높일 수 있는

기술을 미국 몬산토사가 이용할 수 있도록 하 으

며, 바스프(BASF)사에서는 인간의 심장혈관 질환

을 감소시킬 수 있는 오메가-3 지방산(omega 3

Fatty Acids)이 포함된 캐놀라를 개발하고 있다.

마. 유전자변형 토마토

1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid synthase

유전자의 억제 혹은 1-aminocyclopro-pane-1-

carboxylic acid deaminase의 활성 증진을 통해

ACC 농도를 감소시키거나, S-adenosyl methionine

hydrolase 활성 증진을 통해 SAM의 농도를 감소

시키는 방법 등을 통해 노화호르몬 에틸렌의 생

합성을 궁극적으로 억제함으로써 한층 풍부한

맛과 질감을 느낄 수 있는 토마토가 개발되고 있

다.

이 외에도 비타민 A의 전구체인 라이코펜

(Lycopene) 함량을 증가시킨 토마토, 금어초에서

분리한 2종의 안토시안(Anthocyan) 생합성에 관

여하는 전사인자인 유전자 Delila와 Rosea1을 이

식하여 안토시안 함량을 획기적으로 증가시킨 항

암성 토마토 등이 육성 단계에 있고, 가공과정 없

이 생식할 수 있는 이점을 활용한‘백신 생산 토마

토’도 곧 실용화될 전망이다.

바. 유전자변형 상추

미국에서는 인체에 필요한 양성분인 칼슘을

야채로부터 얻기 위해 매일 섭취가 가능한 상추에

칼슘을 세포 내부로 운반하는 sCAX1 단백질을 발

324

현시키도록 하여 상추에 칼슘 축적량을 높이는 연

구를 성공하 으며, 이러한 기술을 통해 sCAX1 유

전자 발현을 늘려 칼슘함량을 증가시킨 여러 상추

품종을생산해이에 한상업화를준비하고있다.

사. 유전자변형 당근

미국 베일러 의과 학교의 연구진들은 칼슘이

세포막을 통과하여 더욱 쉽고 자유롭게 이동하도

록 유전자를 변형하여 칼슘이 풍부한 유전자변형

당근을 생산하 다. 성인을 상으로 실험한 결과

일반당근보다 41% 가량 더 많은 칼슘(100g당

27~29mg)이 흡수된 것을 확인하 다.

아. 유전자변형 감초

일본 요코하마 시립 학교 연구진들은 천연감

미료와 착향첨가물로 이용되고 있는 감초의 뿌리

에서 설탕의 300배 이상의 당도를 가진 리시리

진(Glycyrrhizin)의 생물학적 메커니즘에서 중요한

역할을 하는 효소를 밝혀냈으며, 이 발견을 바탕

으로 유전자변형 작물이나 유전자변형 미생물을

이용한 천연감미료의 산업적 생산이 가능할 것으

로 보고하 다.

자. 유전자변형 커피

생명공학기술을 이용하여 여러 단계에 걸친 카

페인 생합성 과정에 필요한 theobromine synthase

유전자의 발현을 억제시킴으로써 카페인 함량은

70% 감소하지만 다른 맛과 향기 성분이 그 로 보

존된 맛있는 유전자변형 커피를 개발하 고, 현재

상업화를 위한 과정이 추진 중에 있다.

또한 프랑스 농업개발연구국제협력센터(CIR

-AD)와 브라질 농업연구소 연구진들은 커피 향에

향을 미치는 커피콩 유전자를 발견하 다. 이

유전자는 커피를 볶을 때 향을 유지하는 역할을

하는 자당(Sucrose)을 축적하게 하는데 향후 고품

질의 커피 생산이 가능해질 경우 새로운 부가가치

를 창출할 수 있을 것으로 기 된다.

2_ 유전자변형 동물을 이용한식품산업

2008년 1월 15일 미국 식품의약국(이하‘미

FDA’)은 소, 돼지, 염소의 복제동물 및 모든 복제

동물의 자손들로부터 얻은 고기나 우유가 식용에

아무런 문제가 없다고 밝히고, 복제동물과 관련된

위해성평가, 위해성관리, 업계 지침 등 미 FDA 규

제방식에 따른 최종보고서를 발표하 다. 이러한

안전성평가 보고서로 인해 우량 복제젖소와 돼지

로부터 얻어진 고기와 우유가 일반식품점에서 판

매될 수 있게 됨으로써 식품으로서 유전자변형 동

물의 이용이 증가하고 있다. 이밖에도 현재 유전

자변형 동물에 한 최신 연구는 질병치료, 유전

병, 만성병 등에 초점이 맞추어 진행되고 있다. 다

음은 현재까지 보고된 유전자변형 동물로부터 육

질 개선, 우유의 조성 변화, 유용단백질을 생산하

는 예를 열거한 것이다.

325

LMO

응용

및산

업화

4부

제9장

가. 육질 개선 유전자변형 동물

2004년 Niemann과 Saeki 연구팀은 불포화지방

산의 양을 증가시키기 위해서 시금치의 탈포화

(Desaturase) 유전자를 이식시켜 만든 유전자변형

돼지의 가로무늬근육에서 높은 불포화지방산 비

율이 나타남을 확인하고, 이들을 섭취하면 뇌졸중

이나 심장병의 위험을 감소시킬 수 있다고 보고하

다. 2006년에 미국 미주리-컬럼비아 학교의 Lai

연구팀 등은 오메가-3 지방산을 많이 함유하고 있

는 유전자변형 돼지를 개발하 다고 보고하 다.

나. 고부가가치 우유 생산

유전자변형 동물

뉴질랜드의 민간농업연구소인 에이지리서치

(AgResearch)의 연구팀에서는 소 베타-카제인

(CSN2)과 카파-카제인(CSN3) 유전자를 암소의 섬

유모세포(Flbroblast) 속으로 도입시켜 카제인 함

량을 조절한 우유를 생산하 다고 보고하 다.

또한 Maga 등의 연구팀은 β-락토 로불린(β-

Lactoglobulin)의 유전자를 저발현(Knock-down)

시켜 만든 저자극성(Hypoallergenic) 우유, 우유내

당 합성에 중요한 역할을 하는 α-락트알부민(α-

lactalbumin)의 유전자 발현을 없애 젖당을 제거한

(Lactose-free) 우유, 인간 락토페린(Lactoferrin)이

많이 함유된 초유 생산, 라이소자임(Lysozyme)의

양을 증 시켜 소화가 잘되게 만든 우유 등의 생

산을 보고하 다. Wheeler 등의 연구팀은 돼지인

경우 소의 락트알부민(Lactoalbumin) 유전자를 삽

입시켜 만든 유전자변형 암퇘지의 우유에서 젖

당의 함량과 생산량이 크게 증가되었음을 보고

하 다.

다. 유용단백질을 생산하는

유전자변형 동물

중국의 연구진들이 항암효과가 있는 CD20 항

체를 생산할 수 있는 유전자변형 소를 사육하고

있다고 밝혔다. 연구진들은 항체를 갖고 있는 기

능성 식품의 임상연구를 3년 이내에 끝내고, 중국

식약청의 허가를 받아 이를 5년 내에 생산할 계획

이라고 밝혔다.

한편 뉴질랜드의 민간농업연구소인 에이지리

서치(AgResearch)는 카제인과 미엘린 단백질을

생산할 수 있는 유전자변형 소의 연구가 진행 중

에 있다고 밝혔다.

또한 미국 위스콘신 학교의 연구진들은 유전

자변형 젖소의 우유에서 생산된 면역억제제를 이

용하여 장기이식 때 발생할 수 있는 거부반응을

줄일 수 있는 가능성에 한 연구에 착수하 다.

유전자변형 젖소가 생산한 우유에서 추출한 C1억

제제의 투여로 이러한 거부반응이 일어나는 것을

막아낼 수 있기를 기 하고 있다. 최근 미 FDA에

서 승인한 이 임상실험은 유럽소재 생명공학회사

인 파밍(Pharming)사의 후원 하에 진행되고 있다.

우리나라에서도 한국생명공학연구원에서 인간

의 면역력을 증가시키는 우유를 생산하기 위하여

인간 락토페린(Lactoferrin) 유전자를 도입한 유전

자변형 젖소를 개발한 바 있다.

326

3_ 유전자변형 미생물 유래효소 이용 식품산업

식품산업에서 많이 이용되는 효소는 전분의 액

화, 당화 및 이성화당 제조에 사용되는 당질관련

효소로 α-아 라아제(α-amylase), β-아 라아제

(β-amylase), 루코아 라아제(Glucoamylase),

루코이소아 라아제(Glucoisoamylase) 등과 식

육 연화와 조미료 제조에 사용되는 프로테아제

(Protease), 과즙의 청징화에 사용되는 셀룰라아제

(Cellulase), 재구성 지질 등 유지 개발에 사용되는

리파아제(Lipase) 등이다. 이러한 효소들은 효율성

과 경제성을 고려하여 생산균주로 유전자변형 미

생물을 많이 사용하고 있으나, 우리나라에서는 직

접 이러한 미생물들을 섭취하는 것이 아니므로 첨

가물로 분류되었다.

이들 중 우리나라의 식품의약품안전청은 2종의

아 라아제(Maltogenic amylase, Termamyl), 4종

의 리파아제(Lipozyme RM IM, Lecitinase ultra

/lipopan H BG, Lecitinase Novo/lipopan F BG,

Lipopan 50BG/lipozyme TL IM), 2종의 플루라나

아제(PromozymeD, Optimax L-1000), 1종의 펙틴

에스테라제(Novoshape), 1종의 비타민(Riboflav

-in), 1종의 α-아세토락테이트 탈탄산효소

(Maturex L), 1종의 키모신(ChyMax), 2종의 자일

라나제(Pentopan Mono BG, Shearzyme) 등 총 14

개의 유전자재조합 식품첨가물에 한 안전성평

가 승인을 마쳤으며, 승인된 미생물 효소제들은

다음과 같다.

가. Optimax L-1000

제넨코어(Genencor International)사는 유전자

변형기술을 이용하여 Bacillus deramificans의 플루

라나아제(pullulanase) 유전자를 삽입한 Bacillus

licheniformis에서 생산된 플루라나아제 효소제인

Optimax L-1000을 통해 전분을 생산하 다. 이것

은 덱스트로스 시럽으로 당화하거나 콘시럽, 고과

당 및 식용 알코올을 제조하는 과정에서 α-1, 6 결

합을 가수분해하는 데 사용된다.

나. Novoshape

노보자임 A/S(Novozymes A/S)사는 유전자변

형기술을 이용하여 Aspergillus aculeatus의 펙틴에

스테라제 유전자가 삽입된 Aspergillus oryzae에서

생산된 펙틴에스테라제(Novoshape)를 생산하

다. 이것은 고등식물의 잎, 줄기, 뿌리, 과일 등에

있는 세포 간 결합물질로 작용하는 펙틴의 메틸에

스테르화된 부분을 가수분해하는 효소로 펙티나

아제 복합체(Polygalacturonase, pectin lyase,

Pectinesterase 등)와 함께 과일 주스나 포도주 등

의 청징제로 사용되거나 착즙시 과즙의 생산량 증

를 위해 사용되며, 과채류 제품의 점도 개선 목

적으로도 사용된다.

다. ChyMax

크리스찬 한센 A/S(Chr. Hansen A/S)사는

Aspergillus Awamori에 송아지의 응유효소인 키모

327

LMO

응용

및산

업화

4부

제9장

신(Chymosin) 유전자를 삽입하여 만든 유전자변

형 미생물로부터 생산한 최초의 치즈가공용 효소

ChyMax(상품명: 키모신 효소)를 개발하 다. 이

효소는 치즈 가공용으로 상업화되어 오랫동안의

안전한 식경험을 가지고 있다. 수백 년 전부터 치

즈 생산시 우유 응고를 위하여 송아지 위액에서

추출한 렌넷(Rennet)이 사용되어 왔으나 송아지

위액 공급에 한계가 있기 때문에 렌넷의 활성물질

인 키모신 유전자를 Aspergillus Awamori 도입하

여 키모신을 량생산하는 기술이 개발되었다. 이

러한 유전자변형기술에 의해서 생산된 효소인

ChyMax는 송아지에 원래 존재하는 키모신단백질

생성을 암호화하는 유전자에서 cDNA 방법으로

만들어졌기 때문에 송아지 위장, 복강에 자연적으

로 존재하는 키모신과 동일하다. 미생물 유래의

효소는 최근 광우병이나 구제역 같은 동물위생 문

제가 부각되면서 동물 원료에 의존되는 것을 피하

는 데도 도움이 되고 있다.

라. Promozyme D

노보자임 A/S사에서는 플루라나아제(Pulluan

-ase)의 생산 수율을 증가시키기 위해 바실루스 데

라미피칸스의 Promozyme D 생합성 유전자를 도

입한 바실루스 서브틸리스 A164Δ5(Bacillus

subtilis A164Δ 5)에서 생산된 플루라나아제인

Promozyme D를 개발하여 상용화하 다. 유전자

변형 미생물을 이용하여 생산된 Promozyme D는

전분당화, 특히 고농도의 포도당, 엿당 시럽 생산

에 사용되며, 주정과 맥주 제조시 발효성 당

(Fermentable Sugar)의 양을 증가시키는 용도로 사

용된다. 또한 열 안정성이 뛰어나며, 아 로펙틴

(Amylopectin)의 1,6-α-glucoside 결합을 가수분

해하여 액화된 전분의 가지를 제거(Debranching)

하는 역할을 한다.

마. Lipozyme RM IM

노보자임 A/S사에서 유전자변형 미생물을 이용

하여 생산한 식품첨가물 리파아제(Lipozyme RM

IM)는 Rhizomucor miehei의 리파아제 생산 유전

자를 아스페르질루스 오리제에 삽입시켜 리파아

제를 생산하는 MLT-2 균주로부터 생합성 후 분

리∙정제된 것이다. 리포자임(Lipozyme)은 열 안

정성이 있는 리파아제이며, 수분 함량이 낮은 조

건 하에서 트리 리세이드(Triglyceride)의 교환반

응(Interesterification)시 촉매작용을 한다. 따라서

리세리드(Glyceride) 제품의 물성과 양 가치

를 향상시키는 데 사용되며, 고정화 효소제, 유지

가공시 가공보조제로도 사용된다.

바. Termamyl SC, Termamyl Supra,

Termamyl L Type LS

노보자임 A/S사의 Termamyl은 고온성 미생물

인 Bacillus Stearothermophilus의 α-아 라아제

유전자를 함유한 바실루스 리체니포미스 Bacillus

licheniformis를 침출, 배양하여 α-아 라아제 효

소제를 생산하 다. 이것은 열 안정성이 있으며,

기존의 고온성 α-아 라아제보다 낮은 pH와 저

328

칼슘 함량 하에서도 작용하는 엔도(Endo)-아 라

아제로 아 로오스와 아 로펙틴의 1,4-α- 루코

사드 결합을 가수분해하여 전분을 가용성 덱스트

린과 올리고당류로 분해해 전분 액화시 가공보조

제로 사용된다.

사. Novamyl 1500MG, Novamyl 10000BG,

Maltogenase

노보자임 A/S사의 말토게닉 아 라아제

(Novamyl 1500MG, Novamyl 10000BG, Maltogenase)

는 Bacillus stearothermophilus의 말토게닉 아 라

아제 유전자를 Bacillus. subtilis의 염색체에 삽입

하여 만든 유전자변형 미생물의 발효 생성물이다.

이는 아 로오스나 아 로펙틴, 또는 이와 관련된

포도당 중합체의 비환원성 말단의 1,4-α-결합을

이당류(Maltose) 단위로 분해하는 엑소-말토게닉

아 라아제(Exo-maltogenic amylase : Glucan 1,4-

α-maltohydrolase)로 빵의 노화방지 및 엿당 제조

시 식품 가공보조제로 사용된다.

아. Pentopan MonoBG

노보자임 A/S사가 개발한 Pentopan™ Mono

BG는 Thermomyces lanuginos-us의 자일라나제

유전자가 삽입된 Aspergillus oryzae를 배양하여

이를 효율적으로 생산하는 자일라나제 효소 제품

으로, 이 효소는 엔도 자일라나제(Endo-xylanase)

로 아라비노자일란(Arabinoxylan) 기본골격의 자

일로오스 결합을 가수분해하여 아라비노자일란

을 작은 올리고당으로 만든다. 이 효소제품은 식

품산업에서 가공보조제로 이용된다.

4_ 향후 전망

유전자변형기술은 인체 및 환경위해성, 윤리적

인 문제 등과 관련된 여러 가지 논란이 여전히 계

속되고 있다. 그러나 유전자변형기술을 통해 개발

된 LMO는 미래의 환경 변화와 인류 식량자원의

안정적 확보에 무한한 가능성을 제공하고 있다는

것은 틀림없다.

제초제 및 병충해저항성을 가진 1세 LMO에

서 양성분 및 기능성 강화를 목적으로 개발된

2세 LMO를 식품산업에 적용할 경우 그 유용성

이 매우 높다. 또한 유전자변형 작물을 통해 세계

적인 식량위기에 처할 수 있는 기후저항성 품종

및 양, 기능성 성분이 보강된 작물이 안전성 승

인을 거쳐 곧 상업화되어 식품산업에 응용될 것이

며 최근 미국, 유럽에서 안전성 승인이 된 유전자

변형 동물도 고기능성 육류 및 우유 형태로 조만

간 우리 식탁에 오를 것이다.

유전자변형 미생물도 현재 이용되고 있는 식품

첨가물의 다양한 효소제재, 재조합된 유산균을 이

용한 프로바이오틱스, 유전자변형 효모 등을 이용

한 포도주, 맥주발효를 통한 품질 개선 등 여러 형

태로 식품산업에 응용될 것이다. 특히 유전자변형

미생물의 경우 전통발효 미생물의 사체 연구를

통한 김치, 장류 등의 전통식품의 기능성 증진과

표준화 기술 개발에 우리나라 전통발효식품을 적

329

LMO

응용

및산

업화

4부

제9장

용시킬 수 있기 때문에 이 분야에 한 특별한 연

구관리가 필요할 것이다. 이러한 미생물에 한

유전자변형기술은 유전자변형 동∙식물에 비해

개발시간 및 비용이 적게 들기 때문에 우리나라와

같이 생명공학기술 개발의 초기 단계에 있는 경우

집중적으로 육성할 수 있을 것으로 전망된다.

330

제2절 바이오에너지산업

높은 원유 의존도와 원유가격의 상승에서 비롯

되는 국가 경제문제, 화석연료에 의한 지구기후

의 변화에 관한 위협은 국제적으로 재생 가능한

에너지 개발에 주력하는 환경을 조성하고 있다.

이 중 식물 유래 바이오에너지는 환경친화적 미

래형 에너지 공급을 위한 중추적 역할을 하고 있

다. 특히 석유, 석탄, 천연가스의 사용으로 인한

이산화탄소의 증가에 따른 온난화 방지에 있어서

순환 가능한 천연 바이오매스를 이용한 바이오에

너지 개발에 한 요구가 증 되고 있다.

식물 유래 바이오매스를 이용하는 바이오에너

지산업은 자연계에 무한히 존재하는 원료물질인

천연 바이오매스를 이용한다는 장점을 가지고 있

다. 기존의 원유로부터 유래하는 화학원료를 이

용하는 신 식물의 당질, 전분, 셀룰로오스 등 재

생 가능한 바이오매스 원료를 통해 바이오에탄

올, 바이오디젤 등의 에너지 물질을 생산하며, 결

과적으로는 원유 의존도를 낮추는 특성을 가지고

있다. 또한 독성 화합물을 배출하지 않아 환경적

인 측면에서 긍정적이며, 상온∙상압공정이 부

분인 분리공정에서 에너지 소모량을 크게 감소시

킬 수 있다면 원유 비 충분한 가격경쟁력 확보

가 가능할 것이다. 바이오에탄올은 현재 당질 및

전분질을 원료로 하여 전처리, 당화와 발효 및 정

제공정을 통하여 생산되고 있다. 국내 바이오에

탄올 생산 산업의 경우 총 생산량의 93%가 음료

용 에탄올 생산에 집중되어 있고, 쌀, 보리, 옥수

수, 고구마, 타피오카 등 전분질 원료의 전처리공

정, 당화와 발효공정 및 증류공정을 통하여 생산

하고 있어 품질은 우수하나 생산성이 떨어진다.

또한 경제적인 측면과 환경적인 측면을 고려한

바이오매스를 이용하여 바이오에너지를 생산하

는 방법은 아직까지 명확히 제시되지 않고 있고,

실제 식물 바이오매스의 에너지 전환 효율 및 경

제적 타당성은 이론적 수치보다 상당히 낮은 상

태이다.

현재 국내에서 이용되고 있는 바이오에너지 작

물은 식용 작물이 주를 이루고 있으며, 세계식량

시장에서도 식용식물이 바이오에너지 생산을 위

한 바이오매스로 사용됨에 따라 곡물 가격 상승

으로 이어지고 있는 실정이다. 2008년 시카고 국

제 곡물시장에서 벼, 등의 가격이 각각 125%,

87%로 상승하 는데 이는 옥수수, 콩 등의 바이

오매스 생산을 위한 경작지 증가가 타 식용 작물

의 경작지 감소로 이어져 벼, , 옥수수 등의 가

격상승이 이루어진 것이었다. 또한 식용 작물의

가격상승으로 인한 공산품의 가격상승으로까지

그 파급효과는 상당하다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 미래지향적 바

이오매스에 한 필수조건으로 재배기간의 단축,

안정적인 수확량의 확보, 식용 작물의 가격 변동

에 향을 미치지 않는 비식용 작물의 개발, 비경

작지에서의 재배 가능 등으로 볼 수 있을 것이다.

특히 경제적 타당성을 고려해 볼 때 식용 작물이

331

LMO

응용

및산

업화

4부

제9장

아니면서 생산량이 높은 연중 재배가 가능한 셀룰

로스계 바이오매스 식물이 미래형 바이오에탄올

생산을 위한 바이오매스로 주목받고 있다.

1_ 경제성 확보를 위한바이오매스의 과제

바이오매스는 사람이 식용으로 사용할 수 있는

사탕수수, 고구마, 옥수수, 콩 등의 당질계, 전분

질(녹말)계 바이오매스와 나무, 볏짚, 비식용화본

과 식물 등과 같이 식용으로 사용할 수 없는 셀룰

로스계 바이오매스로 구분되어진다. 셀룰로스계

바이오매스는 지구상에서 가장 많이 생산되고 순

환이 가능한 신재생자원으로서 아직까지 그 활용

도가 땔감, 목재, 건축재, 종이, 펄프 등으로 국한

되어 있어 활용도가 극히 낮은 상태이다.

식물의 주 성분인 셀룰로스를 효과적으로 활용

하기 위해서는 탈중합화와 당화공정을 거쳐 발효

성 당(Fermentable Sugar)으로 전환하여야 한다.

이러한 발효성 당으로의 전환을 위해서는 전처리,

효소적 당화 등의 과정을 거쳐야 하며, 후속 생물

전환공정을 통해 최종제품인 에탄올을 얻을 수 있

게 된다. 문제는 이러한 발효성 당을 얻는 공정 중

원료작물과 분해효소인 셀룰라아제의 생산비용

과 바이오매스의 공급비용이 가장 고비용으로 자

<그림 4-9-01> 셀룰로스계 바이오에탄올 생산비용

출처 : National Renewable Energy Laboratory, USA, 2005

Capital Recovery Charge

Grid Electricity

Raw Materials

Total Plant Electricity

Process Elect.

Fixed Costs

Biomass Feedstock 33%

Feed Handling 5%

Pretreatment/Conditioning 18%

SSCF 12%

Cellulase 9%

Distillation and Solids Recovery 10%(after~10x cost reduction)

Wastewater Treatment 4%

Boiler/Turbogenerator Net 4%

utilities 4%

Storage 1%

(0.20) (0.10) 0.10 0.20 0.30 0.40

332

리잡고 있다는 것이다(그림 4-9-01 참조).

한편 2000년도와 2005년도 사이 셀룰로스계 바

이오매스를 분해하기 위한 셀룰라아제의 가격이

1/4로 하락하 는데, 이는 바이오에탄올의 원활

한 생산을 위해서는 셀룰라아제의 안정된 공급이

가장 중요하다는 것을 시사해 주고 있다(그림 4-

9-02 참조).

특히 저비용으로 많은 수송용 에탄올을 생산하

기 위해서는 바이오매스의 안정적 공급과 량생

산 체계가 획기적으로 개선되어야 하며, 이것이

가능해진 후 바이오연료의 실용화도 가능할 것으

로 보인다. 바이오연료 분야의 연구개발을 선도하

는 미국 에너지부(DOE)에서도 이러한 상황을 고

려하여 바이오에너지 작물을 통한 당류 플랫폼

(Sugar Platform) 개념의 연구사업이 에너지부 산

하 재생 가능 에너지 연구소(National Renewable

Energy Laboratory: NREL)를 중심으로 이루어지고

있으며, 셀룰로스계 바이오에너지 생산 실용화를

목표로 2002년부터 연간 3,000만 달러의 연구비가

투입되고 있다. 바이오매스의 안정적인 공급을 위

하여 셀룰로스계 바이오매스의 량생산을 위한

연구가 수행되고 있고, 특히 일리노이 주립 학교

를 중심으로 수량성과 에탄올 수율이 뛰어난 억새

에 한 연구가 활발히 진행되고 있다.

국에서는 1년에 3미터 이상 자라는 다년생

식물인 억새(miscanthus)가 셀룰로스계 바이오매

스의 주요 후보군으로 선정되면서 1990년 초반

부터 유럽 전지역을 상으로 30회 이상의 포장시

험이 이루어지는 등 관련연구가 활발히 진행되고

있다.

<그림 4-9-02> 바이오매스 분해를 위한 셀룰라아제의 가격 추이

출처 : National Renewable Energy Laboratory, USA, 2005

2000 2005

7

6

5

4

3

2

1

0

Operating Costs + Depnec

Enzymes

Other Raws

Feedstock

Etha

nol,

＄/g

al

333

LMO

응용

및산

업화

4부

제9장

2_ 바이오매스로서의억새의 특성

가. 억새의 유형과 성장 정도

성장기 후반의 억새는 크기가 4미터 정도이고

월동 후 잎이 떨어진 후에도 마른 줄기는 2.5~3미

터 정도이며, 1헥타르당 40톤의 수확량을 나타내

고 있다. 억새는 C4 광합성 경로를 갖고 있고, 다

른 C4 광합성 경로의 식물에 비해 낮은 온도에도

잘 성장하여 상 적으로 높은 생산성을 가진다.

현재 유럽에서 억새의 번식은 종자보다는 미세

한 라이좀(Rhizome)을 이용하고 있다. 이들은 번

식용 라이좀을 생산하기 위해서 조직배양에 의해

생산된 라이좀 조각들은 제곱미터당 3~6개의

도로 심은 다음 2~3년 후 토양 상태에서 회전 경

운기(Rotary tiller)를 이용하여 라이좀을 40~100그

램의 미세한 라이좀 조각들로 분쇄시켜 이것을 종

자처럼 이용하고 있다. 이러한 방법은 경제적 측

면에서도 종자 번식이나 조직배양을 통한 유식물

체(어린 식물체)를 이용하는 방법보다 경쟁력을

가지고 있다.

바이오에탄올 생산을 위해 이용되는 다른 셀룰

로스계 바이오매스와 비교하여 억새는 생활주기

면에서 1년생 식물과 다년생 목본의 중간 즈음에

있다. 또한 1년생 작물에 비해 질소의 사용이 적기

때문에 산화질소의 방출 정도가 낮다.

억새는 옥수수나 갈 등의 다른 초본식물에

비해 토양침식이 적어 피복작물로도 이용될 수 있

다. 현재까지 억새의 생산을 제한하는 심각한 질

병에 관한 보고는 없지만, 푸사리움(Fusarium) 마

름병과 보리 황화왜화병(Yellow Dwarf Virus)에

의한 병해 가능성이 있으며, 다른 양번식작물과

마찬가지로 질병에 해 피해를 입을 수 있는 위

해성을 내재하고 있다.

나. 억새의 바이오에탄올 수율

Miscanthus×giganteus는 Miscanthus

sacchariflorus나 Miscanthis sinesis보다 수확량과

재배적성 등에서 월등히 높은 경제성을 확보하고

있다. 2007년 현재 국에서 개발사가 설립되는

등 Miscanthus×giganteus의 재배면적은 1만 헥타

르에 달하여 유럽 전역으로 확 되고 있다. 국

에서는 억새를 이용한 바이오에탄올 생산으로 필

요한 총 전력의 7%까지 보충될 수 있다고 예상하

고 있고, 다른 작물보다 안정적인 억새 재배환경

을 보유하고 있는 스페인과 같은 일부 유럽 지역

에서는 억새를 이용한 바이오에탄올의 경제성이

현재의 재생가능 에너지보다 5배 이상의 경제성

을 확보하고 있다고 한다(표 4-9-02 참조).

다. 억세의 분포 및 연구의 시초

현재 미국 및 EU에서 바이오에너지 생산을 위

한 셀룰로스계 바이오매스로 중점적으로 연구되

고 있는 억새는 벼과식물(Poaceae)에 속하며 우리

나라와 중국, 일본 그리고 일부종의 경우 폴리네

시아와 아프리카에 분포하고 있다. 억새종은 전형

적인 2배체 혹은 4배체이다(그림 4-9-03 참조).

334

<그림 4-9-03> 억새종의 원산지 현황

Miscanthus sacchaniflorus

Miscanthus sinensis

Miscanthus floridulus

출처 : Breaking biological barriers to cellulosic ethanol, USA, 2006

옥수수 알곡(Corn grain) 4.6 456

옥수수 (Corn stover) 3.0 300

옥수수(Corn Total) 7.6 756

지팽이풀(Switchgrass) 5.6 563

억새(Miscanthus) 14.1 1410

바이오매스의 수확량

(Harvestable Biomass)

(단위 : 톤/에이커)

에탄올 생산량

(Ethanol Production)

(단위 : (갤런 / 에이커)2))

<표 4-9-02> 여러 바이오매스의 수확량 및 에탄올 생산효율

335

LMO

응용

및산

업화

4부

제9장

우리나라에서는 주로 Miscanthus sacchariflorus

(4n=76), Miscanthis sinesis(2n=38)가 분포하고 있

으며, 우리나라의 야생에 억새가 다양하게 분포하

고 있으나 아직까지 정확한 분류 체계가 확립되어

있지 않다.

억새에 한 본격적인 이용은 일본이 유럽에

관상용으로 소개한 1930년 부터 상업적으로 이

용되기 시작하 다. 현재 국내외적으로 다양한 관

상용 억새가 판매되고 있으며, 우리나라에는 4종

정도가 원예용으로 시장에서 유통되고 있다. 바이

오매스로서의 연구는 셀룰로스 섬유 생산을 위한

억새의 생산 가능성이 1960년 후반에 덴마크에

서부터 진행되었고, 바이오에너지 생산을 위한 시

도는 1983년 덴마크에서 시작되어 독일을 기점으

로 전 유럽으로 확산되었다. 억새는 다른 셀룰로

스계 작물과 비교해볼 때 적은 양분과 물을 필

요로 하는 효과적인 C4 광합성 시스템을 가지고

있고, 저온저항성을 가지고 있어 척박한 비경작지

에서 재배할 수 있다. 또한 유럽에서 재배농가에

고정된 수입을 제공하기 위해 혹한기의 유럽겨울

에 견딜 수 있는 월동용 억새의 육종도 시도되어

보급되고 있다. 현재 바이오에너지 생산을 위해

이용되고 있는 Miscanthus sacchariflorus와

Miscanthis sinesis(2n=38)의 자연교잡종인

Miscanthus×giganteus(3n=57)의 집중적인 포장시

험은 1983년부터 북유럽에서 수행되어 왔다.

국에서 Miscanthus×giganteus의 면적은 1만

헥타르에 달해, 개발사가 설립되는 등 계속 확

되고 있다. Miscanthus×giganteus의 수확량은 1헥

타르당 약 40톤으로 Miscanthus sacchariflorus나

Miscanthis sinesis보다 월등히 높지만 단일 유전형

으로 인한 병충해 발생시 피해 정도의 확산 및 높

은 초기 비용 등의 약점이 남아있다.

현재 우리나라의 억새를 이용한 바이오매스 작

물 개발에 한 국내 연구는 거의 전무한 상태이

다. 현재 바이오에너지 생산을 위한 국내 연구는

유채, 고구마, 보리 등 식용 작물을 이용한 개발이

전체 연구의 약 90% 이상을 차지하고 있다. 하지

만 산림청과 농촌진흥청에서 목본류를 이용한 바

이오매스 생산에 한 연구과제가 진행되고 있고,

특히 농촌진흥청에서는 아젠다 과제를 통해 비식

용 화본과 작물의 유전자원 수집에 한 연구가

2007년도부터 진행되고 있다.

3_ 국내외 억새 연구 현황

미국의 멘델 바이오테크놀로지(Mendel Biote

-chnology)사는 미국 정부와 BP사 등 민간기업의

지원으로 우리나라와 중국, 일본 등지에서 1천여

종 이상의 억새 유전자원을 수집하여 품종육종 및

형질개량 등에 이용하고 있다. 일리노이 주립 학

교의 경우 국내산 억새 196라인을 확보하고 있으

며, 이를 이용한 신품종 육성에 주력하고 있다.

1960년 덴마크에서 셀룰로스계 바이오매스로

서 억새의 가능성을 검토한 후 억새가 가장 핵심

적인 바이오매스로 연구된 이래 1983년 덴마크,

1987년 독일에서 바이오매스 생산 포장시험이 개

시되었으며, 1990년 에는 유럽의 여러 국가에

서 포장시험이 추진되었다. 또한 EMI(Euro-

336

pean Miscanthus Improvement)의 억새 유전자원

확보를 통해 생산성과 지역적응성을 증 시킬 수

있는 신품종 개발에 박차를 가하고 있다. 국의

생명공학∙생물과학연구평의회(Biotechnology

and Biological Sciences Research Council: BBSRC)

의 산하 기관이자 웨일즈 학교와 연계된 연구소

인 IGER는 우리나라 등에서 수집된 500여 종의 억

새 유전자원을 확보하고 있으며, 이를 이용한 품

종 개발을 활발히 진행하고 있다.

국내의 경우 초본성 셀룰로스계 바이오매스 식

물에 한 유전자원 확보는 매우 초보적인 단계로

서울 학교, 서울시립 학교 등 일부 학교에서

억새 유전자원을 소량 확보하고 있고, 농촌진흥청

유전자원센터에서도 1종의 억새만 확보하고 있

다. 국내에서 진행되는 바이오매스 작물에 한

연구는 주로 유채와 같은 바이오디젤용 유지작물

과 고구마와 같은 전분계 작물이 주를 이루고 있

으며, 주로 농촌진흥청 산하 바이오에너지작물센

터(목포)에서 추진되고 있다. 하지만 셀룰로스계

바이오매스 식물은 표준 품종이 확립되어 있지 않

아 바이오매스 식물의 생리∙생태적 특성 및 바이

오매스의 생산성∙품질특성 표준 평가기술이 확

립되어 있지 않다. 국내에서 화본과 식용 작물인

벼의 경우 다양한 분자마커가 개발되어 유전적 다

양성은 물론 QTL 분석 등에 광범위하게 응용되고

있기 때문에 국내 자생 초본성 바이오매스에 한

연구에 활용 가능성이 크다고 볼 수 있다. 특히 경

제적인 번식 체계를 위한 식물조직배양 연구는 주

로 종자번식이 어렵거나 포장 량생산에 오랜 기

간과 많은 비용이 소요되는 약용식물이나 화훼용

식물에 집중되어 있다. 또한 초본성 화본과인 벼

는 육종을 목적으로 약배양 등의 조직배양 연구가

높은 수준에 도달하 으나 억새에 한 조직배양

및 형질전환 체계 확립에 한 연구는 경상 학교

에서 수행되고 있는 정도이다. 경상 학교에서는

재분화 및 형질전환 체계를 확립하기 위하여 억새

(경남 지역 자생종 2종)의 성숙종자로부터 배발생

캘러스 유도 및 이로부터 식물체를 재분화시켰다.

이 중 45% 이상의 재분화 효율을 보이는 고효율

재분화 시스템을 확립하여 특허출원(출원번호 10-

2008-0093036) 중에 있으며, 기타지역 자생종에

한 재분화 체계도 지속적으로 확립하고 있다(그

림 4-9-04 참조).

국내의 억새 분포는 제주 지역을 중심으로

Miscanthus sacchariflorus가 화왕산, 백운산, 진주

지역까지 주로 분포하고 있으며, 2배체인

Miscanthis sinesis가 명성산, 설악산, 경기일원을

중심으로 번식하고 있다(표 4-9-03 참조). 현재 계

통별 분석을 위하여 서울시립 학교에서 국내산

억새 80계통을 선발하여 RAPD 등을 이용해 선별

작업 중에 있으며, 수집지별 억새 품종의 조성 분

석에 한 연구를 순천향 학교에서 수행 중에 있

다. 또한 억새 생장에 적합한 환경을 파악하기 위

한 토양의 이화학적 특성 조사를 통해 량생산

체계에 있어서의 재배환경에 한 기초자료를 제

공하고 있다. 이밖에도 원예용 가치가 높은 억새

14종을 선발하여 번식체계 확립 및 특성 파악을

수행하고 있다(그림 4-9-05 참조).

특히 Yago dwarf와 같은 계통은 리그닌 함량이

10% 이하로 적고 가뭄에 강하여 옥상녹화용으로

337

LMO

응용

및산

업화

4부

제9장

각광을 받을 것으로 예상되고 있고, 카펫(Carpet)

이나 코스모폴리탄(cosmopolitan)은 관상적 가치

가 높아 도시의 환경복원용 식물로서 이용할 수

있을 것으로 보고 있다. 우리나라 고유의 억새 자

원을 산업화하기 위한 노력은 일부 기업에서 시도

하고 있으나, 부분이 옥상녹화 및 환경생태 복

원에 초점이 맞추어져 있다. 바이오매스로 전환하

기 위한 기업투자는 전무하지만 2006년부터 화이

젠(주)에서는 서울시립 학교와 공동으로 국내

억새 및 갈 유전자원 확보에 한 연구를 진행

중에 있다. 2007년 전 동천에서 기존 갈 보

다 형질전환이 10배 정도 높은 갈 계통을 선발

하여 특허출원 중에 있다. 동 1호는 성장 속도가

일반갈 에 비해 2배 정도 빠르고 형질전환율 및

배발생 캘러스의 유도가 용이하여 앞으로 갈 를

이용한 유용유전자의 형질전환 등에 이용될 전망

이다. 또한 약 30종의 야생 억새종을 국내 자생지

에서 선발하여, 화이젠 1호 계통을 선발하 는데,

<그림 4-9-04> 갈 및 억새의 형질전환 시스템

A

B A B C

D E F

A. 바이오억새로 선발한 동 1호의 재분화 체계

B. 진주 자생종 억새의 억새 형질전환 시스템

(A: 성숙종자 유래 캘러스, B: 배발생 캘러스, C: GUS유전자 발현,

D: Hm저항성 신초, E: Hm저항성 식물체 선발, F: 재분화 형질전환체)

명성산

경기도

덕소

백운산

평균

338

<그림 4-9-05> 서울시립 학교에서 확보 중인 원예용 억새

1 6.17 0.54 3.47 113.20 5.07 2.02 3.70 0.08 Loam

2 6.18 0.34 1.77 59. 75 3.83 1.95 1.55 0.08 Sandy loam

3 6.21 0.58 1.70 65.26 3.22 1.69 3.41 0.08 Sandy Ioam

4 6.24 0.22 3.27 85.85 8.09 2.52 1.23 0.08 Loam

5 6.16 0.20 2.18 58.79 5.19 1.64 1.18 0.08 Loam

6 5.63 0.36 0.95 4.50 4.08 1.64 1.06 0.08 Loam

7 5.52 0.78 1.16 6.62 4.33 1.90 2.32 0.08 Loam

8 6.49 0.60 1.22 3.63 4.57 2.08 1.58 0.08 Sandy Ioam

9 6.15 0.52 1.09 3.76 3.40 2.13 1.45 0.08 Loam

10 6.35 0.70 0.95 3.58 4.82 2.30 1.93 0.08 Loam

6.11 0.48 1.78 40.49 4.66 1.99 1.94 0.08 -

Miscanthus sinesis'Morning Light'

Miscanthus sinesis'Variegatus'

Miscanthus sinesis'Hinjo'

Miscanthus sinesis'Purpurascens'

Miscanthus sinesiscondensatus

'Cabaret'

Miscanthus sinesis'Yakushima Dwart'

Miscanthus sinesis'Little Zebra'

Miscanthus sinesis'Strictus'

Miscanthus sinesis'Punk Chen'

Miscanthus sinesis'Little Kitten'

Miscanthus sinesis'Yoga Dwarf'

Miscanthus sinesis'Dixieland'

Miscanthus sinesis'Zebrinus'

<표 4-9-03> 억새생장 적합환경 파악을 위한 억새자생지 토양의 이화학적 특성 조사

조사구DH EC D.M. Avail.-P Ca Mg k Na

토성(1:5) (ds/m) (%) (mg/kg) (comol/kg)

339

LMO

응용

및산

업화

4부

제9장

다른 억새 계통에 비해 약 30센티미터 정도 키가

작고, 토양 피복성이 우수하여 옥상 정원에 유용

하게 이용될 전망이다. 또한 기존 억새보다 리그

닌 함량이 약 10% 적은 억새를 제주도에서 선발하

여 바이오에너지 생산을 위한 억새 품종 개발에

한 연구를 진행 중에 있다. 이와 같이 억새에

한 국내 연구는 미국이나 국에서 규모로 이루

어지고 있는 신 서울시립 학교, 경상 학교와

같은 일부 학교와 중소기업 한 곳에서 억새의

유전자원 확보 및 산업화에 관심을 보이고 있으

며, 연구인력 부족으로 인해 원산지가 동북아시아

임에도 불구하고 유전자원의 확보조차 힘든 실정

이다.

4_ 향후 전망

우리나라는 에너지의 해외 의존도는 높지만 이

를 흡수할 여력은 부족한 것이 현실이다. 규모

로 에너지 작물을 생산할 수 있는 여건이 부족한

데다, 버려지는 순환 가능한 바이오매스의 양을

추정하기도 어렵다. 수요 잠재력은 충분하지만 지

금까지는 이를 적극적으로 활용하려는 노력이 부

족했던 게 사실이다. 여러 순환가능한 바이오매스

중 셀룰로스계 바이오매스인 억새는 미국과 유럽

연합(EU)을 중심으로 바이오에너지 산업에서 원

료의 확보부터 제품 이용에 이르기까지 연구개발

이 집중적으로 이루어지고 있다. 이러한 억새의

상업화는 미국과 유럽연합에서 지역경제 활성화

및 환경 개선, 에너지 문제 완화 등을 해결할 수 있

는 미래형 사업으로 각광받고 있다. 게다가 억새

의 경우 식용 작물이 아닌 비식용 작물로서 성장

속도가 빠르고, 수확량 및 관리비용도 현재까지

바이오에너지 생산에 이용되어지고 있는 다른 작

물들과 비교할 때 경제적으로도 우위를 점하고 있

다. 우리나라가 억새의 번식과 유전자원의 다양화

의 장점을 가지고 있는 점을 감안한다면 장기적인

관점에서 목표를 정하고 일관되고 지속적인 연구

체계 확립 및 산업화가 필요하며, 아울러 억새를

이용한 바이오에너지의 산업화를 위해 연구에

한 일관성 및 우선순위를 정해야 한다. 이를 위해

국내 유전자원 활용의 극 화, 기업의 적극적 참

여, 효율적인 바이오리파이너리(Biorefinery)관련

기술과의 연계를 통한 시너지 효과 창출, 해외 우

수자원의 우선 확보를 통한 억새 연구에서의 선점

확보, 유전자원의 체계적인 관리 및 분석 등이 일

괄적으로 수행되어야 할 것이다.

340

제3절 농∙축산업

Ⅰ. 농업

유전자변형 작물 중에서 산업화가 가장 활발히

이루어지고 있는 분야가 바로 농업일 것이다.

1992년 중국에서 유전자변형 작물인 바이러스저

항성 담배와 토마토를 세계 최초로 재배하고

1994년 칼진사에 의해 개발된‘연화 지연 토마토

(Flavr Savr�)’가 미국에서 상업화 승인을 획득한

후, 1996년부터 현재까지 유전자변형 작물의 재

배는 지속적으로 증가하여 하나의 트렌드로 자리

잡아가고 있다. 그러나 한편에서는 유전자변형

작물을 둘러싼 위해성 논란, NGO의 유전자변형

생물체(이하‘LMO’) 반 운동, LMO에 한 소비

자의 거부감 등 유전자변형 작물 재배의 확 를

제한하는 요인이 여전히 작용하고 있음도 부정할

수 없다.

우리나라도 1980년 초반부터 생명공학기술

의 중요성을 인식하고 이에 한 투자를 시작하

고 1990년 후반 이후에는 생명공학 분야를

차세 성장엔진으로 선정하여 집중적인 투자를

해오고 있다. 이에 따라 농촌진흥청의 바이오그

린21사업, 교육과학기술부의 21세기 프론티어사

업 작물기능유전체사업단 등 농업생명공학 분야

의 규모 국책 연구개발 사업이 추진되고 있다.

그 결과 다양한 유전자변형 작물의 개발이 이루

어지게 되었고, 이들 중 일부는 안전성평가가 완

료 단계에 있어 머지않은 장래에 농업 등 산업 분

야에서 활용될 것으로 기 되고 있다. 그러나 유

전자변형 작물에 한 부정적 인식, 몬산토사 등

선진국 기업에서 선점하고 있는 지적재산권 장벽

의 돌파 등 실용화 및 산업화를 위한 제약조건 등

이 국내 유전자변형 작물 산업화에 걸림돌로 작

용하고 있다.

1_ 국내 현황

국제적으로는 유전자변형 작물의 재배가 지속

적으로 확 되고 있으나 우리나라에서는 현재까

지 재배가 허용된 것은 없다. 다만「식품위생법」,

「유전자변형생물체의 국가간 이동 등에 관한 법

률(LMO법)」등에 따라 유전자재조합식품과 농산

물 등의 국내 이용은 엄격한 인체 및 환경위해성

심사를 거쳐 허용되고 있다. 유전자재조합식품의

경우 2009년 3월 기준으로 식품의약품안전청에서

64건의 청구 중 55건에 한 심사를 완료하여 국

내 유통이 승인되었으며, 9건은 심사진행 중이다.

작물별로는 옥수수 32종 중 28건이 심사가 완료

되었고, 이어 면화(신청된 14종 중 13종 승인), 캐

놀라(6종 승인), 콩(신청된 6종 신청, 2종 승인)이

완료되었다. 유전자변형 작물의 국내 이용을 위

한 심사신청은 모두 다국적 기업에서 개발한 것

이다. 그 중 몬산토사에서 개발한 것이 절 다수

를 차지하여 33건에 달하 으며, 바이엘(Bayer

341

LMO

응용

및산

업화

4부

제9장

AG)사가 9건, 신젠타(Syngenta)사가 9건, 듀폰

(Dupont)사가 9건, 다우아그로사이언스(Dow

AgroSciences)사가 3건, 아벤티스(Aventis)사가 1건

을 심사신청 하 다. 한편 농진청의 환경위해성

심사는 2009년 3월 현재 64건의 심사신청 중 49건

의 심사가 완료되었고, 15건에 한 심사가 진행

중이다. 위해성심사가 청구된 유전자변형 작물 중

19건은 유전자 중첩계통(Stacked Event)으로 이 중

17건은‘심사 상 아님’의 판정을 받아 추가적인

위해성심사 없이 국내 유통이 가능하도록 하

다.

1990년 이후 우리 정부는 생명공학 분야를

미래 성장동력 산업 기술로 선정하고 농촌진흥청

농업생명공학연구원(現 국립농업과학원)의 설치,

바이오그린21사업, 농업특정개발사업, 교육과학

기술부 프론티어사업 등 유전자변형 작물의 개발

과 산업화 촉진을 위해 규모의 연구비를 투자하

여 학교, 국공립연구소 및 산업계가 연합하는

범국가적인 연구 네트워크를 구축하 다. 그 결과

생명공학기술 산업화에 근간이 되는 관련 학문 및

기술이 국제적인 경쟁력을 갖추게 되었고, 국내

연구진이 개발한 품목 중 실용화의 마지막 단계인

유전자변형 작물 안전성평가 단계에 이른 것도 상

당수에 달한다. 현재까지 국내에서 유전자변형 작

물의 안전성평가가 완료되었거나 진행 중인 것은

다음과 같다.

가. 제초제저항성 작물

제초제저항성 작물은 크게 제초제의 작용점에

변화를 일으켜 제초제가 작동하지 못하게 변형한

것과 제초제를 기질로 하는 화학반응을 도입하여

제초제를 무독화 하는 것으로 나눌 수 있다. 또한

유전자변형기술 등을 포함하는 현 생명공학기

술 이외에도 화학돌연변이, 자연돌연변이 등에 의

한 제초제저항성 작물의 개발이 가능하다. 실제로

오랜 기간 동안 제초제를 투여한 곳에서는 제초제

에 저항성을 갖는 식물체의 출현이 보고된 적도

있다. 따라서 국가에 따라서는 유전자변형기술의

적용 여부에 상관없이 관리 상을 작물이 가지는

특성에 따라 정하기도 한다. 우리나라에서는 형

질, 특성보다는‘현 생명공학기술’에 의해 개발

되었는지를 고려하는데 이때‘유전자변형’이라는

용어는 유전자변형기술 혹은 교잡의 범위를 뛰어

넘는 융합 등의 기술이 사용된 경우만을 지칭하게

된다.

우리나라에서 개발된 제초제저항성 유전자변

형 작물 중 거의 부분은 바이엘(Bayer AG)사에

서 개발한 바스타 저항성 유전자(bar)가 도입된 작

물로 표적인 작물로는 벼, 고추, 잔디 등을 들

수 있다. 농촌진흥청 남농업연구소에서 개발한

유전자변형 벼( 양 204호)는 제초제인 바스타에

저항성인 bar 유전자를 도입한 것으로 농업생명공

학연구원(現 국립농업과학원)과 여러 학 연구

소의 전문가에 의해 인체 및 환경위해성 평가가

완료된 품목으로 식약청과 농진청에 인체 및 환경

위해성 심사를 청구할 예정이다. 또한 농업생명공

학연구원(現 국립농업과학원)에서 개발한 제초제

저항성 고추와 배추도 bar 유전자가 도입된 것으

로 인체 및 환경위해성 평가가 완료되었고, 현재

342

심사신청 자료를 작성하고 있다. 한편 제주 학교

이효연 교수 연구팀이 수 년 간에 걸친 위해성평

가 연구결과를 바탕으로 제초제저항성 유전자변

형 잔디로 농촌진흥청에 환경위해성 심사를 신청

하 으며, 현재 관련심사가 진행 중이다.

나. 해충저항성 작물

해충저항성 작물은 토양 미생물인 바실루스 튜

링기엔시스(Bacillus thuringiensis)의 독소단백질

인 Bt유전자를 도입한 살충성 단백질 생산작물로

서 도입된 유전자에 따라 지극히 선택적으로 해충

을 죽일 수 있는 형질을 가지고 있다. 이 미생물이

오랜 기간 동안 생물농약으로 사용된 전력이 있다

는 것이 말해 주듯이 Bt단백질의 인체 및 환경에

미치는 위해성은 매우 낮은 것으로 판단되며, 현

재 상업화가 활발하게 이루어지고 있는 유전자변

형 작물의 주류가 바로 Bt유전자를 가진 해충저항

성 작물이다.

농촌진흥청 농업생명공학연구원에서는 미생물

의 Bt단백질이 식물체 내에서 잘 생산될 수 있도

록 유전자의 구조를 개선한 후 벼, 배추 등 주요 작

물에 도입하여 최근 해충 피해가 증가하고 있는

혹명나방 저항성 벼와 배추좀나방, 배추벌레 등에

저항성을 갖는 유전자변형 배추를 개발하 다. 현

재 이들 유전자변형 작물에 한 인체 및 환경위

해성 평가 연구가 진행되고 있으므로 조만간 품종

화 등 농업적 이용과 산업화가 추진될 것으로 기

된다.

다. 기타 유전자변형 작물

현재까지 세계에서 상업화된 유전자변형 작물

의 주요 형질은 제초제저항성과 해충저항성의 특

성을 가지고 있으며 이러한 점에서 우리나라의 유

전자변형 작물의 개발 및 실용화도 이런 특성의

것들이 앞서서 진행된다는 것은 자연스러운 일일

것이다. 이외에도 국내의 연구진들은 다양한 유전

자변형 작물의 개발을 추진하고 있으며 이 중 일

부는 실용화 혹은 산업화 단계로 진전될 것으로

생각된다. 일례로 바이러스저항성 작물은 바이러

스 외피단백질 유전자 혹은 바이러스 유래유전자

를 식물체에 넣어 식물체로 하여금 일종의 면역

체계를 갖추도록 한 것으로 토마토, 고추 및 박과

작물을 상으로 유전자변형 작물 개발과 위해성

평가 연구가 진행 중이다. 이외에도 비타민 E, 카

로티노이드(황금쌀) 등의 양 성분을 개선한 작

물, 경구백신, 의약용 단백질 등을 생산하는 작물

등 작물의 부가가치를 높이는 연구개발이 진행 중

이며, 이 중 일부는 이벤트 계통의 육성, 안전성평

가 등 실용화 구현을 위한 개발 단계에 진입한 것

으로 보인다. 이에 따라 3~5년의 안전성평가 단계

를 거치면 품종 등록 등 실용화가 가능할 수도 있

으리라 기 된다.

2_ 국외 현황

2008년도 세계의 유전자변형 작물 재배면적은

2007년에 비해 12%가 증가한 1억 2,500만 헥타르

343

LMO

응용

및산

업화

4부

제9장

로 유전자변형 작물이 본격적으로 재배되기 시작

한 1996년(170만 헥타르)에 비해 약 73.5배 증가하

다(그림 4-9-06 참조).

1999년까지의 재배 초기에는 선진국의 재배면

적 급상승에 힘입어 세계 재배면적이 급격히 증가

하 다. 이후 선진국의 유전자변형 작물 재배면적

은 상 적으로 완만한 증가를 보이고 있지만 개발

도상국의 재배면적 증가가 점차 빨라지면서 유전

자변형 작물의 재배면적 증가를 이끌고 있다. 즉,

이와 같은 추세의 변화는 개발도상국 농민의 유전

자변형 작물 채택이 빠른 속도로 증가한다는 것을

의미하는 것이다. 이는 해충저항성 옥수수, 면화

등에서 볼 수 있듯이 농약 등의 농자재를 적게 투

입하고도 수확량을 확보할 수 있다는 점에서 개발

도상국의 농민들이 유전자변형 작물을 선호한다

는 것을 의미한다. 한편 2008년도에는 2007년

비 2개국이 증가한 25개 국가에서 유전자변형 작

물의 재배가 이루어졌다(그림 4-9-07 참조).

이 중 유전자변형 작물 재배면적이 10만 헥타

르 이상인 규모 재배국가는 미국, 아르헨티나

등 14개 국가 다. 이 중 미국은 바이오에탄올의

원료로 각광받는 옥수수의 재배면적이 급격히 증

가하는 등 6,250만 헥타르에서 유전자변형 작물을

재배하는 등 세계 제일의 유전자변형 작물 재배국

가로서의 위치를 유지하고 있다.

최근 유전자변형 작물 재배와 관련해서 특히

주목할 가치가 있는 것은 인도, 중국 등의 개발도

상국이다. 앞에서도 언급한 바와 같이 이들 국가

<그림 4-9-06> 전 세계 유전자변형 작물 재배면적 변화 추이 (단위 : 헥타르)

출처 : ISAAA, 2008

형질별

전체

선진국

개발도상국

유전자변형 작물 재배 25개국180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008

344

가 세계의 유전자변형 작물 재배면적 증가를 주도

하고 있으며 이러한 경향은 앞으로도 상당기간 지

속될 전망이다. 세계 최 의 면화 생산국인 인도

는 2002년도에 5만 헥타르의 해충저항성 면화를

처음 재배한 후 2006년에는 380만 헥타르로 중국

에 이어 세계 5위의 재배면적을 기록하 고, 2007

년에는 620만 헥타르로 재배면적이 전년에 비해

63% 증가하 다. 2008년도에도 유전자변형 면화

의 재배면적은 꾸준히 증가하여 전년에 비해 140

만 헥타르가 증가한 760만 헥타르를 기록하 다.

세계에서 가장 먼저 유전자변형 작물을 재배하기

시작한 중국은 2006년도에는 350만 헥타르에서

해충저항성 면화 1종을 재배하 으나 2007년도에

는 면화 이외에 토마토, 포플러, 페튜니아, 파파

야, 피망 등 다양한 유전자변형 작물을 재배하기

시작하 다. 2008년도 중국의 유전자변형 작물 재

배면적은 전년도와 같은 수준인 380만 헥타르

다. 브라질은 2007년도에 1,150만 헥타르에서 유

전자변형 콩과 면화를 재배하 으나 2008년도에

는 1,500만 헥타르로 재배면적이 350만 헥타르 증

가하 고 이는 재배면적의 절 증가치로는 세계

에서 가장 높은 수준이다. 국가별 유전자변형 작

물 재배에서 가장 주목할 것은 아프리카와 중남미

에서 유전자변형 작물 재배국가가 나왔다는 것이

<그림 4-9-07> 2008년도 유전자변형 작물 재배국가 및 국가별 재배면적 분포 (단위 : 백만 헥타르)

출처 : ISAAA, 2008

� 포루투갈＜0.05옥수수

⑤ 캐나다7.6

캐놀라,옥수수, 두 , 사탕무

① 미국62.5

두, 옥수수, 면화, 캐놀라, 호박, 파파야, 알파파, 사탕나무

⑬ 멕시코0.1

면화, 두

� 온두라스＜0.05옥수수

� 콜롬비아＜0.05

면화, 카네이션

④ 인도＜7.6면화

⑥ 중국3.8

면화, 토마토, 포플러, 페튜니아, 파파아, 고구마

⑪ 필리핀0.4

옥수수

� 이집트＜0.05옥수수

⑫ 호주0.2

면화, 캐놀라, 카네이션

� 부르키나파소＜0.05면화

⑭ 스페인0.1

옥수수

� 독일＜0.05옥수수

� 체코＜0.05옥수수

� 폴란드＜0.05옥수수

� 슬로바키아＜0.05옥수수

� 루마니아＜0.05옥수수

⑩ 볼리비아0.6두

5만 이상 유전자변형 작물을 재배하는 국가

① ~ � 재배면적 순위

⑮ 칠레＜0.05

옥수수, 두, 캐놀라

② 아르헨티나21.0

두, 옥수수, 면화

⑨ 우루과이0.7

두, 옥수수

⑦ 파라과이2.7두

③ 브라질15.8

두, 옥수수, 면화

⑧ 남아프리카공화국1.8

옥수수, 두, 면화

345

LMO

응용

및산

업화

4부

제9장

출처 : ISAAA, 2008

1 미국 57.7 62.5 콩, 옥수수, 면화, 카놀라, 호박, 파파야, 알팔파, 사탕무

2 아르헨티나 19.1 21.0 콩, 옥수수, 면화

3 브라질 15.0 15.8 콩, 면화, 옥수수

4 인도 6.2 7.6 면화

5 캐나다 7.0 7.6 캐놀라, 옥수수, 콩, 사탕무

6 중국 3.8 3.8 면화, 토마토, 포플러, 페튜니아, 파파야, 피망

7 파라과이 2.6 2.7 콩

8 남아프리카공화국 1.8 1.8 옥수수, 콩, 면화

9 우루과이 0.5 0.7 콩, 옥수수

10 볼리비아 - 0.6 콩

11 필리핀 0.3 0.4 옥수수

12 호주 0.1 0.2 면화, 캐놀라, 카네이션

13 멕시코 0.1 0.1 면화, 콩

14 스페인 0.1 0.1 옥수수

15 칠레 ＜0.1 ＜0.1 옥수수, 콩, 캐놀라

16 콜롬비아 ＜0.1 ＜0.1 면화, 카네이션

17 온두라스 ＜0.1 ＜0.1 옥수수

18 부르키나파소 ＜0.1 ＜0.1 면화

19 체코 ＜0.1 ＜0.1 옥수수

20 루마니아 ＜0.1 ＜0.1 옥수수

21 포르투칼 ＜0.1 ＜0.1 옥수수

22 독일 ＜0.1 ＜0.1 옥수수

23 폴란드 ＜0.1 ＜0.1 옥수수

24 슬로바키아 ＜0.1 ＜0.1 옥수수

25 이집트 - ＜0.1 옥수수

- 프랑스 ＜0.1 옥수수

<표 4-9-04> 2007~2008년도 유전자변형 작물 재배국가 현황 (단위 : 백만 헥타르)

재배면적 순위

(2008년 기준)재배국가

재배면적

2007 2008재배 작물

-

346

다. 아프리카의 이집트와 부르키나파소는 각각 유

전자변형 옥수수와 유전자변형 면화의 재배를 시

작하 고, 중남미의 볼리비아는 60만 헥타르의 경

작지에 유전자변형 콩을 재배하여 유전자변형 작

물 재배 첫 해부터 규모 재배국가에 진입하

다. 한편 프랑스의 경우 2007년도에는 유전자변형

옥수수를 재배하 으나 2008년도에는 재배실적

이 없어 유전자변형 작물 재배국가 열에서 이탈

하 다(표 4-9-04 참조).

한편 세계에는 유전자변형 작물을 재배하지는

않으나 식용 혹은 사료용으로 유전자변형 작물의

유통을 승인한 국가도 30개국에 달한다. 여기에는

유럽연합(EU)과 같이 한 번의 승인으로 유럽연합

내 27개국 전체에 효력을 발생하는 경우도 있고

일본과 같이 자국내 유전자변형 작물의 환경방출

을 목적으로 하는 사용(1종 사용)에 한 승인은

이루어졌으나 재배실적이 없는 나라, 한국과 같이

유통 목적으로만 유전자변형 작물 혹은 농산물을

승인한 국가 등이 있다. 따라서 유전자변형 작물

을 재배하는 25개 국가와 유전자변형 농산물의 사

용과 유통을 승인한 30개 국가 등 총 55개 국가에

서 유전자변형 작물과 농산물의 산업화, 실용화가

이루어졌다.

3_ 향후 전망

농업 분야에서 유전자변형 작물의 중요성은 향

후 지속적으로 커질 것으로 예상된다. 머지 않은

장래에는 세계 다수의 국가에서 유전자변형 작

물을 재배하게 될 것이고 이를 통해 농업이 식량

공급 산업으로부터 다양한 고기능성 소재를 생산

하는 고부가가치 산업으로 발전할 것이다. 우리

정부도 이러한 추세에 동참하고자 지난 10년 가까

이 규모 국책사업을 추진해 왔으며 그 결과 우

리의 생명공학기술 수준은 양과 질적인 면에서 괄

목할 만한 성장을 이루었다. 그러나 이러한 투자

와 노력에도 불구하고 국내에서 개발된 유전자변

형 작물의 품종화, 산업화는 이루어지지 못하고

있는 실정이며 앞으로도 당분간은 기 하기 어려

울 전망이다. 여기에는 다양한 원인이 있을 것으

로 생각되지만 그 중에서도 가장 중요한 원인으로

는 LMO를 바라보는 국민의 부정적 인식을 들 수

가 있다.

우리나라는 일본과 더불어 LMO에 한 여론이

가장 나쁜 나라 중 하나이다. 지난 13년 동안 유전

자변형 작물을 재배하 고 그동안 유전자변형 작

물이 인체와 환경에 위해하다는 증거를 어디에서

도 찾아볼 수 없었음에도 불구하고 LMO의 장점보

다는 위해가능성 등 부정적인 측면에 동조하는 비

율이 높을 뿐만 아니라 유전자변형 농산물이 아닌

일반농산물을 섭취하기 위해 더 많은 비용을 기꺼

이 지불하겠다는 비율이 높게 나온다. 소비자의

안전성에 한 우려, 환경단체 등의 LMO 반 운

동 등 우리나라의 생명공학을 둘러싼 여론 환경은

결코 호의적이지 않으며 이로 인해 정부는 엄격한

규제정책을 펴지 않을 수 없게 되었다. 이에 우리

나라의 LMO 규제는 연구개발 단계에서 생산, 수

출입, 유통단계에 이르기까지 전 단계에 걸쳐 매

우 까다롭고 복잡하게 되어 있다. 이러한 규제정

347

LMO

응용

및산

업화

4부

제9장

책 체계로 인해 유전자변형 작물의 개발과 산업화

는 매우 제한적일 수밖에 없다. 더구나 표시제 확

등 더욱 까다로운 관리제도의 도입을 추진하는

등 향후 우리나라의 유전자변형 작물의 산업화는

더욱 어려워질 가능성이 높다. 이론적으로 표시제

는 안전성과는 관련이 없는 국민의 알 권리 충족

을 위한 것이지만 LMO에 한 부정적 여론을 고

려해볼 때 표시제 확 가 LMO 혼입 식품 및 농산

물에 한 소비자의 기피를 불러오고 이로 인해

유전자변형 작물에 한 기업의 투자 의욕저하를

불러올 가능성이 높다. 물론 새로운 기술의 도입

에 따른 불확실성을 제거하고 안전성을 확보하기

위한 규제의 필요성은 인정되지만 엄격한 안전성

평가심사를 통해 상업화가 승인된 유전자변형 작

물에 한 과도한 규제로 인해 우리나라 농업생명

공학의 발전 가능성을 가로막는 것은 지양할 필요

가 있다.

Ⅱ. 축산업

세계 주요 선진국에서는 위험성보다는 성장잠

재력이 큰 새로운 과학 분야의 창의적인 연구를

국책과제로 선정하여 추진하고 있다. 미국의

‘High-Risk, High Reward Research’, 유럽연합

(EU)의‘Frontier Research’, 국의‘High

Potential, High-Impact Research’등이 그 예이다.

생명공학기술을 이용한 유전자변형생물체(이하

‘LMO’)의 연구개발은 표적인 고위험 고수익

(high-risk, high-return) 사업으로서 위험성이 큰

반면 경제적인 효과가 매우 높을 것으로 예상되고

있다.

특히 21세기에는 인구증가, 노령화, 식량 부족,

물 부족 등이 심각한 사회문제로 두될 전망이

다. 이러한 문제점을 해결할 수 있는 방법 중의 하

나가 LMO의 개발과 이용기술이다. 현 생명공학

기술을 이용한 유전자변형 가축 및 사료작물의 이

용기술은 사회경제 및 산업 환경의 변화에서부터

사회구조, 생활양식, 가치 체계에 이르기까지 광

범위한 분야에서 새로운 변화를 가져올 것으로 예

상되고 있다. 건강한 생명사회를 지향하기 위하여

신기능성 물질의 공급, 품질이 좋은 의약품 생산,

새로운 치료법 개발과 최근 세계적으로 문제가 되

고 있는 식량 및 바이오 연료 생산 등의 연구는 강

화될 전망이다.

Medicines in development Biotechnology의

2006년과 2008년의 자료에 의하면 2006년에는 생

명공학기술을 이용하여 418종의 바이오의약품이

생산되었는데 이 중 210종은 암과 관련된 치료제

이고, 50종이 전염성질병 치료제로 인간을 상으

로 임상시험을 진행하고 있거나 미국 식품의약국

(이하‘미 FDA’)에서 사용이 검토되고 있는 것으

로 나타났다. 또한 2008년에는 2006년에 비하여

약 51%가 증가한 633종의 바이오의약품이 개발되

어 임상시험을 진행하고 있거나 미 FDA의 검토가

이루어지고 있다고 한다. 최근에는 효모, 곤충세

포, 동물세포 등을 배양하여 생산한 바이오의약품

이 상업화되고 있는데 이들 방법은 생산비가 비싸

고 생리활성이 떨어지는 등의 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하고자 새롭게 개발된 기

348

술이 유전자변형 가축을 이용한 바이오의약품의

생산이다. LMO인 유전자변형 가축으로부터 생산

된 바이오의약품 1종이 최근 유럽과 미국에서 판

매 승인을 받았고, 앞으로 유전자변형 가축으로부

터 생산된 차세 바이오의약품은 제약산업을 선

도해 나갈 전망이다. 또한, 이와 같은 생명공학기

술은 돼지를 이용한 바이오장기 생산기술에도 직

접적으로 응용이 가능하여 산업적인 효과는 막

하다. 생명공학기술의 발달로 많은 환자들이 바이

오의약품의 혜택을 보았고, 미래에는 더 많은 바

이오의약품이 개발되어 인류에게 혜택을 줄 것으

로 보인다.

한편 지구의 온난화, 사막화, 이상기온과 사료

자원의 부족 등을 해결하기 위하여 유전자변형 사

료작물이 개발되고 있다. 가뭄과 고온 등에 강한

사료작물, 양가가 풍부하거나 생산량이 많은 사

료작물의 개발은 부족한 사료자원을 해결할 수 있

는 최선의 방법이다. 뿐만 아니라 단백질 함량이

높은 사료작물을 이용한 바이오의약품이나 질병

치료제의 생산과 관련기술이 개발되고 있다. 식물

을 이용한 생리활성물질의 생산은 인간면역결핍

바이러스(AIDS) 등 악성전염병과 인수공통전염병

으로부터 안전하다. 그러나 환경방출과 산업화 단

계까지 걸쳐 있는 제반 문제점을 해결하여야 상용

화가 가능하다.

1_ 유전자변형 가축을 이용한바이오의약품의 생산

가. 바이오의약품 시장의 잠재성

가축을 이용한 바이오의약품 분야는 BT, IT,

NT 등이 융합된 새로운 기술들이 개발되고 있으

며, 생화학, 생물학, 의학, 약학, 수의학, 축산학 등

다양한 학문 분야와 함께 발전하면서 기술혁신이

이루어지고 있다. LMO를 이용한 바이오의약품 생

산기술은 선진국과 비교할 때 기술격차가 적고,

진입장벽이 비교적 낮으며, 국내에서 기반기술을

다수 확보하고 있다. 농촌진흥청, 한국생명공학

연구원, 서울 학교, 건국 학교, 경상 학교, 조

아제약 등 많은 기관이 기초 기반기술을 확보하

고 다양한 유전자변형 가축을 생산하여 검정을 하

고 있다. 바이오의약품은 합성 신약에 비하여 임

상 성공률이나 미 FDA의 승인율이 높고 임상기

간, 미 FDA 심사기간과 개발비용이 적게 소요된

다(바이오산업, 우증권, 2007). 특히 바이오의약

품의 생산은 부가가치가 높고 새로운 기술개발과

산업재산권의 확보가 용이하므로 중장기적으로

과감한 투자를 하면 기술적인 우위를 선점할 수

있다.

미국의 GTC(Genzyme Transgenic)사에서는 세

계 최초로 유전자변형 산양이 생산한 바이오의약

품의 후보물질인 안티트롬빈이 2006년에 처음으

로 유럽에서 판매승인을 받은 후, 2009년에는 미

FDA에서도 의료용으로 승인되었다. 이는 유전자

변형 가축이 생산한 바이오의약품이 최초로 인간

349

LMO

응용

및산

업화

4부

제9장

을 치료하는 용도로 승인되었다는 데 의의가 깊

다. 미국, 국, 프랑스 등 선진국에서는 다양한

바이오의약품의 후보물질을 생산하여 비임상 또

는 임상시험을 진행하고 있어 향후 의료용으로 활

용할 수 있을 것이다. 우리나라도 국민의 삶의 질

을 높일 목적으로 2003년부터 바이오의약품 개발

을 국가 차세 10 성장동력사업으로 선정하여

연구를 추진하 고, 현재도 신성장동력사업으로

선정하여 투자를 하고 있다.

생명공학 연구 분야는 유전체 및 줄기세포 연

구 등과 융합하여 전통적인 방법으로 치료가 불가

능한 장기이식, 암 치료, 뇌졸중 등 희귀∙난치병

의 치료법의 개발에도 활용이 가능하고, 질병을

조기에 발견하여 환자의 고통과 경제적 부담을 줄

이고 사회적 비용을 감소시킬 수 있다. 이와 같은

장점 때문에 최근 선진국에서는 생명공학기술을

이용한 새로운 바이오의약품 및 바이오장기 생산

기술을 중점적으로 개발하고 있다.

축산 분야에 있어서 유전자변형 가축 개발은

연구초기 단계에 있어 시장 동향을 명확하게 판단

하기에는 어려움이 있다. OECD에 따르면 바이오

산업의 세계 시장규모는 2003년에 약 740억 달러

이며, 향후 연간 20% 이상의 성장이 예상되어

2013년에는 약 2,100억 달러에 이를 것으로 전망

하고 있다. 또한 일본의 니케이는 BT가 IT, NT, ET

등과 융합하면서 생물시장이 빠르게 성장하여 세

계 시장규모가 2005년에는 3,732억 달러, 2010년

에는 7,049억 달러를 능가할 것으로 전망하고 있

으며, 이 중 바이오의약품 및 장기 분야가 70% 이

상이 될 것으로 추정하 다.

세계 의약품 시장규모 중에서 의료용 단백질의

비중은 2001년 7%에서 2006년에는 10%까지 증가

할 것으로 예측된 바 있으며, 이러한 추세를 반

하여 LMO를 이용한 바이오의약품의 시장 비중은

더욱 확 될 전망이다(표 4-9-05 참조). 우리나라

에서는 동아제약과 LG화학 등에서 독자적으로 동

물세포 배양법을 이용한 빈혈 치료제인 조혈촉진

인자(이하‘EPO’) 생산기술을 개발함으로써 바이

오의약품 생산의 기반기술을 확보하 다. 그러나

세포 배양법으로 생산한 EPO 제제의 일부는 미

FDA 및 식품의약품안전청(KFDA)에서 위험성을

지적하여 문제점에 한 해결이 필요하다. 현재까

지 개발된 바이오의약품 중에서는 암 및 관련 치

료제가 가장 많고 전염성질병, 면역성질병,

HIV/AIDS 치료제 순이다(표 4-9-06 참조).

출처 : ITIS(Industrial Technology Intelligence Services), Taiwan 2004

<표 4-9-05> 세계 바이오의약품 중 의료용 단백질의 비중 (단위 : 십억 달러)

년도 2001 2002 2006

의약품 시장 규모 381.3 418.2 663.7

의료용 단백질 시장 규모 26.8 33 66

의료용 단백질의 비율 (%) 7% 7.9% 10%

년도 백신 단일클론항체 유전자치료 세포 치료 기타

2008 223 192 66 38 23 91

년도암 및 관련 전염성질병 면역성질병 심혈관질환 HIV/AIDS

기타치료제 치료제 치료제 치료제 치료제

2004 154 43 26 19 17 97

2006 210 50 44 22 22 117

2008 254 162 59 25 34 187

<표 4-9-06> 생명공학기술을 이용한 치료제 및 제품별 의약품 개발 현황 (단위 : 건 수)

* 일부 의약품들은 한 개 이상의 분야에 보고되었음.

출처 : Medicines in Development Biotechnology(2004, 2006, 2008 Report, PhRMA)

재조합

호르몬 및 단백질

350

나. 바이오의약품(EPO 중심)의 발전 과정

EPO는 만성신부전증, 수술 및 암 환자 등 다

양한 환자의 치료목적으로 사용되고 있으나 혈액

속에 극히 적은 양이 함유되어 천연 EPO의 정제

와 확보가 어렵고, 독성 유전자로서 생산기술 개

발에 어려움이 있어 현재까지 매우 고가로 판매되

는 의약품이다. 미국의 경우 에포젠(rhEPO)을 투

석하는 환자의 연간 치료비는 1만 달러로 매우 비

싸기 때문에 건강보험회사는 체 의약품의 필요

성을 요구하고 있기도 하다.

EPO를 생산하는 인간 유전자는 1985년에 처음

으로 클로닝되었고, 미국의 엠젠(Amgen)사는

1989년 최초로 재조합단백질(에포젠)을 생산하여

판매를 하고 있으며, 그동안의 발전 과정을 요약

하면 다음과 같다(Biogenerics pipeline, 2006).

(1) 1세 조혈촉진인자(EPO)�

에포틴(Epoetins)은 체내의 EPO와 동일한 아미

노산 서열을 가진 재조합 EPO를 뜻하지만 당쇄의

결합(Glycosylation) 형태가 다양하다. 현재 시판

되는 에포틴(α, β, ω)은 체내의 EPO와 구조면에서

차이가 있으며, 당쇄의 수식과 생리활성 및 지속

351

LMO

응용

및산

업화

4부

제9장

성이 다르다.

에포틴 α는 에포젠(Epogen�)과 ESPO�이라는

상표로 판매되고 있고 엠젠(Amgen)사와 기린

(Kirin)사가 특허권을 보유하고 있다. 유럽특허는

이미 2004년에 만료되었으며, 미국의 경우 유전자

의 특허는 2004년에 만료된 반면 물질에 한 특

허는 2013년까지 유효하다. 한편 존슨앤존슨

(Johnson&Johnson)사가 미국에서는 Procrit�로,

그 외 지역에서는 Eprex�이라는 상품명으로 판매

하고 있으며, 2005년 세계 총 에포틴 α의 판매액

은 61억 6천 3백만 달러이다.

에포틴 α와 동일한 용도로 승인된 에포틴 β는

현재 미국 이외의 지역에서 각각 Neo-Recormon�

과 Epogin�이라는 상표로 판매 중이며, 2005년

판매액은 17억 2천 6백만 달러 다. 한편 에포틴

β의 특허는 로슈(Roche)사와 추가이(Chugai)사가

보유하고 있으며, 유럽특허는 2006년에 만료되

었다.

CHO세포에서 생산되는 에포틴 α와 β와 달리

Baby Hamster Kidney cells에서 생산되는 에포틴

ω의 경우 백스터(Baxter)사에서 보유하고 있고,

미국 등 15개국 이상에서 판매되고 있다.

에포틴 δ는 유럽의 트랜스캐리오틱 세러피스

(Transkaryotic Therapies)사와 아벤티스(Aventis)

사에 의해 개발되어 유럽에서 판매승인을 받았고,

트랜스캐리오틱 세러피스를 합병한 샤이어(Shire)

사는 유전자 활성화(Gene Activation) 기술을 통해

인간세포주(Human Cell Line)에서 생산한

Dynepo(에포틴 δ)를 유럽에서 판매할 계획이라

고 밝혔다.

(2) 2세 조혈촉진인자(EPO)

만성신부전증 환자 등은 증상에 따라 EPO를 1

주일에 2회 정도 투여하여야 하는 문제점이 있다.

EPO의 시장점유율을 유지하기 위해 엠젠(Amgen)

사와 로슈(Roche)사 등 주요 EPO 제조사는 반감

기를 길게 만들어 투여빈도를 줄인 차세

EPO(Darbepoetin α)를 개발하 다. 엠젠(Amgen)

사가 개발한 Darbepoetin α(Aranesp� 또는 기린

(Kirin)사의 KRN321�)는 EPO의 당쇄를 개선한 것

으로 Aranesp�의 경우 2001년에 판매가 승인되어

2005년까지 매출이 지속적으로 증가하 다. 2세

EPO 상품의 출시로 2006년 존슨앤존슨사의

Procrit�/Eprex�(epoetin α)의 판매량은 4%, 추가

이사의 Epogin(epoetin β)의 판매량은 8.4% 감소

한 반면, Amgen사의 Aranesp�(Darbepoetin α)의

판매량은 전년 비 26% 증가하 다. 2006년 EPO

관련 제품의 판매액은 약 119억 달러이며 새로운

EPO 제품개발이 시장 주도권을 확 하여 가고 있

는 추세이다. 샤이어(Shire)사가 차세 EPO 산물

인 CERA(Continuous Erythropoiesis Receptor

activator)를 판매하게 되면 시장 판도에 변화가 나

타날 것으로 예상된다(표 4-9-07 참조).

미 FDA와 달리 유럽 의약품기구(EMEA)는

2006년 7월 1일자로 EPO 특별 부칙을 발효함으로

써 유사 바이오의약품(바이오시 러)의 단백질

품질, 비임상 및 임상 문제에 해 보다 분명한 지

침을 제공하 다. 유럽의 EPO 시장은 세계 EPO

시장의 약 20~25%에 달하는데 유럽에서 가장 선

도적인 바이오시 러 EPO 개발기술은 독일의 비

352

오슈티칼스(Bioceuticals)사가 가지고 있으며, 네

덜란드의 DSM 바이오로직스(DSM Biologics)사 이

외 유럽내 9개 회사에서 바이오시 러 EPO 개발

프로젝트(biosimilar EPO projects)가 진행 중이다.

(3) 차세 조혈촉진인자

(EPO Stimulating Agents, ESA)

EPO의 시장에는 현재까지 개발된 제품 외에

바이오제네릭(Biogenerics) EPO뿐만 아니라, 경

구투여가 가능한 제제 등 차세 조혈촉진인자

Rhu Renal and134 Aranesp darbepoetin Amgen Protein cancer US$4,121(+26%)

alfa anemia

Rhu Kirin 2007 sales 509 KRN321 darbepoetin (from Amgen) Protein Anemia 2007 expectations of

alfa Yen 2.4 bln

Johnson Renal and330 & Johnson Protein cancer US$3,180(-4%)

(from Amgen) anemia

Renal and505 Epogen Amgen Protein cancer US$2,511(+2%)

anemia

506 ESPORhu Kirin

Protein AnemiaYen40bln (-3.1%) =

epoetin alfa (from Amgen) US$ 333

Renal and 508 Epogin Protein cancer

anemia

ID

No. 상품명 화합물 종류 회사명 상품 범주 증상

첫 승인

연도

2006년 판매액(mln)

(전년 비 판매량(%))

<표 4-9-07> 의료용 EPO의 생산 및 판매 현황

총계: 119억 3천 9백만 달러

Neo -

recormon

출처 : http://www.biogenericspipeline.com/epo/epo-market/

*mln: million *bln=billion

Procrit /

Eprex

Rhu

epoetin alfa

Rhu

epoetin alfa

Rhu

epoetin beta

Rhu

epoetin beta

Chugai

(Roche)

YenY63.4bln(-8.4%)

= US$ 524

NeoRecormon:

CHF1,500(+6%)

=US$ 1,210

Combined epoetin

beta sales:

CHF2,227(-1%)

=US$ 1,794

Roche ProteinRenal and

canceranemia

507

353

LMO

응용

및산

업화

4부

제9장

등이 경쟁에 참여할 계획이다. 경구투여용 ESA의

개발은 파이브로젠(Fibrogen)사, 아스텔라스

(Astellas)사 등에 의해 주도되고 있다. 2005년 4월

DNAPrint Genomics사는 Beth Israel Deaconess사

가 개발한 새로운 빈혈 치료제 Super-EPO, PT-

401(Erythropoietin dimer, 천연단백질 두 개가 결

합된 형태)의 국제 독점판매권(license)을 획득하

다. 차세 EPO는 개인별 용량과 반응을 예측

하여 맞춤 처방을 제공하는 것이 목표이지만, 만

성 환자에게 투여회수를 줄일 수 있도록 생리활성

과 반감기 등을 향상시키는 연구가 우선적으로 진

행되어야 한다.

(4) 유전자변형 가축을 통한

조혈촉진인자의 생산

미국의 GTC사는 전통적인 방법으로는 재조합

단백질을 생산하는 데 어려움이 있기 때문에, 경

제적으로 많은 양의 바이오의약품을 생산하는 방

법은 유전자변형 가축이 가장 적당하다고 하 다.

즉, 유전자변형 가축을 이용한 생리활성물질의 생

산은 활성이 높고 바이오의약품을 경제적으로 생

산할 수 있는 시스템이 될 수 있다. GTC사는 유전

자변형 산양이 생산한 인간 상 의료용 단백질은

당의 수식형태가 가장 중요하다고 하 다. 연구결

과 유전자변형 생쥐가 생산한 rhEPO가 CHO세포

에서 생산한 것보다 적절한 당화(glycosylation)가

이루어졌다고 하며, 유전자변형 가축이 생산한 바

이오의약품이 체내에서 생산된 당단백질과 가장

유사하 다고 밝혔다. 그러나 유전자변형 가축을

이용한 바이오의약품의 원료물질 생산은 약효나

경제적인 측면에서 매우 유리하지만 성공률이 낮

은 문제점을 해결하기 위한 연구가 미흡한 실정이

다. 특히 EPO는 시장성이 매우 크고 고가인 약제

이지만 유전자가 독성을 가지고 있어 태아사멸,

과잉 발현에 의한 폐사 등 여러 가지 밝혀지지 않

은 부작용 등이 있다. 따라서 선진국의 많은 연구

팀이 유전자변형 가축을 이용하여 인간 EPO 생산

을 시도하 으나 성공한 사례가 적다.

농촌진흥청은 F-36E세포를 이용하여 유전자변

형 돼지의 유즙에서 생산한 인간 EPO에 한 활

력검사를 수행한 결과 생리적인 활성이 높은 결과

를 얻었다. 이는 현재 5세 까지 생산이 되었고,

국제( 국)특허를 획득하 으며 산업체에 기술을

이전하 다. 2004년 체코의 BIOPHARM 연구소에

서는 유전자변형 토끼의 유즙과 혈액에서 rhEPO

를 각각 60�178mIU/mL와 60�162mIU/mL를 생

산하 다(WHO 기준에 따르면 1mIU의 EPO는

7.6pg의 완전한 당쇄를 가진 단백질을 뜻하며,

1unit의 EPO는 5umol의 코발트와 동일한 자극

효과를 지니는 것을 의미함). 한편 최근 쿠바의

CGEM(Center for Genetic Engineering and

Biotechnology)에서는 바이러스 벡터를 이용하여

일반산양의 유선에 EPO 유전자를 도입한 후 이를

착유하여 약 2mg/mL의 EPO를 생산했다는 결과

를 보고하 다.

한국과학기술정보연구원 자료에 의하면 바이

오의약품을 제품화 하는데(물질탐색, 안전성, 유

효성 판단, 비임상 및 임상 등)는 약 12년 정도 이

354

상이 소요(성공확률: 1/5천�1/1만)되고, 새로운

의약품 1개당 약 9천억원 이상의 연구개발 투자비

용이 요구되며, 투자비용을 회수하는 데도 12�15

년이 걸린다고 한다(KISTI, 바이오신약, 2004). 이

를 극복하기 위한 기술개발이 필요하다. 현재까지

고가의 생리활성물질인 의료용 단백질은 부분

동물세포를 이용하여 생산하여 왔다. 그러나 동물

세포를 이용한 의료용 단백질 생산은 가축에 비하

여 안전성이 높은 반면, 생산비가 높고 생산량이

낮아 생산원가가 높은 것이 단점이라 할 수 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 최근에 가축을

이용한 동물 생체반응기(Animal Bioreactor)가 활

발하게 개발되고 있다. 이 방법은 가축의 유즙, 소

변, 혈액, 계란 등을 통하여 의료용 단백질을 량

으로 생산하는 방법으로 지금까지 개발된 의약품

의 생산방법에 비하여 우수한 것으로 알려져 있

다. 미국 GTC사 등에서는 유전자변형 가축으로부

터 다양한 바이오의약품 후보물질을 생산하는 가

축을 개발하여 앞으로 10년 이내에 유전자변형 가

축이 생산한 많은 생물학적 의약품이 상업화될 것

으로 예측된다. 국내에서 농촌진흥청이 개발한 인

간 혈우병 치료제 등은 생산량과 구조분석을 완료

하 으며, 산업화를 위한 연구가 진행되고 있다.

다. 유전자변형 가축을 이용한

바이오의약품 생산시스템 비교

(1) 축종별 비유생리의 비교

유전자변형 가축으로부터 바이오의약품의 원료

물질을 생산하는 시스템은 다양하다. 바이오의약

품을 생산하기 위한 가축의 선택은 시장의 수요량,

경제성, 유전자 발현시스템의 장단점, 유전자의 특

징, 유전자변형기술, 가축의 생리 등을 고려하게

되며 주로 소, 돼지, 산양, 닭을 많이 이용한다.

젖소의 산유량은 연간 약 10,000리터로 많은 편

이며, 착유시스템이 잘 갖추어져 있기 때문에 바

이오의약품을 생산하기에 가장 적절한 가축이다.

특히 젖소는 우유를 량으로 생산하기 때문에 바

이오의약품을 생산하는 가장 알맞은 시스템이다.

최근 미국의 GTC사는 유전자변형 복제소를 개발

하여 우유 1리터당 1~40그램의 인간 알부민을 생

* 돼지 유즙의 구성은 포유시기, 모돈의 양상태 및 연령, 산자 생산방식 및 계절 등에 따라 차이를 보이는데, 본 자료는 포유 7일부터

56일차까지의 평균임(Gallagher 등, 1997).

<표 4-9-08> 주요 포유동물의 유즙성분 비교

성분(%) 우유 산양유 돼지 유즙*

지방 3.67 3.80 9.58

단백질 3.23 2.90 6.11

젖산 4.78 4.08 4.62

회분 0.73 0.79 0.92

355

LMO

응용

및산

업화

4부

제9장

산하는 데 성공하 다.

돼지는 가축 중에서 유전적인 구조가 인간과

가장 가깝기 때문에 바이오의약품 개발에 중요한

동물이다. 돼지의 연간 유즙 생산량은 약 200�

400리터 정도로 추정되며, 돼지의 유선조직은 복

잡한 당단백질의 생리활성을 가지는 데 필요한 해

독 후 변형 과정(Post Translational Modification)이

잘 이루어지는 것으로 알려져 있다. 돼지는 성성

숙(性成熟)에 도달하는 기간이 짧고, 다산성으로

많은 산자를 낳으며, 증식이 빠르고 무균으로 사

육하기가 편리하다. 또한 계절성 번식동물이 아니

기 때문에 연중 번식이 가능하다. 따라서 기본가

축단위로서 비교할 때 다른 가축에 비하여 체적

으로 유즙을 많이 생산할 수 있으나 아직 착유시

스템이 개발되어 있지 않은 문제점이 있다.

산양은 돼지에 비해 개체당 많은 양의 유즙을

생산(평균 착유일 300일 기준 연간 600�800리터)

하며, 착유시스템이 잘 개발되어 있어 생산물을

수집하는 과정은 돼지에 비해 간편하며, 열악한

조건에서 사육하기가 용이하다. 그러나 부분이

계절성 번식동물로 번식이 어려우며 연간 생산 산

자수가 적어 증식이 늦고, 복잡한 당단백질의 해

독 후 변형 과정을 사람과 동일하게 수행하는지의

여부는 아직 밝혀져 있지 않다. D. Hockley(Trans

-genic Animal Research Conference Ⅵ, 2007)는 E.

coli, mammalian 293 T 및 CHO세포에서 경제적으

로 발현되지 않는 Human plasm butyrylcholineste

-rase(HuBChE)를 유전자변형 산양을 통하여 생산

한 결과 1�5g/L이 생산되었고, 활성은 900�

1,000IU/mg로서 충분한 경제성이 있었다고 보고

하 다.

가축의 유즙성분은 품종, 개체, 유즙의 채취시

기, 양 및 건강상태 등에 따라서 차이가 있다. 우

유, 산양유 및 돼지 유즙을 비교할 때 돼지의 유즙

은 지방, 단백질 및 회분(ash)의 함량이 높다. 특히

유전자변형 가축으로부터 생산되는 바이오의약

품의 원료물질은 단백질체이기 때문에 단백질의

함량도 중요한 지표가 된다(표 4-9-08 참조).

(2) 유전자 발현시스템 비교

유전자변형 가축을 이용한 재조합단백질 생산

은 세포 배양법의 체 방식으로서 각광을 받을

것이다. 이러한 생산방식은 더 낮은 비용으로 더

많은 양의 재조합단백질을 경제적으로 생산할 수

있는 장점을 가지고 있다. 최근에는 외래유전자로

부터 단백질의 발현효율을 높이기 위해 특이발현

프로모터의 개발, 재조합단백질의 분비효율 향상,

DNA 구조의 변경과 반감기를 향상시켜 생리활성

물질의 활성을 높이려는 연구 등이 진행되고 있다

(표 4-9-09 참조).

유즙(milk)을 통한 재조합단백질의 생산방식은

가장 널리 이용되고 있는 시스템이다. 유즙을 통

한 재조합단백질의 생산은 생리활성이 높은 량

의 단백질을 비교적 안정적인 형태로 얻을 수 있

기 때문에 경제성이 매우 높다는 장점을 가지고

있다. N. Li(2007)는 유전자변형 소가 생산한 α-락

토알부민은 당쇄 수식이 잘 이루어져 있고, 일반

우유와 비교할 때 총 지방, 젖당(lactose), 단백질,

고형물은 차이가 없다고 보고했다. 그러나 유선을

356

통하여 바이오의약품의 원료물질을 생산하기 위

해서는 개체의 성별, 연령(성성숙), 임신 및 산자

생산 등의 조건이 갖추어져야 하고 또한 착유할

수 있는 기간이 한정되어 있다는 단점이 있고, 재

조합단백질의 분리정제에 어려움을 겪는 경우가

있다. 젖소 및 산양은 착유가 이미 기계화되어 있

어 바이오의약품의 원료물질 수집이 매우 용이하

다. 돼지의 유즙에서 유용단백질을 생산할 수 있

는 유전자변형 돼지를 개발한 후, 미국 버지니아

공 에서 기계착유시스템을 개발하 으나(Garst

등, J. of Animal Sci, 1999) 지속적인 보완이 필요한

것으로 보인다.

소변(urine)을 통한 재조합단백질 생산방식의

가장 큰 장점은 성별과 연령에 관계없이 목적 단

장 점

<표 4-9-09> 동물 생체반응의 장∙단점 비교

구 분 단 점

소변

계란(난백)

혈액

정액

유즙

� 개체별 단백질의 합성 및 구조의 차이가 있을

수 있음

� 유즙은 다양한 단백질을 포함하고 있어 정제

비용이 높음

� 비유기 단계에서만 분비

� 재조합단백질의 생화학적 특성, 유선생리 연

구 미흡

� 단백질 량 생산(소 : 연간 40�80킬로그램,

산양 : 연간 2.5킬로그램 정도의 단백질 생산)

� 현재까지 알려진 최고의 생체반응기로 많은 연

구 성과 확보

� 재조합단백질이 정상적인 형태로 유즙내 분비

가 이루어짐

� 생산량이 낮음(현재까지 유즙의 1/10,000 정

도 발현)

� 해독 후 변형과정여부 불확실

� 발현되는 단백질의 양이 적음

� 재조합단백질의 생리활성 및 구조 미확인

� 형질전환의 부작용 가능

� 성별에 무관하게 생산

� 개체 생산과 동시에 생산 가능(특수한 발현단계

없음)

� 유즙에 비해 재조합단백질의 정제가 용이함

� 지방 등 제거 상 물질의 함량이 적음

� 혈청의 불안전성

� 형질전환의 부작용 가능

� 생체에서 주기적인 채취 가능

� 도축장에서 부산물인 혈액의 량 확보 및

이용 용이

� 기술개발 초기단계

� 단백질의 분리방법 미개발

� 조기 증식 및 량생산 가능

� 계란의 단백질 함량 높음

�단백질 생산이 단순함

� 재조합단백질의 구조 미확인

� 분비체계 및 생리활성 미확인

� 종에 따라 량생산 가능(돼지)

� 단백질 함량이 높음

357

LMO

응용

및산

업화

4부

제9장

백질을 비교적 쉽게 얻을 수 있다는 점이다. 그러

나 방광으로부터 상업적으로 이용이 가능할 정도

의 의약품 원료물질을 생산하기 위해서는 소변내

단백질의 생산량이 많아야 한다. 생쥐의 Uropla

-kin II(UPII) 프로모터를 이용하여 유전자변형 생

쥐에서 약 0.5mg/L의 hGH(인간 성장호르몬)이 생

산되었다는 보고가 있으나(Kerr 등, Nat. Biotech,

1998), 국내 연구진이 개발한 유전자변형 생쥐의

소변에서 발현된 hGM-CSF(180 ng/ml)는 이에 미

치지 못하 다(Ryoo 등, Transgenic Res, 2001). 이

를 극복하기 위해 최근에는 신장특이 프로모터(유

로모둘린 프로모터 등)를 개발하여 이용하고자 하

는 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 돼지의

UPII 프로모터를 이용하는 연구와 산양의 유로모

둘린 프로모터를 다른 동물의 신장에서 특이하게

발현시켜 단백질의 생산량을 높이는 연구 등도 진

행되고 있다. 하지만 소변으로부터 바이오의약품

후보물질을 생산할 경우 해독 후 변형 과정(post

translational modification)을 거치는가에 한 여

부가 아직 확실히 밝혀지지 않았고, 소변내 환경

이 재조합단백질의 안정성에 미칠 향과 단백질

이 방광으로 다량 분비될 때의 질병 발생 가능성

도 고려해야 할 것이다.

라. 국내외 주요 유전자변형

가축 개발 현황

국내 많은 연구기관 및 학교에서 유전자변형

가축으로부터 의료용 유용단백질을 생산하고, 또

이를 이용하는 것에 관한 연구를 진행하고 있다.

최근 농촌진흥청에서는 재조합유전자를 이용하

여 돼지를 형질전환시켜 인간 EPO, tPA 및 vWF의

후보물질을 생산하는 데 성공하 다. 또한 서울

학교, 건국 학교, 경상 학교, 구가톨릭의 ,

한국생명공학연구원 젖소 1998 인간 락토페린 생산

농촌진흥청 돼지 1999 인간 EPO 생산

한국생명공학연구원 염소 1999 인간 G-CSF 생산

농촌진흥청 돼지 2003 인간 tPA 생산

농촌진흥청 돼지 2004 인간 von Willibrand factor 생산

구가톨릭의 닭 2004 바이러스 이용 EGFP 발현

충남 학교&(주)엠젠바이오 돼지 2005 인간 GM-CSF 생산

경상 학교 돼지 2005 인간 EPO 생산

농촌진흥청 닭 2006 인간 락토페린 생산

(주)엠젠 산양 2007 인간 GM-CSF 생산

<표 4-9-10> 국내 주요 유전자변형 가축 연구개발 현황

기 관 명 제 품 명 시 기 주 요 내 용

358

충남 학교 등의 학교와 한국생명공학연구원

등의 기관에서 가축의 형질전환에 성공하 거나

이와 관련된 기술을 가지고 있다(표 4-9-10 참조).

미국은 세계 생명공학산업의 선두를 차지하고

있다. 미국은 생명공학산업을 육성하기 위하여 국

방비 다음으로 많은 예산을 지원하고 있으며, 특

히 바이오의약품의 개발과 상업화에 주력하고 있

다. 1998년 미국의 GTC사는 인간의 혈전증 치료

제로 사용되는 안티트롬빈 III(상품명: ATryn�)을

유즙에서 생산할 수 있는 유전자변형 산양을 개발

하여 동물특허(U.S. Patent 5,843,705)에 등록하

을 뿐만 아니라 인간 tPA를 생산하는 유전자변형

산양 등 64종 이상의 유전자변형 가축을 보유하고

있다. 미국에서 유전자변형 돼지의 연구개발은 버

지니아 공 (Velander 박사 등)와 미국 적십자사

(American Red Cross) 등에서 주로 수행되고 있다.

네덜란드의 파밍(Pharming)사, 국의 PPL사 등

도 바이오의약품을 생산하는 유전자변형 가축을

개발하는 등 세계적으로 많은 유전자변형 가축이

개발되었다. 또한 선진국에서는 유전자변형 가축

이 생산한 다양한 바이오의약품에 하여 임상시

험을 실시하고 있어 새로운 바이오의약품이 곧 세

계 시장에 진출할 예정이다.

2_ 유전자변형기술을 이용한사료작물의 생산

가. 제초제저항성 사료작물

미국, 남미, 중국 등지에서 제초제저항성 옥수

수, 콩, 면화 등 사료용 유전자변형 작물이 생산되

어 현재 이용이 되고 있거나 향후 이용될 전망이

다. 전 세계에서 연간 사용되는 농약의 절반 이상

이 제초제인 것과 같이 작물 재배에 있어 잡초로

인한 피해가 크다. 그렇기 때문에 제초제저항성

유전자를 이용하여 개발된 유전자변형 작물은 세

계 유전자변형 작물의 63% 이상을 차지할 정도로

보편화되어 있다. 유전자변형 작물은 1996년, 미

국의 몬산토사가‘라운드업(Roundup)’이라는 제

초제에 내성을 지닌 유전자변형 콩(상품명:

Roundup Ready)을 개발하면서 판매되기 시작하

다.

한국화학연구원은 경상 학교, 농촌진흥청과

공동으로 제초제저항성 사료작물을 개발하는 연

구를 진행하고 있으며, 가시적인 성과들이 도출되

고 있다. 제초제저항성 사료작물이 실용화될 경

우, 초지나 사료작물 재배지에서 잡초제거에 소요

되는 인건비나 농약 사용량을 폭 줄일 수 있으

며, 생산량도 크게 증가될 것으로 기 된다.

나. 환경스트레스 저항성 사료작물

사료작물은 가뭄, 냉해, 고온 등 외부 환경으로

부터 받는 스트레스(이하‘환경스트레스’)로 인해

수확량이 최 30% 까지 감소하기 때문에 이를 극

복할 수 있는 사료작물을 개발하려는 연구가 세계

적으로 전개되고 있다. 농촌진흥청 국립축산과학

원 김기용 박사팀은 한국생명공학연구원, 경상

학교와 공동으로 환경스트레스 저항성 사료작물

359

LMO

응용

및산

업화

4부

제9장

을 개발하는 데 성공하 다. 연구팀은 전 세계에

서 사료작물로 많이 재배되고 있는‘톨페스큐’를

상으로 환경스트레스 조건에서 강하게 발현하

는 SWPA2 프로모터를 사용하여 항산화효소

CuZnSOD와 APX 유전자를 엽록체에 동시에 과발

현시킨 유전자변형 SSA톨페스큐를 개발하 고,

복합 환경스트레스 저항성 유전자 NDPK2를 과발

현시킨 SN톨페스큐를 개발하 다. 또한 이들 유

전자변형 작물이 산화스트레스와 염(NaCl)스트레

스, 건조스트레스 등 복합적인 스트레스를 극복하

는 능력이 탁월하다는 것을 확인했다.

다. 의료용 단백질(백신) 생산

식물백신이란 쌀, 토마토, 시금치 등을 이용하

여 독감, B형 간염 등의 백신을 생산하는 것으로

최근 식물을 이용한 다양한 단백질의 생산이 시도

되면서 일본 도쿄 학교 히로시 키요노 박사 연구

팀이 콜레라 백신을 가진 쌀을 개발한 바 있다.

경구백신, DNA 백신 등 최근 다양한 형태의 경

구백신의 생산방법이 제안되고, 또 그 가능성이

연구되고 있다. 식물백신의 경우 규모 재배가

쉬우므로 백신의 생산비가 절감되고, 제조공정이

복잡하고 운송∙저장 등을 위한 냉장 시설을 필요

로 하는 전통적 백신과 달리 식물백신은 그러한

시설이 필요 없다. 또한 주사가 필요 없으므로 의

사나 간호사 같은 의료인이 부족한 곳에서 적용하

기 좋다.

농촌진흥청 농업생명공학연구원(김종범 박사

팀)은 성균관 학교 및 국립수의과학검역원과 공

동으로 돼지콜레라 백신을 생산하는 사료작물(알

팔파)의 개발에 성공하 으며, 동물실험 등을 통해

돼지콜레라 항체가 만들어지는 것을 확인하 다.

라. 사료작물의 부가가치 향상

사료작물에서 리그닌의 함량은 가축의 소화율

에 향을 미치게 되기 때문에 리그닌 함량이 높

게 되면 사료가치가 낮아진다. 농촌진흥청은 경상

학교와 공동연구로 유전자변형기술을 통해 사

료작물에서 리그닌 합성을 억제하도록 하는 연구

를 진행하고 있다. 사료작물 중에서 특수한 양

분의 함량을 높이거나, 환경스트레스를 억제하기

위하여 인의 이용률이나 환경적응성을 높인 사료

작물의 개발이 시도되고 있다. 향후 고기능성 사

료를 이용하여 축산물의 부가가치를 높이는 등의

연구도 이루어질 것으로 보인다.

마. 국내외 주요 유전자변형

사료작물 개발 현황

국내에서는 1998년 이후 농촌진흥청 국립축산

과학원에서 유전자변형 사료작물 개발 연구를 시

작한 이래 2008년 1월 현재 3초종 9종의 유전자변

형 사료작물을 개발하는 데 성공하 다. 농촌진흥

청은 경상 학교, 성균관 학교, 한국생명공학연

구원, 한국화학연구원 등 국내 연구기관과의 공동

연구를 통해 내열성 유전자를 도입한 오차드그라

스와 알팔파, 환경스트레스 저항성 유전자를 도입

한 톨페스큐, 돼지콜레라 백신 생산 유전자를 도

360

입한 알팔파, 제초제저항성 유전자를 도입한 톨페

스큐 등 여러 종류의 유전자변형 사료작물을 개발

하 다. 이 중 환경스트레스 저항성 톨페스큐는

전문가 평가에서 그 우수성이 입증되어 실용화 단

계의 연구를 수행하고 있으며, 돼지콜레라 백신생

산 알팔파는 동물 급여시험을 완료하고 국제특허

를 출원하 다.

해외의 경우 1990년 부터 식물 분야에 생명공

학기술이 활발히 이용되었다. 많은 연구자들이 유

용유전자의 탐색과 이용기술을 개발하 고, 새로

운 기능성 유전자를 이용하여 유전자변형 사료작

물(식용 포함)을 개발하 으며, 유전자변형 옥수

수, 콩, 유채 등이 가축의 사료로 이용되고 있다.

이처럼 유전자변형 작물의 국가간 이동 가능성

이 높아지자 국제 사회는 인체 및 환경에 미칠 수

있는 잠재적 위해성에 한 우려로 2000년 1월 바

이오안전성의정서를 채택하 으며, 우리나라는

국내법인「유전자변형생물체의 국가간 이동 등

에 관한 법률(LMO법)」을 2008년 1월 1일부터 발

효하 다. 농산물의 수입 및 안전성을 관장하고

있는 농림수산식품부는 유전자변형 작물의 생산

및 수입 단계에서의 안전성 확보를 위하여‘유전

자변형생물체의 국가간이동 등에 관한 통합고시

(2007.11.30, 농림수산식품부고시 제2007-80호)’

를 마련하여 농업용 LMO의 수입 및 생산승인, 위

해성 평가심사, 표시 및 취급관리 등에 한 업무

를 수행하고 있다. 이에 따라 외국에서 개발된 유

전자변형 사료인 옥수수, 두박, 면실박, 채종박

등에 하여 GMO 검출 모니터링이 실시되고 있

으며, 유전자변형 사료에서 유래한 단백질이 가축

에게 전이되는지 여부 등 유전자변형 사료의 안전

성 연구도 함께 수행되고 있다.

3_ 향후 전망

우리나라의 경제성장을 주도해 왔던 주력산업

은 선진국의 기술선점과 후발국들의 추격이 가속

화되고 있다. 이에 우리 정부에서는 5�10년 후 우

리 경제를 이끌 수 있는 새로운 성장동력을 발굴

하기 위한 국가프로젝트를 기획하 다. 국가 10

차세 성장동력 중 하나인‘바이오신약∙장기산

업’은 IT산업에 이어 차세 주력산업이 될 수 있

도록 범국가적인 연구를 추진하고 있다. 또한

‘Visoin 2016, 2030’, ‘국가 신성장동력사업’등은

바이오산업의 발전을 통하여 미래 성장산업을 활

출처 : Innovations in Pharmaceutical Technology, GTC, USA

생산량(kg/년) 200 300

생산비($/g) 300�3,000 105

투자비(백만달러) 20�50 25

<표 4-9-11> 바이오의약품의 생산성 비교

구 분 CHO세포 배양법 유전자변형 산양

361

LMO

응용

및산

업화

4부

제9장

성화시키고 나아가 복지국가를 건설하고자 한다.

현재까지 고가의 생리활성물질인 의료용 단백

질은 부분 동물세포를 이용하여 생산해 왔다.

물론 동물세포를 이용한 의료용 단백질 생산은 가

축에 비하여 안전성은 높으나, 생산량이 낮고 생

산비가 높아 비경제적이다. 이러한 문제를 해결하

기 위하여 최근에 가축을 이용한 생체반응기 개발

이 활발히 진행되고 있다. 이 방법은 가축의 유즙,

소변, 혈액, 계란 등을 통하여 의료용 단백질을

량으로 생산하는 방법으로서 지금까지 개발된 의

약품의 생산방법에 비하여 경제성이 우수한 것으

로 알려져 있다. 네이처(Vol. 443, 2006)는 미국

GTC사가 유전자변형 산양으로부터 인간 안티트

롬빈Ⅲ를 생산한 결과 생산비가 세포 배양법에 비

하여 3�100배 정도 적게 소요된다고 밝혔다(표

4-9-11 참조). 따라서 앞으로 10년 이내에 유전자

변형 가축이 생산한 많은 바이오의약품이 세계 시

장에서 상업화될 것으로 보인다.

또한 유전자변형 가축은 유전자치료나 유전체

를 이용한 맞춤형 치료법 개발, 질병저항성 검정,

의약품의 약효 및 독성 검정 등의 임상연구에 다

양하게 이용될 수 있어 많은 연구소에서 유전자변

형기술을 이용한 모델가축을 개발하고 있다. 최근

당뇨병 환자가 급격하게 증가함에 따라 농촌진흥

청에서는 인간과 유사한 유전적인 구조를 가지고

있는 돼지를 이용하여 당뇨병 치료용 유전자변형

돼지를 생산하여 검정을 하고 있으며, 당뇨병 질

환모델 돼지가 개발되면 당뇨병치료법의 개발이

가속화될 전망이다.

이와 같이 유전자변형 가축 및 사료작물의 개

발과 응용기술은 미래에 국가 경쟁력의 척도가 될

전망이다. 우리나라는 그동안 꾸준히 노력을 하여

가축의 복제 및 유전자변형과 관련된 기초 기반기

술을 확보하 다. 그러나 FTA가 타결되면 의약품

생산의 지적재산권의 확보가 시급해지고, 선진국

과 경쟁력도 갖춰야 한다. 이처럼 LMO의 생산과

산업화 기술이 더욱 효율적이고 체계화되어 과학

기술의 경쟁력을 높이는 데 실질적으로 기여하기

위해서는 더 많은 기초 기반기술의 개발과 이에

한 범국가적인 투자가 필요하다. 예컨 각종

유용유전자를 탐색하여 이를 재조합하는 방법과

재조합된 유전자를 세포내에 효율적으로 도입하

는 방법, 도입된 유전자가 효율적으로 결합되어

량으로 발현되도록 하는 방법, LMO의 번식(생

식)과 관리 방법, 생산된 LMO의 생리 상태와 물질

생산능력에 한 검정과 이용방법, 바이오의약품

의 상업적인 이용 등이 폭넓게 이루어져야 한다.

362

제4절 바이오화학산업

근 화학산업은 전자, 자동차, 조선, 건설, 섬

유 등 산업 전반에 필요한 주요한 핵심 소재를 공

급하면서 19세기 중반부터 안정적으로 발전하여

왔다. 특히 2차 세계 전을 전후하여 중동 지역을

중심으로 규모 유전이 발견됨에 따라 원료물질

로서 석유를 저렴하게 사용할 수 있게 되었으며,

이를 바탕으로 화학산업은 급속히 성장하 다.

하지만 석유기반 화학산업은 1980년 이후부터

성장세가 둔화되었고, 최근에는 전체적인 수익성

역시 급격히 하락하면서 발전 가능성이 낮은 구

세 혹은 전통산업으로 인식되고 있다. 무엇보

다도 화석원료의 과다사용으로 인해 발생되는 지

구온난화와 환경위기, 석유자원의 고갈위기, 그

리고 고유가로 표되는 에너지위기 등이 심화되

면서 기존의 화학산업은 근본적인 변화를 요구받

고 있다. 이러한 위기에 처하기 위해 선진국을

중심으로 재생가능한 원료물질인 바이오매스

(Biomass)를 이용하여 환경친화적이고 지속발전

이 가능한 바이오화학산업으로의 구조 개편이 시

도되고 있다.

2005년 바이오화학산업을 통하여 생산된 바

이오화학제품은 전체 화학제품 시장의 5% 정도로

매우 낮은 수준이었다. 하지만 바흐만(Bachmann)

사가 2005년 발표한 보고서에 의하면 이들 바이

오화학제품 시장은 지속적으로 성장하여 2010년

에는 전체 화학제품 시장규모인 1조 4천억 달러

중 약 9~13%를 차지할 것으로 예측된다. 또한 이

후에도 바이오화학산업의 비중은 지속적으로 증

가하여 2025년에는 전체 화학제품 시장의

22~28%까지 확 될 것으로 추정되고 있다. 이러

한 바이오화학산업의 중요성을 인식한 미국(에너

지부, 농림부), 일본(경제산업성), 유럽연합(유로

파바이오) 등 전통적인 바이오 강국들은 정부 차

원에서 바이오화학산업을 적극적으로 지원하고

있으며, 바이오 회사들도 기존 화학회사와의 긴

한 연구개발을 통하여 바이오화학 관련 원천기

술개발 및 산업화에 박차를 가하고 있다. 이에 비

해 현재 국내 바이오화학산업의 비중은 약 2%로

선진국(5~7%)에 비하여 매우 낮은 수준이다. 최

근 지식경제부를 중심으로 바이오화학산업 분야

의 기술개발을 위한 연구 지원이 시작되었고 국

내 학교, 기업체 및 연구소에 근무하는 전문가

모임인‘바이오화학산업기술협의회’가 창립되는

등 여러 가지 노력이 진행되고 있으나, 아직까지

국가적인 규모에서의 지원은 상당히 미약한 실정

이다.

바이오화학산업의 생산공정은 크게 바이오매

스 생산기술과 바이오화학제품 제조기술 분야로

구분된다. 따라서 바이오화학산업에 있어서 유전

자변형생물체(Living Modified Organisms: LMO,

이하‘LMO’)가 이용되는 분야 역시 유전자변형

바이오매스 개발 분야와 바이오화학제품 제조에

이용되는 유전자변형 미생물 개발 분야로 나눌

수 있다. 물론 자연계에서 생산되는 다양한 종류

363

LMO

응용

및산

업화

4부

제9장

의 야생형 바이오매스를 수집하여 전처리공정을

거친 후 이를 직접 바이오화학제품 생산을 위한

원료물질로 사용할 수 있으나, 생산된 제품의 품

질 및 경제성을 만족시키기 위해서는 품질이 우수

한 유전자변형 바이오매스의 개발 및 이의 안정적

인 공급이 선행되어야 한다. 또한 다양한 바이오

매스에서 유래된 당(Sugars)으로부터 목적하는 바

이오화학제품만을 높은 수율(Yield)로 생산할 수

있는 우수한 형질을 보유한 유전자변형 미생물의

개발도 반드시 요구된다(그림 4-9-08 참조).

1_ LMO에 의한 바이오화학산업동향

현재 바이오화학산업은 초기 단계에 있으며,

성공적인 발전을 위해서는 경제적인 량 생산기

술의 확립이 무엇보다 필요하다. 이를 위해서는

먼저 가격이 저렴하고 가공이 용이한 바이오매스

의 개발이 필수적이다. 최근 곡물가격과 함께 바

이오매스 가격이 상승하고 있으며 이에 따라 상

적으로 풍부하면서 수급이 용이한 목질계를 포함

한 비식용 바이오매스에 한 관심이 높아지고 있

다. 이에 선진국에서는 생산성(Productivity) 및 품

질(Quality)이 보장된 유전자변형 바이오매스 개

발에 관한 연구가 집중적으로 진행되고 있다.

바이오화학산업의 성패는 고농도 바이오화학

제품을 효율적으로 생산하면서 공정 중 생성되는

부산물을 최소화할 수 있는 유전자변형 미생물의

개발에 달려 있다고 해도 과언이 아니다. 다행히

21세기 최고의 핵심기술로 알려진 바이오테크놀

러지(Biotechnology)의 급속한 발달은 바이오매스

에서 유래하는 다양한 당을 활용하면서 원하는 바

이오화학제품을 생산할 수 있는 유전자변형 미생

<그림 4-9-08> 바이오화학산업을 통한 바이오화학제품의 생산

원료

(Feedstocks)

녹말(Starch)

사탕수수(Sugarcane)

리그노셀룰로즈(Lignocellulose) 전처리 및 가수분해

(Pretreatment/Hydrolysis)

발효(Fermentation)

당(Sugars)

바이오화학제품(BioChemicals)

- 범용화학제품(Bulk chemicals)

- 정 화학제품(Fine chemicals)

- 기능성화학제품(Speciality chemicals)

바이오에너지(BioEnergies)

- 액체연료(Liquid fuels)

- 바이오 가스(Biogas)

추출Extraction

중간단계

(Intermediates)

최종 제품

(Products)

364

물의 개발을 가능하게 하 다. 이에 힘입어 식품

과 의약품 분야에 집중되었던 바이오산업은 최근

범용화학제품, 기능성화학제품, 정 화학제품 등

기존의 화학산업 분야로 역을 급속히 확장하고

있다.

가. 국내 동향

현재까지 국내에서 바이오화학제품 생산을 위

한 바이오매스는 전량 수입에 의존하고 있으며,

유전자변형 바이오매스의 산업화 사례는 보고된

바가 없다. 최근 바이오디젤(Biodiesel) 생산의 원

료물질로 사용되는 유채(Rape)의 경우, 제초제저

항성 및 내한성을 가지는 유전자변형 유채를 개발

하는 연구가 국내에서 진행되고 있다. 또한 장

균(Escherichia coli)을 비롯한 미생물에서 유래한

각종 외래유전자들(Foreign genes)을 식물(Plant)

에 도입하여 가수분해 효소(Hydrolytic enzyme)를

생산하게 함으로써 자가당화가 가능한 바이오매

스 개발에 관한 연구가 일부 시도되고 있다. 하지

만 유전자변형 바이오매스 개발에 관한 연구 수준

은 선진국들과 비교하여 매우 낮은 수준이다.

국내에서 산업화에 성공하여 생산되는 표적

인 바이오화학제품으로는 MSG(Monosodium

glutamate), 핵산(Nucleic acid), 라이신(Lysine), 트

레오닌(Threonine) 등이 있다. 앞에서 언급한 제품

들은 주로 물리적∙화학적 돌연변이(Mutation) 및

사공학(Metabolic engineering)을 통해 개량된

장균과 코리네박테리움(Corynebacterium)의 발

효공정을 통하여 생산되고 있다. 하지만 화학산업

에서 중요한 부분을 차지하는 범용화학제품, 기능

성화학제품, 정 화학제품 분야에서는 바이오공

정에 의한 산업화 사례가 거의 전무한 실정이다.

최 근 에 는 유 전 체 학 (Genomics), 사 체 학

(Metabolomics), 전사체학(Transtriptomics), 단백질

체학(Proteomics), 사공학 분야에서 국내 연구

진의 우수한 연구개발에 힘입어 학교, 국가 연

구소, 산업체를 중심으로 바이오화학제품 생산을

위한 유전자변형 미생물의 개발이 점진적으로 확

산되고 있다.

나. 국외 동향

현재 전 세계적으로 바이오화학제품 생산을 위

한 원료물질로는 생산성 및 제초제저항성 등의 형

질을 가진 유전자변형 옥수수(Corn), 유전자변형

(Wheat), 유전자변형 사탕수수(Sugarcane), 유

전자변형 두(Soybean) 등이 주로 사용되고 있

다. 이러한 유전자변형 바이오매스는 미국의 몬산

토사와 듀폰(Dupont)사, 독일의 바이엘(Bayer

AG)사와 바스프사, 스위스의 신젠타(Syngenta)사

로 표되는 세계 5 메이저 농화학회사에서 종

자를 공급하고 있다. 하지만 곡물가격의 상승과

더불어 곡물유래의 바이오매스 사용에 한 윤리

적인 문제가 두됨에 따라 목질계를 비롯한 비식

용 바이오매스 개발에 한 관심이 증폭되고 있

다. 표적인 예로서 리그닌(Lignin) 생합성 감소,

셀 룰 로 오 스 (Cellulose)와 헤 미 셀 룰 로 오 스

(Hemicellulose) 생합성 증 , 광합성 효율 및 스트

레스 저항성이 개선된 유전자변형 비식용 식물을

365

LMO

응용

및산

업화

4부

제9장

개발하여 바이오화학제품 생산을 위한 원료물질

로 사용하고자 하는 노력이 매우 활발히 진행되고

있다.

현재 바이오화학제품 생산에 이용되는 거의 모

든 미생물들은 제품 생산에 필요한 다양한 형질을

보유한 유전자변형 미생물들이다. 특히 목질계 바

이오매스 사용의 필요성이 증 됨에 따라 유전자

변형기술을 이용하여 목질계 전처리 공정에서 발

생하는 다양한 부산물들에 한 내성을 가지면서

도 5탄당(Pentose)과 6탄당(Hexose)을 동시에 발

효할 수 있는 유전자변형 미생물 개발이 활발히

진행되고 있다. 이와 더불어 미생물이 자체적으로

합성할 수 없는 부가가치가 높은 화학제품을 미생

물 발효를 통하여 생산하기 위하여, 새로운 생합

성 경로를 개발하려는 연구가 적극적으로 시도되

고 있다. 2008년 미국 UCLA의 Liao 교수 연구진이

아미노산 생합성 경로의 중간 물질로부터 부탄올

을 생산할 수 있는 유전자변형 장균을 개발한

것이 좋은 예이다.

2_ 바이오화학산업을 위한 LMO

현재 산업적으로 이용되고 있는 다수의 화학

제품들은 원유(Crude oil)를 원료로 고온고압의

조건의 화학반응을 통하여 합성되고 있다. 하지

만 일부 아미노산(Amino acids), 디카르복실산

(Dicarboxylic acids), 하이드록시산(Hydroxy aci

-ds)과 같은 단량체(Monomer) 및 Polyhydroxy

alkanoates(PHA)와 Polylactic acid(PLA)와 같은 고

분자(Polymer) 화학제품들은 재생 가능한 바이오

매스를 원료물질로 사용하여 미생물 발효를 통하

여 생산되고 있다. 특히 최근에는 바이오테크놀러

지의 급속한 발전에 힘입어 빠른 속도로 바이오공

정이 기존 화학공정을 체하고 있다. 이하에서는

유전자변형 생물체를 이용하여 바이오공정을 통

하여 산업적으로 생산되고 있는, 그리고 조만간

기존의 화학공정을 바이오공정으로 체할 것으

로 전망되는 표적인 화학제품들에 하여 조망

해 보고자 한다.

가. Monomer 생산을 위한 LMO

(1) 1,3-PDO

1,3-Propanediol(Trimethylene glycol or 1,3-

Dihydroxypropane, C3H8O2)은 가소제, 세척제, 방

부제, 유화제의 합성과 윤활제, 염료, 잉크, 방동

제 등의 유기용제 제조에 사용되는 산업적으로 중

요한 화학제품이다. 특히 1,3-PDO가 신형 폴리에

스테르 섬유(Polyester fiber)인 Polytrimethylene

terephthalate(PTT)의 합성반응에 있어서 단량체

로 사용되면서 최근 수 년 간 1,3-PDO에 한 수

요가 급격히 증가하고 있다. 1,3-PDO는 아크롤레

인(Acrolein)의 수화(Hydration) 반응이나 3-hydro-

xypropionaldehyde의 수소화(Hydrogen-

ation) 반응과 화학공정을 통하여 생산될 수 있다.

최근에는 옥수수 시럽(Corn syrup)과 바이오디젤

생산공정에서 부산물로 과량 발생하는 리세롤

(Glycerol)을 원료물질로 사용하여 미생물 발효를

366

거쳐 1,3-PDO를 생산하는 연구개발이 활발히 진

행되고 있다. 이와 더불어 미생물 발효를 통하여

생산된 말론산(Malonic acid)을 원료물질로 이용

하여 촉매반응(Catalytic reaction)을 통해 1,3-PDO

를 생산하는 공정에 관한 연구개발도 수행 중이다.

듀폰(Dupont)사와 테이트앤라일(Tate&Lyle

Bioproducts)사는 미생물 발효를 이용한 1,3-PDO

생산공정인 BioPDO 공정을 개발하 다고 발표하

는데, 이 새로운 공정은 기존의 화학공정과 비

교하여 40% 이상의 에너지를 절약할 수 있다고 한

다. 상기 공정은 옥수수 시럽을 원료물질로 사용

하며, 유전자변형 장균 균주를 이용하여 2007년

약 12만톤의 1,3-PDO를 생산한 것으로 보고되고

있다. 보다 최근에는 바이오디젤 생산 증가에 따

른 리세롤 공급 증가와 함께 가격이 급격히 하

락함에 따라 리세롤을 원료물질로 사용하는

1,3-PDO 생산에 관한 연구가 전 세계적으로 활발

히 진행되고 있다. 1,3-PDO는 매우 환원된 형태의

물질이기 때문에 이의 효율적인 생산을 위해서는

환원력(Reducing power)이 높은 원료물질이 요구

되며, 리세롤은 일반적인 발효에 사용되는 포도

당(Glucose)이나 수크로오스(Sucrose)에 비하여

환원력이 높아 우수한 원료물질로 사용될 수 있

다. 현재까지 리세롤을 원료물질로 사용하여

1,3-PDO를 생산하는 연구는 Citrobacter freundii와

Klebsiella pneumoniae와 같은 Enterobacteriaceae

과에 속하는 박테리아를 이용하여 주로 진행되어

왔다. 하지만 상기 균주들은 1,3-PDO 생산량, 생

산성 및 수율이 매우 낮아 야생형 균주를 직접 산

업적으로 이용하기에는 부적합하다. 특히

Klebsiella는 병원성 세균(Pathogen)으로 산업적

사용이 매우 제한된다. 따라서 유전자변형을 통한

균주 개량에 관한 연구가 다양하게 진행되고 있으

며, 리세롤을 사할 수 없는 Clostridium

acetobutylicum에 C. butyricum의 1,3-PDO 생합성

경로에 관여하는 유전자를 도입함으로써 1,3-

PDO를 리세롤로부터 보다 효율적으로 생산할

수 있는 유전자변형 균주를 개발한 것이 그 좋은

예가 될 수 있다. 또한 혐기조건에서 리세롤

사에 관여하는 Dihydroxyacetone regulon(dha) 유

전자 과발현 및 Aldehyde dehydrogenase(ALDH)

유전자를 제거한 유전자변형 균주를 개발하여

1,3-PDO 생산을 증가시켰다. 이처럼 지속적인

리세롤 가격하락과 1,3-PDO 수요증가로 인하여

리세롤로부터 1,3-PDO를 효율적으로 생산할

수 있는 유전자변형 미생물의 개발은 앞으로도 매

우 활발히 진행될 것으로 보인다.

(2) 젖산

젖산(Lactic acid or 2-Hydroxypropanoic acid,

C3H6O3)은 Polylactic acid(PLA)와 같은 생분해성

(Biodegradable) 고분자 합성뿐만 아니라 다양한

공중합체(Copolymer) 합성에 사용되는 물질로 산

업체에서 매우 다양하게 사용되는 중요한 범용화

학제품이다. 2006년 기준 1억 5천톤 이상의 젖산

이 화학공정 및 바이오공정을 통하여 생산된 것으

로 예측된다. 락토니트릴(Lactonitrile)의 가수분해

와 같은 화학적 합성법에 의해 생산되는 젖산은 라

세믹 혼합형태(Racemic mixture)를 가지고 있다.

367

LMO

응용

및산

업화

4부

제9장

산업계에서는 광학적으로 순수한 형태의 젖산

을 생산할 수 있는 미생물 발효를 통한 젖산 생산

을 선호한다. 특히 사공학과 함께 우수한 유전

자변형 미생물의 개발 및 발효, 분리정제기술의

발달에 힘입어 바이오공정을 통한 젖산 생산가격

을 낮출 수 있기 때문에, 바이오공정을 통한 젖산

의 생산이 지속적으로 증가하고 있는 추세이다.

현재 산업적으로 이용되는 젖산은 주로 포도당을

원료물질로 사용하고 있으며, 100g/L 이상의 고농

도 젖산을 90% 이상의 수율과 5g/L/h 이상의 생산

성을 가지는‘회분식 발효(Batch fermentation)공

정’을 통하여 생산되고 있다. 최근에는 유전자변

형 균주인 Lactobacillus delbrueckii를 이용하여

35g/L 농도의 젖산을 76g/L/h 생산성으로 제조할

수 있는 여과장치(Ultrafiltration unit)를 갖춘‘연속

식 발효(Continuous fermentation)공정’이 개발되

었다.

당으로부터 젖산을 발효산물로 생산할 수 있는

미생물은 매우 다양하며, 생산되는 주요 박테리아

로는 Carnobacterium, Enterococcus, Lactobacillus,

Lactococcus, Leuconostoc, Oenococcus, Pediococcus,

Streptococcus, Tetragenococcus, Vagococcus,

Weissella 등이 있다. 앞에서 언급한 박테리아들은

젖산 탈수소효소(Lactic acid dehydrogenase)의 특

이성에 따라 L-, D-, 그리고 DL- 형태의 젖산을 생

성하며, 젖산 조성에 따라 합성되는 고분자 및 공

중합체 물성은 매우 다르게 나타난다. 순수한 형

태의 젖산을 생산할 수 있는 유전자변형 미생물

개발에 관한 연구는 1990년 이후부터 시도되어

왔으며, Phosphotransacetylase(pta) 유전자와

Phosphoen-olpyruvate carboxylase(ppc) 유전자를

제거하여 순수한 D- 형태의 젖산만을 생산할 수

있는 유전자변형 장균이 개발되었다. 이와 더불

어 L. casei 균주의 젖산 탈수소화효소(ldhA) 유전

자를 pta와 ldhA 유전자가 제거된 장균에 도입

함으로써 순수한 L- 형태의 젖산 생산이 가능한 유

전자변형 장균이 개발되었다. 보다 최근에는

Pyruvate dehydrogenase complex(aceEF),

Pyruvate formate lyase(pfl), Pyruvate oxidase(poxB)

와 Phophoenolpyruvate synthase(pps) 유전자가

변형된 장균인 YYC202 균주를 제작하여 95%

이상의 수율, 90g/L 이상의 농도를 가지는 순수한

D- 형태의 젖산만을 생산할 수 있는 공정이 개발

되었다. 나아가 YYC202 균주를 이용하여

Fumarate reductase(frdABC) 유전자가 제거된

ALS974 균주를 개발하 으며, 이는 99%의 수율,

138g/L 이상의 고농도 순수 D-형 젖산을 생산한

다. 사공학에 기초한 유전자변형 균주개발 및

발효, 분리정제 공정기술의 발전 속도를 고려할

때, 조만간 거의 모든 젖산은 바이오기반 공정을

통하여 생산될 것으로 예상된다.

(3) 숙신산

숙신산(Succinic acid or Butanedioic, C4H6O4)

은 계면활성제, 용매, 세제, 희석제, 이온 킬레이

트(Chelate) 등 다양한 화학제품 제조에 사용되는

매우 중요한 화학제품이다. 현재 연간 약 1만 6천

톤 이상의 숙신산이 산업적으로 생산되고 있으며,

부분 원유에서 유래한 무수 말레산(Maleic

368

anhydride)의 환원반응(Reduction reaction)을 통

하여 생산된 뷰테인(n-butane)을 원료물질로 사용

하여 제조되고 있다. 이에 반하여 미생물 발효를

통하여 생산되는 소량의 숙신산만이 의약품과 식

품 제조에 사용되고 있다. 하지만 최근에는 숙신

산이 아디프산(Adipic acid), 1,4-부탄이올(1,4-

Butanediol), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrof

-uran), 퓨로릴다이논(Pyrrolidinone), 부틸로렉톤

(Butyrolactone) 등 산업적으로 매우 중요한 화학

제품의 전구체뿐만 아니라, 폴리부틸렌 숙시네이

트 (Poylbutylene succinate)와 폴 리 아 미 드

(Polyamide)와 같은 생분해성 고분자의 원료물질

로 사용될 수 있음이 증명됨에 따라 이의 급격한

수요 증 가 예상된다.

숙신산은 혐기발효의 최종산물로서, 그리고

Tricarboxylic acid(TCA) 사이클의 중간물질로서

생성되기 때문에 거의 모든 미생물과 식물, 심지

어 동물에 의해서도 생합성된다. 하지만 발효를

통한 숙신산 생산이 산업적으로 성공하기 위해서

필요한 수준의 숙신산 생산능력을 보유한 미생물

은 극소수에 불과하다. 따라서 유전정보 및 사

특성이 매우 잘 알려진 장균에 사공학기술을

적용한 유전자변형 장균 균주개발에 관한 연구

가 오랫동안 진행되어 왔다. 이에 관한 연구는 1)

숙신산 생합성 경로에 관여하는 유전자의 과발현

(Overexpression) 2) 숙신산과 경쟁하는 생합성 경

로에 관여하는 유전자의 제거(Knock-out) 3) 숙신

산 생합성 경로에 관여하는 외래유전자를 도입

(Introduction)하는 방법으로 수행되었다. 하지만

유전자변형 장균을 통해 산업적으로 활용할 수

있는 수준의 숙신산을 생산하기 위해서는 낮은 생

산성 및 수율, 부산물 생성의 억제, 복잡한 발효공

정 등 많은 부분에서의 기술개발이 이루어져야 한

다. 현재까지 소의 반추위(Rumen)에서 동정한

Actinobacillus succinogenes와 Mannheimia

succiniciproducens가 가장 우수한 숙신산 생산능

력을 보유한 박테리아로 보고되고 있다. A.

succinogenes의 유전정보는 매우 최근에야 알려지

기 시작하 으며, 이에 관한 유전자변형기술이 거

의 개발되지 않아 유전자의 변형을 통한 유전자변

형 A. succinogenes 균주개발은 전무한 실정이다.

이에 반하여 국내 연구진은 한우의 반추위로부

터 M. succiniciproducens 숙신산 생산 박테리아를

동정하 으며, 이의 완전한 유전정보를 해독하여

2004년 발표하 다. 이후 지속적인 연구수행을 통

하여 유전자 증폭 및 제거에 필요한 다양한 유전

자변형기술을 개발하 으며, 이를 활용한 유전자

변형 M. succiniciproducens 균주개발에 관한 연구

또한 활발히 진행하고 있다. 이러한 노력에 힘입

어 최근에는 pta, ackA, ldhA, pfl 유전자 등의 변형

을 통하여 숙신산을 제외한 부산물을 생산하지 않

으면서 숙신산을 과량으로 생산하는 우수한 유전

자변형 M. succiniciproducens 균주를 개발하 다.

이와 더불어 숙신산 생산에 필요한 발효, 분리정

제 기술을 통합적으로 개발하여 세계 최고의 바이

오기반 숙신산 생산시스템을 확보하 다. 현재 바

이오기반 숙신산의 산업적인 이용을 위하여, 미국

및 유럽의 많은 화학회사들이 파일럿 규모(Pilot)

의 숙신산 생산공장 설립을 추진하고 있다. 이러

한 시점에 국내 연구진이 세계 최고의 경쟁력을

369

LMO

응용

및산

업화

4부

제9장

갖춘 바이오기반 숙신산 생산시스템을 보유하고

있는 것은 국내 바이오화학산업계에 매우 고무적

인 소식이다.

나. Amino acids 생산을 위한 LMO

(1) 라이신

동물에 의하여 자체적으로 합성되지 않는 필수

아미노산의 일종인 라이신(Lysine or 2,6-Diamino

-hexanoic acid, C6H14N2O2)은 연간 40만톤 이상

이 생산되고 있으며, 식품첨가제뿐만 아니라

Poly(ε-lysine)과 Poly(L-lysine)과 같은 생체 적합성

바이오 폴리머 제조를 위한 단량체로 사용된다.

국내 표 바이오 기업인 CJ는 세계 라이신 시장

점유율에서 1, 2위를 다투고 있으며, 2008년 5,000

억원 이상의 라이신을 수출하 다. 최근에는 CJ

바이오연구소에서 라이신을 생산할 수 있는 미생

물을 찾아 이의 염기서열을 해독하 으며, 이를

바탕으로 유전자변형 라이신 생산 균주개발을 진

행하고 있다.

현재 산업적으로 라이신 생산에 사용되는 미생

물은 주로 전통적인‘반복돌연변이(Repeated

random mutation) 기법’과 유전자변형기술을 통

하여 개발된 유전자변형 장균 및 C. glutamicum

이다. 반복돌연변이 기법을 통하여 개발된 균주의

경우에는 라이신 생산 경로뿐만 아니라 다양한

역에서 유전자 변이가 발생하기 때문에, 보다 생

산능력이 향상된 균주를 개발하는 데 많은 제약이

있다. 따라서 최근에는 돌연변이 균주의 유전정보

를 해독하여 다양한 수준에서 야생형 균주와의 변

화를 상호 비교함으로써 라이신 생산에 직접적으

로 향을 미치는 유전자를 발굴하고 이를 유전자

변형 라이신 생산 균주개발에 이용하고 있다. 예

를 들면 돌연변이 라이신 생산균주인 C. glutamic

-um B-6로부터 Isopropylmalate isomerase 유전자

인 leuC가 라이신 생산에 매우 유용한 유전자임을

확인하고, 이의 도입을 통하여 AHD-2 균주를 개

발하 는데 AHD-2 균주는 모균주에 비하여 약

14% 높은 라이신 생산능력을 보 다. 또한 panD

유전자가 제거된, 그리고 dapA 유전자가 증폭된

다양한 유전자변형 라이신 생산 균주가 개발되었

다. 지속적인 유전정보 해독 작업과 유전자변형기

술의 발달에 힘입어 보다 우수한 유전자변형 라이

신 생산 균주개발은 지속될 것이다.

(2) 루탐산

비필수 아미노산의 일종인 루탐산(Glutamic

acid or (2S)-2-Aminopentanedioic acid, C5H9NO4)

은 발효 및 화학합성을 통하여 연간 34만톤 이상

이 생산되고 있으며, 건강보조제 및 폴리(γ-

glutamic acid) 제조를 위한 단량체로 사용될 수 있

다. 비록 Corynebacterium, Brevibacterium, Micro

-bacterium을 포함한 다양한 미생물들이 루탐

산 생산능력을 보유한 것으로 알려져 있으나, 주

로 Corynebacterium glutamicum이 루탐산 발효

에 이용되고 있다. 라이신 생산 균주개발과 마찬

가지로 루탐산 균주 역시 초기에는 전통적인 돌

연변이 기법을 통하여 개발되어 왔으나, 사공학

370

을 통한 유전자변형 균주개발이 점진적으로 시도

되고 있다.

유전자변형을 통한 루탐산 생산 균주개발은

주로 루탐산 생합성 경로에 관여하는 유전자

(OdhI, Regulatory protein of 2-oxoglutarate

dehydrogenase)를 과발현하는 방법과 루탐산

생합성을 저해하는 경로에 관여하는 유전자들

(odhA, 2-Oxoglutarate dehydrogenase; pknG,

Serine/threonine protein kinase; dtsR1, Biotin-

containing enzyme)을 제거하는 방법을 통하여 이

루어져 왔다. 최근에는 루탐산을 세포 밖으로

이송하는 단백질 합성 경로에 관여하는 NCgl1221

유전자를 과발현한 유전자변형 균주가 개발되었

다. 루탐산을 단량체로 사용하여 합성되는 고분

자 물질인 폴리(γ-glutamic acid, α-glutamic acid,

L-glutamic acid)의 수요가 지속적으로 증가함에

따라 유전자변형 루탐산 생산 균주의 개발 역시

지속될 것으로 예상된다.

다. 폴리머(PHA) 생산을 위한 LMO

생명공학기술의 발전과 함께 미생물 발효를 통

한 바이오폴리머 생산 분야 역시 매우 빠르게 성

장하고 있다. 표적인 바이오폴리머로는 Polyhy

-droxy alkanoates(PHA)와 Polylactic acid(PLA)가

있으며, PLA는 미생물 발효를 통하여 생산된 젖산

(Lactic acid)을 중합시켜 제조하는 바이오폴리머

로서 미생물의 직접 발효를 통하여 생산되는 PHA

와는 구분된다. PHA는 3-, 4-, 5-, 6-폴리하이드록

시알칸산(Polyhydroxyalkanoic acid)의 폴리하이

드록시 에스테르(Polyhydroxy ester)로 미생물이

자연계에서 당, 유기산, 식물유 등을 탄소원으로

사용하여 생체 내에 축적하는 에너지 저장물질이

다. 현재까지 250여 종 이상의 PHA 생산능력을 보

유한 미생물이 보고되었는데, 이 중 가장 표적

인 PHA인 (R)-3-Hydroxybutyrate(P[3HB])는 결정

성이 높고 단단해서 부서지기 쉬운 단점이 있으므

로 상용 합성 고분자의 체물질로는 직접 사용할

수 없다는 단점이 있다. PHA의 물성은 단량체의

구성요소나 분자량에 의해 결정된다. 따라서 유전

자변형을 통한 유전자변형 균주개발은 PHA 생산

성 향상과 함께 물성 개선을 위한 방향으로 진행

되어 왔으며, 실질적으로 많은 기술적인 발전을

이루었다. 하지만 여전히 높은 생산 가격으로 인

하여 상용 폴리머와 경쟁하기 위해서는 지속적인

연구개발이 요구된다.

생산성 향상 측면을 살펴보면, 고농도의 PHA

를 높은 수율로 생산할 수 있는 다양한 유전자변

형 균주들과 이를 활용할 수 있는 고성능 발효기

술들이 개발되었다. 1990년 후반에 이미 국내 연

구진은 PHB 생합성 경로에 관여하는 유전자들을

PHB 생산 균주인 Alcaligenes lactus로부터 클로닝

(Cloning)하 으며, 나아가 이를 장균에 도입함

으로써 100g/L 이상의 농도, 5g/L/h 이상의 생산성

을 갖는 PHB 생산 시스템을 구축하 다. 또한

PHB 생산 가격을 절감하기 위한 방안으로 액화천

연가스에 과량 존재하는 메탄을 원료물질로 사용

하여 PHB를 생산할 수 있는 시스템을 국내 연구

진이 개발하 다.

일반적으로 PHA는 단량체 유닛(Unit)의 탄소

371

LMO

응용

및산

업화

4부

제9장

수에 의하여 Short-chain-length(sclPHA), Medium-

chain-length(mclPHA), Long-chain-length(lclPHA)

PHA로 각각 나누어진다. 특히 scl-mcl PHA 공중

합체 중에서 Poly[3-Hydroxybutyrate-co-3-Hydrox

-yhexanoate]인 P[3HB-co-3HHx]는 산업적으로 많

이 사용되는 저 도 폴리에틸렌(LDPE)과 물성 측

면에서 특성이 매우 유사하다. 미생물(P[3HB-co-

3HHx])이 공중합체를 축적할 수 있다는 사실이

규명됨에 따라, 이를 효율적으로 생산할 수 있는

유전자변형 박테리아 개발에 관한 연구가 활발히

진행되고 있다. 이와 더불어 최근에는 장균,

Pseudomonas, Ralstonia 균주 등에 존재하는 PHA

생합성 경로에 관여하는 유전자들을 애기장

(Arabidopsis thaliana)라는 식물에 도입함으로써

scl-mcl PHA를 생산할 수 있는 유전자변형 식물체

가 개발되었다. 비록 유전자변형기술 개발에 힘입

어 메타볼릭스(Metabolix)사와 몬산토사 등 미국

바이오텍 업체들이 앞다투어 PHA 생산의 산업화

를 시도하고 있으나 폴리에틸렌이나 폴리프로필

렌에 비하여 범용으로 사용하기에는 여전히 가격

이 너무 높다(표 4-9-12 참조). 하지만 기존 화학

공정을 통하여 생산되고 있는 폴리머의 환경문제

및 원유 가격의 상승으로 인하여 PHA를 비롯한

바이오폴리머 생산을 위한 연구개발은 향후에도

지속적으로 발전할 전망이다.

3_ 향후 전망

화석원료에 기반한 고에너지 소비산업인 기존

의 화학산업을 환경친화적이면서 지속발전 가능

한 바이오화학산업으로 구조 개편하기 위해서는

가격이 저렴하면서 품질이 우수한 바이오매스의

개발과 함께 수율 및 생산성을 획기적으로 증 시

킬 수 있는 미생물의 개발이 반드시 필요하다. 현

재에는 유전자변형 바이오매스와 유전자변형 미

생물들이 일부 바이오화학제품 생산에만 이용되

고 있고, 기존의 화학공정을 통하여 생산되는 화

학제품들을 모두 체하기에는 기술적으로 부족

한 점이 많다. 하지만 장기적으로는 인류 전체가

1,3-PDO 박테리아 / 발효 상용화 / 듀폰

젖산(Lactic acid) 박테리아 / 발효 상용화 / 칼진, 퓨락

숙신산(Succinic acid) 박테리아 / 발효 기술개발 / MBI, 카이스트

라이신(Lysine) 박테리아 / 발효 상용화 / 아지노모토, CJ

루탐산(Glutamic acid) 박테리아 / 발효 상용화 / 아지노모토, 부펑(Fufeng)

PHA 박테리아 / 발효, 식물 기술개발 / 메타보릭스, 몬산토

<표 4-9-12> 주요 바이오화학제품 관련 기술개발 현황

바이오화학 제품 미생물 / 생산방법 기술수준 / 개발주체

372

직면한 에너지 고갈 및 환경문제를 해결하고 지속

적인 성장을 추구하기 위해서는 더 많은 화학제품

들을 바이오화학 기술을 통해 생산하게 될 것이

다. 이에 따라 화학산업의 질적인 변화, 즉 LMO를

이용하는 바이오화학산업으로의 지속적인 변화

가 예상된다.

373

LMO

응용

및산

업화

4부

제9장

1_ 바이오의약품의 정의와 종류

바이오의약품은 화학적 합성으로 만들어진 기

존의 의약품과 달리 생물∙생명공학기술을 이용

하여 만든 의약품으로 주로 살아있는 생명체(미생

물, 동물, 식물, 인간)에 존재하는 물질을 상으

로 한다. 이화학적 시험만으로 그 효능(역가)과 안

전성을 평가하는 화학의약품과 달리 생물학적 체

계내 생물활성을 이용하여 제품과 기준물질의 활

성을 비교함으로써 역가 측정이 가능한 생물체,

생물체에서 유래한 물질 또는 그 유사합성에 의한

물질인 생물학적 제제(백신, 혈액제제 및 항독소),

유전자재조합의약품, 세포배양의약품, 세포치료

제, 유전자치료제 및 이와 유사한 제제 등이 있다.

바이오의약품은 사용목적과 의약품 구성성분

에 따라 백신, 혈액제제, 유전자재조합의약품, 세

포배양의약품, 유전자치료제, 세포치료제, DNA

백신, 바이오칩 등으로 구분할 수 있다. 이 중에서

도 재조합핵산기술(외래유전자의 교환, 삽입 등의

유전자 변형을 한 숙주-벡터 시스템을 이용하여

목적 유전자를 량으로 발현시키는 기술)을 이용

해 유전자변형생물체(Living Modified Organism:

LMO, 이하‘LMO’)로 의약품을 생산하는 경우는

단백질을 량배양 생산하여 추출한 유전자재조

합 치료단백질의약품, 혈액제제 및 백신 등이 있

으며 LMO 자체를 의약품으로 사용하는 유전자치

료제와 재조합생백신 등이 있다(표 4-9-13 참조).

제5절 바이오의약품산업

LMO 유래

바이오의약품

<표 4-9-13> LMO 유래 바이오의약품

구분 형태(기술부분) 유래 생명체(예시) 상용화수준

바이오신약

(유전자재조합의약품)

바이오치료유전물질 미생물, 동물세포 응용연구 단계

(유전자치료제)

바이오예방유전물질

미생물, 응용연구 단계

(DNA백신, 재조합 HBV) 동물세포

바이오진단 단백질, 미생물,상용화 초기

(바이오칩) 유전물질 동물세포

단백질

(호르몬, 효소, 항체,

혈액응고인자)

미생물(E. coli, 효모)

동물(염소, 양 유즙, 유전자변형 닭)

식물(쌀, 담배, 감자, 이끼)상용화 초기

성장기

374

2_ LMO 유래 바이오의약품

가. 유전자재조합의약품

유전자재조합의약품이란 유전자변형기술을 이

용하여 제조되는 펩타이드 또는 단백질 등을 유효

성분으로 하는 의약품을 말한다.

유전자변형기술의 발달은 생체내 미량으로 존

재하여 실용화하기 어려웠던 생리활성 단백질의

량생산을 가능하게 하 다. 유전자변형기술을

이용해서 원하는 펩타이드나 단백질을 합성하는

유전자를 만들어 증식 속도가 빠른 E. coli, 효모,

CHO세포 등에 삽입시키고 이렇게 만든 균이나

세포를 배양하여 원하는 단백질을 량생산하도

록 한다. 만들어진 펩타이드나 단백질은 세포 유

래, 공정 유래 불순물이 섞여 있기 때문에 정제과

정을 거친 후 순수한 단백질만이 의약품으로 사용

된다. 유전자재조합의약품은 생체내 활성단백질

을 상으로 하는데 이 중에서도 단클론항체 의약

품은 항체로서 필수적인 특이도가 높아 여러 부작

용을 줄일 수 있기 때문에 최근에는 치료용 단클

론항체 의약품의 임상승인이나 품목허가 신청이

가파른 증가 추세에 있다(표 4-9-14 참조).

나. 유전자재조합의약품을 생산하는

숙주(LMO)의 종류

(1) E. coli와 등 미생물

유전자재조합의약품 생산에는 다양한 발현시

스템을 이용할 수 있으나 현재 가장 많이 사용되

는 숙주는 미생물로서 세균인 E. coli와 효모

(yeast)인 S.cerevisiae 같은 종이다. 그 중에서도 특

히 E. coli는 세계 최초로 승인된 유전공학의약품

인 인슐린을 생산하 으며, 오랜 사용 경험으로

특성에 해 많은 자료가 축적되었다.<표 4-9-

15>는 E. coli와 S.cerevisiae를 단백질 발현 숙주로

사용했을 때의 장∙단점을 비교하고 있다. E. coli

<표 4-9-14> 유전자재조합의약품의 종류

호르몬 성장호르몬, 인슐린, 난포자극호르몬, 칼시토닌

사이토카인인터페론, 인터루킨, 에리스로포이에틴, 콜로니자극인자,

상피세포성장인자, 섬유아세포성장인자, 향신경성인자

혈액응고인자 재조합 제8혈액응고인자, 재조합 제9혈액응고인자

단클론항체아달리무맙, 압식시맙, 리툭시맙, 바실릭시맙, 다클리주맙, 세툭시맙,

팔리비주맙, 인플릭시맙, 트라스투주맙,

375

LMO

응용

및산

업화

4부

제9장

혹은 S.cerevisiae에서 생산된 유전자재조합의약품

은 현재 의약품산업에서 급속히 성장하 고, 상용

화되어 안정적으로 의약품을 공급하고 있다(표 4-

9-16 참조).

(2) 유전자변형 동물(Transgenic animals)

유전자변형 동물이란 정상적 유전자내에 실험

적으로 삽입되어진 외래유전자를 가진 동물들로

일종의 살아있는 의약품 배양용기로 볼 수 있다.

<표 4-9-15> E. coli와 S.cerevisiae 사용의 장∙단점

장 점 단 점

- 오랜 사용경험

- 고효율로 발현하여 생산가격 저렴

- 성장이 빠르고 배양이 쉬운 편

E. coli

S.cerevisiae

- heterologous protein의 세포 내 축적

- post-translational modification 불가능

- LPS(lipoloysaccharide)로 인한 면역반응 유발

- 저렴하게 높은 농도로 세포배양이 가능

- agglutinin이나 flocculin과 같이 견고한 구조의

세포벽 단백질 모체에 접합된 목표단백질 표면발

현 가능

- GRAS(geneally recognized as safe)균주로

안전성이 확보

- post translational modification이 성공적으로

이루어질 수 있음

- 장시간 발효조 배양시 숙주에서 자연적으로 분비되

는 단백질분해효소로부터 외래 단백질의 분해방지

가 어려움

- 발현된 이종단백질이 과당화(hyperglycosylation)

되는 경향이 있음

구 분

<표 4-9-16> E. coli 혹은 S.cerevisiae에서 생산된 유전자재조합의약품

유전자재조합의약품 숙 주 유전자재조합의약품 숙 주

Tissue plasminogen activator (tPA) E. coli / CHO HBV 백신 S.cerevisiae

인슐린 E. coli 인간성장호르몬 S.cerevisiae

인터페론-α E. coli hGH-CSF S.cerevisiae

인터페론-g E. coli 인터페론-a-2a S.cerevisiae

인터루킨-2 (IL-2) E. coli 인터페론-g S.cerevisiae

Granulocyte colony-stimulating factor(G-CSF) E. coli

인간성장호르몬 E. coli

376

따라서 이 경우 생산된 단백질은 동물에서 쉽게

분리되어야 하므로 유즙에서 단백질이 발현될 수

있도록 유전자를 변형하게 된다. 세계 최초로 허

가된 유전자변형 동물 유래 의약품은 유전자변형

염소에서 짜낸 유즙에서 추출한 미국의 GTC사의

안티트롬빈(상품명‘ATryn’)으로 2006년 7월 28일

유럽에서 신약으로 승인받은 바 있다. GTG사는

동물의 유즙에서 단백질 의약품을 생산하기 위하

여 꾸준히 연구를 해오고 있는데, 단일클론항체,

혈액 유래단백질, 희귀단백질 등 약 60종류 이상

의 단백질에 해서도 연구개발을 추진하고 있다.

현재 유럽과 미국에서 판매 허가된 안티트롬빈III

외에도 factor VII, antiCD137 항체 및 말라리아 백

신 등을 생산하는 유전자변형 유산양을 개발하여

단백질 의약품에 한 연구를 진행 중이다.

(3) 유전자변형 식물(Transgenic plant)

유전자변형 식물을 이용하여 유용단백질을 생

산하는 경우 아그로박테리움 관련 벡터를 이용하

여 유전자를 전달하는 방법이 많이 사용되는데

Agrobacterium tumefaciens나 Agrobacterium

rhizogenes 등의 식물병원체가 이용된다. 감염시

켰을 때 Agrobacterium Ti plasmid가 식물 세포에

들어가 식물 유전자에 원하는 단백질 유전자가 삽

입되게 되며 이러한 유전자변형 식물을 이용하여

다양한 단백질을 생산하는 것이 가능하다.

현재까지는 시험연구 중이나 상용화 가능성이

가장 높은 것은 경구용 백신, 즉 먹는 백신 등을 들

수 있다. 이렇게 식물 자체를 섭취하는 방법은 간

편하고 가격이 저렴하나 해결해야 할 문제점 또한

많다(표 4-9-17 참조).

다. 유전자치료제

유전자치료제는 일반적으로 질병치료 등을 목

적으로 유전물질 또는 유전물질을 이입한 세포를

인체에 투여하는 의약품을 말한다. 유전자치료는

새로운 개념의 획기적인 치료로 기존의 약물들이

질환의 증상 치료에 초점을 맞춘다면, 유전자치료

는 질병의 원인을 유전자 차원에서 분석하여 직접

적이고 근본적으로 치료하고자 하는 혁신적 치료

로 볼 수 있다. 유전자치료제의 핵심적인 요소로

치료 효과를 지니고 있는 치료유전자와 유전자를

효율적으로 세포에 전달하는 운반체인 전달 벡터

(Gene transfer vector), 그리고 세포배양기술 및 유

<표 4-9-17> 유전자변형 식물 사용의 장∙단점

단 점

� 저렴한 생산비용

� 량화가 용이

� 인간 유래 병원균의 감염우려 없음

� 단백질 발현율이 낮음

� 정제의 어려움

� 유전자변형 식물의 환경위해성 평가자료 부족

장 점

377

LMO

응용

및산

업화

4부

제9장

전자변형기술 등을 들 수 있으며, 투여하는 방법

에 따라 치료유전자를 전신적 혹은 국소적으로 환

자에 직접 투여하는 in vivo 유전자치료제와 체외

에서 먼저 상 세포에 유전자를 도입하여 변형시

킨 후 선별적으로 증식시켜 유전자가 도입된 세포

를 환자에 투여하는 ex vivo 유전자치료제로 크게

나눌 수 있다.

유전자치료제의 종류로는 유전자 전달 벡터에

따라 레트로바이러스, 렌티바이러스, 백시니아바

이러스, 아데노바이러스, 아데노부속바이러스 등

의 바이러스성 벡터와 플라스미드 DNA(naked

DNA) 및 양이온성 폴리머에 DNA를 결합시킨 리

포좀(Liposome)과 같은 비바이러스성 벡터, 그리

고 이러한 벡터로 변형된 유전자 도입 세포 등을

들 수 있다. 각 벡터의 종류에 따라 유전자 전달 효

율, 병원성 기원에 따른 안전성 문제, 자손으로의

유전자 전달 가능성, 도입할 유전자 크기에 한

제한, 도입된 유전자의 발현 지속율 등 차이에 의

해 장∙단점이 다르므로 치료하고자 하는 질병의

종류나 치료유전자의 특성에 따라 벡터가 선택되

어야 한다.

전 세계적으로 유전자치료제의 임상시험은

2009년 3월 기준 1,472여 건이 진행되고 있으며,

이 중 367건(약 24.9%)이 아데노바이러스를 사용

하며, 320건(약 21.7%)이 레트로바이러스를, 270

건(약 2.7%)이 플라스미드를 벡터로 이용하여 이

루어지고 있다. 우리나라에서는 2009년 3월 플라

스미드(Naked plasmid DNA) 5건, 백시니아바이

러스 벡터 1건, 레트로바이러스 벡터 2건, 아데노

바이러스 벡터 3건이 임상승인 되었다(그림 4-9-

09 참조).

전 세계적으로 임상허가를 받은 유전자치료제

의 분야별 건수는 암 치료 목적이 960건으로 약

65%를 차지하여 항암제에 한 연구가 가장 활발

<그림 4-9-09> 벡터별 유전자치료제 임상시험 현황

출처 : www.wiley.co.uk/genmed/clinical

378

히 이루어지고 있으며, 이외에도 심혈관계 질환이

약 9.3%, 단일 유전체 질병(monogenic disease)이

약 8.2%, 감염성 질환이 약 7.6%를 차지하고 있다

(그림 4-9-10 참조).

유전자치료제가 실험동물에서는 어느 정도 효

과가 인정되고 있지만 임상시험에서 만족할 만한

성과를 얻지 못하는 몇 가지 장애 요인으로 현재

사용하고 있는 유전자전달 벡터가 표적세포로 전

달되는 효율이 낮고 암세포 등 원하는 표적세포에

만 선택적으로 유전자를 전달하지 못하며 체내에

서 제 로 발현이 되지 않는 경우 등이 있다. 그러

나 과학기술이 발달되고, 질병 원인규명을 위한

유전체에 한 연구가 활발해짐에 따라 이들 기술

을 극복할 수 있는 실마리가 계속 제공되고 있다.

라. 백신

백신의 경우, 기존의 예방용 백신에서 치료용

백신으로 그 개념이 확장되면서 DNA백신 개발이

활발해지고 있다. 그 상 질환은 만성 B형∙C형

간염, AIDS와 같은 바이러스성 질환 외에도 난치

성 질환 중 특히 흑색종, 폐암, 장암, 간암, 자궁

경부암 등 암질환이며, 최근에는 알러지, 천식, 당

뇨병 등 다양한 질환에도 그 적용이 기 되고 있

다. 이러한 치료용 백신 중 암치료 백신으로는 외

국에서 상업화된 제품으로 Melacine(theracine),

M-Vax, Oncovax 등이 있으며, 향후 몇 년내 점차

증가할 것으로 생각된다. 또한, 인체 면역세포인

수지상세포와 같이 항원제시세포를 암세포에 배

양하여 다시 환자에 주사함으로써 인체에서 T세

포 등에 항원 특이 면역반응을 높이는 수지상세포

백신 등도 활발히 개발되고 있다.

<그림 4-9-10> 질환별 유전자치료제 임상시험 현황

출처 : www.wiley.co.uk/genmed/clinical

379

LMO

응용

및산

업화

4부

제9장

마. 바이오칩

바이오칩(Biochip)이란 인체에서 유래하는 시

료를 검체로 이용하여 검체 중의 물질을 검출 또

는 측정하고 인체의 질병진단을 목적으로 하는 의

약품이다. 상 유전자나 단백질 등을 감지하기

위해 probe라 불리는 수백 혹은 수만 개 이상의

DNA나 단백질과 같은 생물분자를 마이크로어레

이(Mircoarray) 형태로 부착시켜 이들 표면 물질들

과 특이적으로 상호작용하는 생체분자들의 존재,

기능 및 역할들을 빠르게 분석할 수 있도록 하

다(표 4-9-18 참조).

3_ 정부의 바이오의약품육성정책

가. 바이오의약품산업의 성장

지난 20년 간 바이오산업은 괄목할 만한 성장

을 이룩해 왔다. 세계 생명공학산업 시장은 1980

년 의 기술혁신을 계기로 1990년 들어 연평균

29%의 높은 성장을 실현하 고 1990년 전반기

에는 연평균 40%로 폭발적인 증가율을 보 으나,

후반기로 오면서 연평균 성장률이 18% 로 크게

둔화되는 경향을 보 지만 여전히 높은 성장세를

보이고 있다(표 4-9-19 참조). 이후 2000년 들어

인간을 비롯한 다양한 생물종의 유전체 지도가 완

성되면서 포스트-게놈시 가 시작되었고 생명 현

상에 한 총체적인 관점에서 개발된 생명공학제

DNA칩

단백질 칩

<표 4-9-18> 바이오칩의 종류

분류 원 리 종 류

기판에 수만 종류의 DNA를 고 도로 부착시키고 이들

DNA와 반응하는 유전자를 초고속으로 량분석

수백종류의 서로 다른 단백질을 기판에 코팅시켜 특이하게 상호

작용하는 생치분자의 존재, 또는 기능 및 역할을 량으로 신속

하게 분석

HPV DNA칩, 위암 진단 DNA칩

암 및 정신질환 진단 단백질 칩

1990 1995 2000 2010

세계시장 44 238 540 2,300 40% 18% 16%

<표 4-9-19> 세계 생명공학 시장규모 전망 (단위 : 억 달러)

출처 : Ernst & Young LLP

연평균 증가율

1990~1995년 1995~2000년 2000~2010년

380

품들이 시장을 차지하고 있다. 생명공학산업의 초

창기에는 생명공학기술을 활용한 연구결과물(주

로 의약품)의 상업화 자체에 의문을 갖는 사람들

이 많았다. 하지만 1998년 미국에서 승인된 바이

오의약품이 54개 으나 10년 사이인 2008년 말까

지 미국 식품의약국(FDA)에서 승인된 바이오의약

품은 200여 개에 달하 다.

비록 출시되는 의약품들 중 블록버스터(연간

매출이 10억 달러 이상) 가능성이 높은 제품들은

아직 전통적인 화학합성의약품이 부분이고, 바

이오의약품들의 예상 매출은 이들의 10분의 1에

불과하지만, 바이오의약품은 인체적합성이 높고,

희귀∙난치병 질환 정복기술(DNA 조작기술, 세

포배양기술, 단백질 정제기술)의 우위에 따른 독

점권이 강하다는 등의 많은 장점을 보유하고 있다.

외국의 생명공학 기업들이 비약적인 발전을 보

이고 있는 동안, 국내 생명공학산업도 양적 성장

을 지속해 왔다. 2005년 국내 생명공학산업 생산

규모는 약 2조 7천억원으로, 1995년의 약 2,400억

원에서 연평균 28% 가량 성장한 것으로 나타났다.

특히 생명공학산업 인력규모는 1997~2005년 동안

연평균 19.7% 증가하면서 매 4년마다 인력규모가

약 2배씩 늘어나 생명공학산업의 빠른 성장세를

한 눈에 확인할 수 있게 한다.

그러나 내실을 살펴보면 국내 생명공학산업의

경쟁력은 아직 취약한 수준에 머물러 있다. 최근

5년 간 61개 국내 생명공학 벤처기업의 연평균

업이익률을 조사하 더니 0.7%에 불과한 것으로

나타났는데, 이는 과도한 연구개발비 투자에 비해

제품 출시를 통한 실질적 성장이 미흡하기 때문인

것으로 보인다.

나. 바이오의약품 산업육성을 위한

정부의 노력

정부는 1983년 생명공학육성법을 제정하고‘제

1차 생명공학육성 기본계획(1994~2006)에 따라

생명공학에 한 국가차원의 체계적인 연구개발

육성에 착수하여 생명공학기술을 국가발전 6

전략산업으로 결정하고, 6조 4,143억원을 투자하

다. 민간부분에서도 9조 6,790억원 등 총 16조

924억원을 투자하여 2007년까지 생명공학 연구개

발 인프라를 구축하 다. 1차 기본계획 동안의 확

보된 연구기반을 바탕으로 세계적인 원천기술을

확보하고 산업화를 위한 핵심 인프라를 강화하기

위해 2007년부터는 제2차 생명공학육성기본계획

인 바이오비전 2016(Bio-Vision 2016)에 착수하여

10년 동안 총 14조 2,881억원을 투자하여 2016년

까지 생명공학 분야 세계 7위의 기술 강국 진입을

목표로 하고 있다. 바이오비전 2016은 1차 기본계

획의 성과 및 시사점, 국내외 환경 분석을 기반으

로 건강한‘생명중심 사회’와‘풍요로운 바이오

경제’구현을 비전으로, 세계 7위의 논문 및 특허

기술 수준 제고, 60조원 규모의 시장 창출 등을 목

표로 제시하고 있다.

이를 달성하기 위하여‘국가생명공학 육성체계

혁신’, ‘연구개발 선진화 기반 확충’, ‘바이오산

업의 발전 가속화 및 로벌화’, ‘법∙제도 정비

및 국민 수용성 제고’등의 4 전략, 14 실천과

제를 수립하고, 생명과학, 보건의료, 농축산∙식

381

LMO

응용

및산

업화

4부

제9장

품, 산업공정∙환경∙해양, 바이오융합 등 5 분

야별 세부계획을 마련하 다. 생명공학육성기본

계획은 생명공학육성법에 따라 매년 시행계획을

보건복지가족부, 교육과학기술부 등 8개 관계부

처가 공동으로 수립하고 운 한다.

지식경제부에서도 국내 바이오산업의 활성화

를 위해 바이오기술의 사업화 과정인‘비임상 및

임상단계’연구에 집중 지원한다. 지식경제부는

‘바이오의약품, 바이오소재, 생체내 작용 의료소

재 및 기기’등 사업화가 가능한 제품생산 기술 등

시장에 내놓을 수 있는 상용화 단계의 기술에 재

정적으로 집중 지원하고 있다. 바이오산업 특성상

초기비용 부담으로‘블록버스터형 스타제품’의

후보물질을 개발하고도 선진국 기준의 비임상 또

는 임상절차를 진행하기가 어려워 사업화를 추진

하지 못하는 경우가 많아 이를 개선시키기 위해

이러한 방침으로 사업을 추진 중이다. 사업화 가

능한 바이오 기술지원을 위해 바이오 신약생산과

산업화 촉진에 필요한 연구개발(R&D) 지원사업

인‘바이오스타 프로젝트’는 2007년 한 해에만 90억

원을 투입했고 신규 당뇨 치료제, 관절염 치료제,

패혈증 치료제, 천식 치료제, 연골재생 줄기세포

치료제 등 5개 계속과제에 50억~60억원을, 3개 내

외의 신규 과제에 30억~40억원을 각각 지원하고

있다.

다. 식품의약품안전청의

바이오의약품산업 지원 정책

(1) 바이오의약품 실용화를 위한 지속 지원

식품의약품안전청(이하‘식약청’)에서도 바이

오의약품의 신속한 제품화를 위해 다양한 형태의

허가지원 제도를 마련하여 시행해 오고 있다. 바

이오의약품 산업화 지원 및 안전관리를 위한 유전

자치료제, 세포치료제 등의 전담관리 체계를 마련

하고자 2001년 10월 의약품본부 내에 바이오의약

품을 전담하는 생물의약품과를 신설하 고, 2004

년 7월 독성연구원 내에 생명공학지원과를 신설

하 다. 또한 2005년 9월에는 미국 식품의약국

(FDA)식 본부 체계로 조직개편을 하여 생물의약

본부 체제를 도입(1본부 8팀)하고, 2008년 3월 현

재 1국 9부의 생물의약품국으로 구성되었다. 아울

러, 생명공학분야의 연구자 등이 제품화∙산업화

를 위하여 행정적∙기술적 지원을 요청하는 경우

이를 지원하기 위해‘바이오의약품 등 후견인 제

도 운 에 관한 규정’(식약청 예규)을 민원사무처

리에 관한 법률에 근거를 두고 2005년 3월 제정하

다. 이에 따라 개발 초기부터 허가 단계까지 기

술적∙행정적 지원을 실시하여 38개소 62품목의

허가전 상담이 진행되었으며(표 4-9-20 참조), 현

재는 사전상담의 법적 근거를 마련하기 위해 약사

법 개정을 추진하고 있다. 또한 2008년 1월 31일부

터‘생물학적 제제 등 품목허가 신청 전 단위별 심

사에 관한 규정’을 마련하고 바이오의약품 등의

품목허가 신청시 제출하는 자료 중 독립적으로 자

료의 적합성 여부를 판단할 수 있는 경우에는 의

약품 개발자가 품목허가 신청 전에 미리 준비된

자료부터 심사를 받을 수 있도록 하여 새롭게 개

발되는 바이오의약품 등의 심사에 소요되는 기간

을 단축할 수 있도록 힘쓰고 있다.

382

한편, 독성연구원내 생명공학지원팀에서는 바

이오의약품의 애로사항 처리센터를 운 하여 개

별 회사로부터 직접 고충사항을 듣고 처리하며,

산업 동향∙연구개발 정보 등을 제공∙지원하고

있다.

또한 유전자재조합의약품, 세포치료제, 유전자

치료제의 허가 및 심사규정 중 신속심사 관련 제

도가 있다. ‘신속심사’란 생명을 위협하거나 심각

한 질병치료를 목적으로 하는 경우 세포치료제,

DNA칩 등 환자치료 발전을 위해 식약청장이 판

단한 의약품에 하여는 우선적으로 심사를 처리

하여 일반적인 절차를 통하여 품목허가를 진행하

을 때보다 짧은 기간 안에 심사를 진행하고, 일

부 제출자료를 시판한 후 제출할 수 있도록 하는

제도이다. 이처럼 식약청에서는 민원인들이 방법

을 몰라서 관련 없는 자료를 만드는 시간을 없애

고, 처음부터 허가에 필요한 자료요건을 상담해

가면서 신속한 허가를 받을 수 있도록 지원하고

있다.

(2) 첨단 신기술 바이오의약품의 산업화 지원

및 심사∙허가업무의 국제표준화

바이오의약품 심사의 큰 걸림돌 중의 하나는

어떤 경우 너무나 새로운 개념의 과학 분야라 도

체 어떻게 안전성 유효성을 증명해야 할지 안전

성 유효성 전문가들도 개발자 자신조차도 해답을

제시하지 못하는 경우가 많다. 이에 식약청에서는

2005년부터 2009년까지 총 65개 평가 가이드라인

마련 계획을 추진하 으며, 2005년에는 18종의 가

이드라인을, 2006년 15종의 가이드라인을 마련하

여 2009년 3월에는 총 66개의 가이드라인을 발간

년도 상담 또는 신청(누계)처리현황(건수)

허가 임상승인

<표 4-9-20> 사전상담 품목 현황

2001 4업소 5품목 1건 1건

2002 12업소 14품목 2건 0건

2003 23업소 25품목 0건 7건

2004 28업소 31품목 2건 1건

2005 26업소 32품목 1건 6건

2006 31업소 48품목 1건 7건

2007 37업소 55품목 7건 13건

2008 38업소 61품목 0건 11건

2009. 03. 31 38업소 62품목 0건 1건

하 다. 이를 통해 바이오의약품의 안전성 및 유효

성 심사의 적정을 기하고 바이오의약품 개발을 추

진하고 있는 개발자에게도 도움을 주고자 하 다.

라. 식약청의 바이오의약품 안전관리 정책

식약청에서는 바이오의약품의 신속한 허가와

가이드 마련 등의 제품 실용화 지원을 하고 있지

만, 식약청 본연의 업무는 국민에게 최 한 안전

한 의약품을 공급하여 국민의 보건을 책임지고자

제품의 안전성과 유효성, 품질을 심사하고, 또 허

가하는 것이다.

일반적으로 신의약품이 초기 연구에서부터 시

판허가를 얻기까지는 평균적으로 10년 이상이 소

요되는 것으로 보고되고 있다. Tufts Center for the

Study of Drug Development의 보고에 따르면 바

이오의약품의 경우 비임상시험 및 평가에 2년, 임

상시험에 약 3.4년 그리고 허가검토과정에 약 1.7

년이 소요되어 약 8년 정도가 걸리는 것으로 보고

되었다.

(1) 바이오의약품의 개발과정

바이오의약품의 개발과정은 크게 5가지로 나누

어진다. 먼저 새로운 의약품을 개발하기 위한 초

기 단계는 여러 가지 생체물질에 한 검색 및 효

능을 확인하여 선정한 후, 임상시험전 이에 한

물리화학적 성질과 생물학적 특징 등을 분석한다.

바이오의약품의 경우 부분 단백질 또는 유전물

질로 구성되어 있으므로, 특성분석에 앞서 파쇄

및 정제과정이 요구되며, 정제를 거쳐 균일한 물

질을 얻게 되면 일차적인 특성분석이 필요하다.

최근에는 유전체학의 발달로 모든 단백질의 아미

노산 서열에 한 정보제공이 보다 쉬워졌다.

비임상시험(Pre-clinical Testing)은 임상시험 진

입 전에 실시되는 것으로, 상물질이 표적질병에

해 가지는 생물학적 활성과 안전성을 평가하기

위한 실험실시험 또는 동물시험이다. 이것은‘비

임상시험 관리기준(식약청고시 제2005-79호)’에

따라 수행된다. 비임상시험을 통해 약물의 효과와

안전성이 확보되면 개발자는 인체를 상으로 실

시하는 임상시험계획에 해 허가 및 심사기관인

식약청의 사전승인을 받아야 하며, 임상단계와 평

가항목은 <표 4-9-21>과 같다. 모든 임상시험 종

료 후 새로운 의약품에 한 시판 여부는 식약청

이 제출된 모든 자료를 종합적으로 검토한 후 결

정하게 된다. 만약 의약품을 국내에서 제조할 경

우에는 품목허가시 의약품 제조시설에 한 평가

도 받아야 한다(그림 4-9-11 참조).

(2) 생물안전관리

생물의 다양한 특성 중에서 원하는 특성의 유

383

LMO

응용

및산

업화

4부

제9장

<표 4-9-21> 임상시험 단계 및 평가항목

임상단계 평가 항목

1 건강한 자원자에서의 안전성 시험

2 소수의 환자에서의 유효성과 안전성

3 다수의 환자에서의 유효성과 안전성

4 장기간 사용된 약물에 한 시판 후 조사

384

전자만을 취하여 다른 생물체의 유전자에 결합시

키고 증식시키는 기술을 유전자변형기술이라고

한다. 이 기술을 이용하여 미생물, 동물, 식물에서

유래된 다양한 유전자를 우리가 목적으로 하는 생

물에 넣는 것(infection, transduction, tranfection)이

가능하며, 이렇게 만들어진 새로운 유전적 특성을

갖는 생물이 LMO이다. 이런 유전자변형기술은 환

경(White BT: Biotechnology), 건강(Red BT), 식량

(Green BT) 등 인류 난제 해결에 필요한 분야에

적용됨으로써 21세기 국가경제성장의 원동력이

되고 인류가 건강하고 쾌적한 삶을 누릴 수 있게

할 기술로 전망되고 있다.

이러한 유전자변형기술의 우수성과 경쟁력에

도 불구하고 현재까지 자연적으로 존재하지 않았

던 전혀 새로운 생물체인 LMO가 환경 및 인체에

초래할 수 있는 잠재적인 위해성에 한 의문이

지난 20여 년 간 제기되어 왔다. 생명공학의‘유익

성’과‘잠재적 위험성’의 양면성은 국제 사회의

쟁점으로 부각되었고, LMO의 국가간 이동으로 발

생할 수 있는 인체 및 환경위해성1)을 사전에 방지

하기 위하여 2000년 1월 캐나다 몬트리올에서 개

최된 CBD 특별당사국 총회에서‘바이오안전성

의정서(이하‘의정서’)가 채택되었다. 의정서는

LMO의 수입국이 그 위해성을 사전에 평가하여 수

입여부를 승인하도록 하는 최초의 국제 규범이다.

우리나라도 2000년 9월 의정서에 서명하여 이

협약에 동참하 으며 LMO 제품이 국민건강, 환경

보전에 미칠 위해를 사전에 예방∙관리하기 위해

「유전자변형생물체의 국가간 이동 등에 관한 법

률(이하‘LMO법’)」을 제정하 고, 2008년 1월부

터 의정서를 국내에서 발효하 다.

LMO법 및 시행령에 따라 관계 중앙행정기관의

장이 정하도록 위임된 사항 및 구체적인 각 부서

역할을 통합하여 총 10장으로 구성된 LMO 통합고

시가 마련되었다. 식약청에서는 제6장의 보건의

료용 LMO의 수출입 등에 관한 사항 중 제1절(수

<그림 4-9-11> 의약품 개발과정

후보물질

탐색 및 선정

생물, 화학, 물리

학적 특성분석

식약청에

품목허가 신청판매

시판 후

조사(임상 4상)

비임상시험 수행

- in vitro, in vivo식약청의 임상

시험 계획 승인

임상시험

계획 신청

임상시험

(1,2,3상) 수행제조시설 평가

및 품목허가

1) 환경 위해성 (LMO 통합고시 1-2조 9호) : 유전자변형생물체가 환경에 방출될 경우 국내 생물다양성의 보전 및 지속적인 이용에 향을 미칠 수 있는 모든 부정적인향을 말한다.

2) 보건의료용 유전자변형 생물체 : 국민의 건강을 보호∙증진하기 위한 용도로 사용되는 유전자변형 생물체로서 다음 각 목의 유전자변형 생물체를 말한다.가. 식품용 유전자변형 생물체나. 기타 보건의료용 생물체

385

LMO

응용

및산

업화

4부

제9장

입∙생산 승인) 제2절(인체위해성 평가 및 심사)

제4절(보고 및 검사 등에 관한 사항)을 정하 다.

보건의료용 LMO2)는 식품용 LMO와 기타 보건의

료용 LMO로 구분되며, 기타 보건의료용 LMO 중

유전자재조합의약품, 유전자치료제 등을 생산하

기 위한 원재료(숙주)로 이용되는 LMO(미생물, 바

이러스 등이 포함)를 의약품제조용 LMO로 정의

하 다.

LMO법에서 요구하는 위해성 평가에 한 자료

부분이 약사법에서 요구하는 의약품 임상승인

및 품목허가시 제출되는 자료와 동소이하다. 그

리고 LMO법 4조에서“다른 법률에 특별한 규정이

있는 경우”는 LMO법 이외에 다른 법률을 따를 수

있도록 명시되어 있다. 따라서 의약품제조용 LMO

의 철저한 안전관리를 위하여 식품의약품안전청

에서는 2007년, ‘의약품제조 원료용 유전자변형

생물체 안전관리방안 연구’용역사업을 통해 기

초 자료를 수집하 고, LMO법과 약사관계법령 중

LMO의 위해성과 관련된 자료의 차이점을 분석하

여 약사관계법령 개정을 위한 안을 마련하 다.

주요 개정 내용은 우리나라에서도 유럽, 일본

등 주요 선진국과 마찬가지로 의약품제조용 LMO

에 하여 GMP 기준을 준수할 경우 폐사용3)에

따른 적합한 관리가 이루어지도록 하는 것이다.

폐조건으로 의약품을 제조하는 의약품제조용

LMO는 약사법에 따라 의약품 제조시 폐쇄식 제조

시설( 폐사용)에서 관리될 뿐만 아니라 폐기물

소각, 비산에 한 방지 책 등 그 취급 및 안전관

리를 철저히 하고 있으므로 의약품제조용 LMO는

LMO법률 4조에 따라 약사법관계법령으로 정하는

바에 따르도록 하 다.

또한 마련된 약사관계법령 개정안에 해 민원

인의 혼란을 방지하기 위해 의약품제조용 LMO 법

제도 설명회를 개최하 으며, 관련업계 및 민원인

의 의견 수렴을 거쳐 약사법 관련고시‘생물학적

제제 등 품목허가심사규정’에 반 되었으며, 약사

법 시행규칙 별표3 ‘생물학적제제 등 제조 및 품

질관리기준’및‘의약품임상시험계획 승인지침’

의 개정도 진행 중에 있다.

(3) 생물안전관리 향후계획

의약품의 생산과 관련된 LMO의 환경위해성 평

가는 두 가지로 나누어 생각할 수 있다. 먼저 의약

품제조시 사용되는 의약품제조용 LMO를 사용하

는 경우이다. 일반적으로 유전자재조합의약품 생

산을 위한 LMO는 세균, 효모 등으로 의약품생산

원료물질로 사용될 경우이다(표 4-9-22 참조). 우

리나라에도 유럽, 일본 등 선진국과 마찬가지로

의약품제조용 LMO에 하여 GMP 기준을 준수할

경우 폐용으로 구분하여 관리한다. 임상시험 단

계(IND)인지, 품목허가 단계(NDA)인지에 따라 적

용되는 법률이 다른데, 임상시험용 의약품의 생산

과정은 약사법 시설기준령 및 시설기준령시행규

칙에 적합한 시설에 한 심사∙승인을 통해 관리

되는데, 동법 시행규칙 제29조에 따라 의약품제조

3) 폐사용(카르타헤나의정서 제32조 b) : 유전자변형생물체가 외부환경과 접촉함에 따라 미칠 수 있는 향을 효과적으로 조절할 수 있도록 특별히 마련된 시설, 장치 또는 여타 물리적 구조물 내에서 이루어지는 제반 작업을 말한다.

386

및 품질관리기준(별표2) 및 생물학적 제제 제조 및

품질관리기준(별표3)에 따라 폐시설 기준에 맞

게 관리가 되는지 검토평가 된다. 품목허가 상 의

약품의 생산은 GMP를 따르는 시설에서 관리된다.

두 번째로 완제의약품 자체가 LMO인 경우이

다. 유전자재조합의약품의 경우 단백질 생산과정

에서만 LMO가 사용되고 이후 파쇄 및 정제공정을

거쳐 최종 제품에는 LMO를 포함하지 않지만, 유

전자치료제나 재조합생백신의 경우 완제의약품

이지만 환자의 분뇨, 혈액 등에 의해서 환경에 방

출될 가능성이 있으므로 LMO의 특성에 맞는 환경

위해성에 관한 타당성 심사가 임상시험 전과 품목

허가 전에 이루어져야 한다. 재조합 생백신은 현

재 시험연구 중이며, 국내에서 임상승인된 11개의

유전자치료제 중 바이러스 벡터를 이용한 유전자

치료제 6건이 LMO의약품이라고 말할 수 있다(표

4-9-23 참조). 식약청에서는 의약품으로 사용되

는 LMO의 환경위해성이 적절히 심사될 수 있도록

관련규정 개정(안)을 마련 중에 있다. 또한 현재까

지 국내에서는 시험연구 중이지만, 곧 상용화될

가능성이 있는 유전자변형 동∙식물의 의약품 생

산시 환경위해성 평가규정 마련을 위해 외국의 관

련규정 및 국내 기술개발 및 연구 현황을 조사하

고 있으며 관련부처와 이에 해 협의 중이다.

연번 제조사 제품명 용도별 분류 생산세포 LMO

<표 4-9-22> 의약품제조용 LMO의 종류 및 생산 의약품

1 LG생명과학 유박스비주 HBV Vccine S.cerevisiae

2 베르나바이오텍 헤파박스진주 HBV Vccine H. polymorpha

3 베르나바이오텍 헤파박스-진티에프주 HBV Vccine H. polymorpha

4 동아제약 그로트로핀 hGH E.Coli

5 LG생명과학 유트로핀 hGH S.cerevisiae

6 CJ 류코카인 hG-CSF E.Coli

7 LG생명과학 류코젠 hGM-CSF S.cerevisiae

8 동아제약 류코스팀 hG-CSF E.Coli

9 녹십자 류코그린 hG-CSF E.Coli

10 LG생명과학 인터맥스알파 IFN alpha-2a S.cerevisiae

11 CJ 알파페론주 IFN alpha-2a E.Coli

12 녹십자 그린알파주 IFN alpha-2a E.Coli

13 동아제약 동아인터페론알파2주 IFN alpha-2a E.Coli

14 LG생명과학 인터맥스감마 IFN gamma S.cerevisiae

15 보령바이오파마 지로티프캡슐 경구용 장티푸스 생백신 Sallonella type P ty21A

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LMO

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업화

4부

제9장

연번 관련회사 제품명 용도별 분류 벡터 LMO

<표 4-9-23> LMO 의약품의 종류

1 녹십자 JX594 간암 Vacciniavirus

2 바이로메드 VM106 CGD Retrovirus

3 뉴젠팜 쎄라젠 전립선암 Adenovirus

4 코오롱생명과학 티슈진-C 퇴행성 관절염 Retrovirus

5 웅제약 DWP-418 두경부암 Adenovirus

6 동아제약 VMDA3607 뇌암 Adenovirus

제10장 LMO 안전성평가및심사

제11장 LMO 수출입현황

유전자변형생물체의안전성관리및수출입현황5

2009 Biosafety white paper