생명체를 디지털 부품처럼 설계…없던 생물학적 기능도 창조

'게임 체인저'된 바이오파운드리
韓 바이오파운드리 초기 단계, 담대한 투자와 전략적 육성 절실

"주요국 대비 예산 규모나 핵심 장비 국산화, 활용 기술 개발 등에서 여전히 해결해야 할 과제가 많으므로, 앞으로 지속적이고 전략적인 투자가 절실하다."

이대희 한국생명공학연구원(KRIBB) 합성생물학센터장은 "바이오파운드리 인프라 구축사업과 세계 최초의 합성생물학 육성법 제정을 계기로 공공 바이오파운드리센터 건립, 국가 차원의 육성계획, 표준화, 인력 양성, 국제 협력 등이 본격 추진되면서 글로벌 경쟁력 확보를 위한 기반을 마련했다"고 평가하면서도 지속적·전략적 투자의 필요성을 이같이 강조했다.

합성생물학(Synthetic Biology)은 생명체의 모든 정보가 담긴 DNA를 표준화된 바이오 부품처럼 활용해 논리 회로를 설계하고 합성함으로써 자연계에 없는 생물학적 기능을 구현하거나 기존 생명체를 재설계하는 기술이다. 픽사베이 제공

'합성생물학(Synthetic Biology)'은 생명체의 모든 정보가 담긴 DNA를 표준화된 바이오 부품처럼 활용해 논리 회로를 설계하고 합성함으로써 자연계에 없는 생물학적 기능을 구현하거나 기존 생명체를 재설계하는 기술이다. 이는 생명과학에 공학의 방법론을 적극적으로 적용한 것으로, 기존의 수동적인 바이오 연구 방식과는 근본적인 차이를 보인다. 바이오 파운드리(Bio Foundry)는 합성생물학 기술을 적용해 생명체를 설계·제작하는 플랫폼, 즉 제조시설이다.

'자동차 공장 vs. DNA 공장'…장치산업을 넘어 모든 산업의 혁신 엔진으로

합성생물학과 바이오파운드리 기술은 단순히 '빠르고 효율적인 생산 방식'으로 소개되곤 하지만, 핵심은 생산의 효율성보다 산업 생태계의 구조적 전환에 있다.

이 기술은 DNA, 단백질, 인공세포 등 생물학적 구성 요소를 마치 디지털 부품처럼 설계하고 자동화된 공정을 통해 제작하는 방식이다. 이른바 DBTL(Design-Build-Test-Learn·설계-제작-시험-학습) 사이클을 고속 반복함으로써 기존 수작업 중심의 바이오 실험과는 비교할 수 없는 속도와 정밀성을 구현한다.

이대희 한국생명공학연구원(KRIBB) 합성생물학센터장. 한국생명공학연구원 제공

더 주목할 지점은, 이런 생산구조가 자동차·화학 등 기존 거대 장치산업의 가치사슬을 대체한다는 점이다. 전통적인 장치산업은 대규모 설비와 막대한 초기 자본이 필요하고, 투자비 회수에도 긴 시간이 소요되며, 저숙련 대량 고용을 전제로 한 구조였다. 이에 비해 바이오파운드리는 로봇, 인공지능(AI), 자동화 시스템을 바탕으로 다품종 소량 생산이 가능하고, 고숙련 인력 중심의 유연한 구조를 갖는다.

이런 생산 수단의 변화는 단순한 공정 혁신을 넘어, 고용 구조와 산업 생태계의 구성을 근본부터 다시 쓰게 만든다. 소수 대기업이 독점하던 산업 분야에 스타트업·중소기업 등 다양한 주체가 진입할 수 있는 기반을 제공하며, 기술 중심의 새로운 가치사슬 형성을 유도한다는 뜻이다.

이미 산업 현장에는 이런 혁신이 반영되고 있다. 글로벌 제약사 모더나(Moderna)는 메신저 리보핵산(mRNA) 기반 백신을 설계·제작할 때 바이오파운드리의 핵심 요소인 디지털 기반 mRNA 디자인-합성 플랫폼을 활용했다. 코로나(COVID-19) 팬데믹에서 모더나가 빠르고 유연하게 대처할 수 있었던 원동력도 디지털 기반 제조 공정에 있었다.

한국생명공학연구원 바이오파운드리 베타 입구. 한국생명공학연구원 제공

미국의 바이오테크 기업 긴코 바이오웍스(Ginkgo Bioworks)는 식품, 화장품, 농업 등 산업 맞춤형 미생물을 자체 파운드리에서 설계·제작하며 '생명체 주문 생산'이라는 새로운 제조 모델을 보여주고 있다. 미국의 합성생물학 DNA 프로그래밍 기업 아미리스(Amyris)는 바이오 기반 발효 기술을 통해 석유 유래 화학물질을 친환경 바이오 소재로 대체하며, 지속 가능한 소재 시장을 선도한다.

주요 기업과 국가들이 이처럼 합성생물학 기술 확보와 바이오파운드리 구축에 나서는 배경에는 단지 연구개발 역량 확보를 넘어 차세대 화학 산업의 구조적 주도권을 선점하려는 전략적 계산이 자리하고 있다.

생산 공정의 유연화, 가치사슬의 다변화, 고급 인력 중심의 고용 구조 형성 등 합성생물학 기술이 불러올 변화는 산업 전반에 걸친 중장기 재편성과 연결될 가능성이 높다.

초기 단계 韓 바이오파운드리, 주요국과의 격차 극복 위한 투자 확대 절실

이런 변화에 한국은 어떻게 대응하고 있을까. 현재 국내 바이오파운드리는 민간과 일부 연구기관 주도로 초기 단계에 머물러 있으며, 공공 인프라 구축은 아직 미흡한 실정이다. 한국은 단기 기술 확보 경쟁이 아닌 장기 산업 전략으로 대응해 나가야 한다.

CJ제일제당은 'CJ블로썸파크'를 통해 고성능 미생물 균주 개발 및 발효 공정의 자동화 연구를 진행 중이며, 한국생명공학연구원(KRIBB)의 합성생물학센터는 소규모 바이오파운드리 베타 시스템을 운영하고 있다. 그러나 이는 주요국들이 구축한 대규모 공공·민간 인프라 및 글로벌 네트워크에 비하면 여전히 제한적이다.

미국은 바이든 행정부가 합성생물학과 바이오 제조를 미래 핵심 기술로 지정하고 민간 기업인 긴코 바이오웍스를 중심으로 기술 개발과 상용화에 박차를 가하고 있다. 미국 의회는 국방수권법(NDAA), 정보수권법(IAA)을 통해 바이오 기술을 국가 안보 차원에서 보호·지원하는 한편, 효소 공학 기업 코덱시스, 국방부 지원의 바이오메이드 등 민간·공공의 협력 체계를 확대하고 있다.

이 같은 전략적 대응은 미국 외에도 주요국 전반으로 확산하고 있다. 영국은 2012년 합성생물학 리더십 위원회(SBLC)를 설립하고 2030년까지 100억 파운드(약 18조 7000억 원) 규모의 합성생물학 시장 형성을 목표로 장기 로드맵을 실행 중이다.

중국은 2017년부터 중국과학원을 중심으로 선전 지역에 바이오파운드리 설립을 추진해서 2023년 대규모 클러스터를 구축했다. 향후 상하이, 톈진 등 10개 지역에 공공 바이오파운드리 네트워크를 추가로 구축, 기술과 인프라 양면에서 미국과의 격차를 좁힌다는 계획이다.

일본 역시 향후 5년간 민관 합동으로 120조 엔(약 1174조 원)을 투자해 합성생물학과 바이오파운드리 분야를 포함한 바이오 첨단 기술 생태계 구축에 나서고 있다. 싱가포르도 2016년부터 공공 바이오파운드리 인프라를 구축하고 국립공학생물학센터(NCEB) 설립 등 기술 확보를 위한 국가 차원의 체계를 일찍부터 갖췄다.

이 센터장은 "미국을 비롯한 주요 국가는 이미 10여 년 전부터 국가 전략으로 바이오파운드리를 육성하며 자동화 설비, 표준화된 프로세스, 인공지능 기반 설계 플랫폼을 구축해 왔으며, 국가 간 기술 네트워크도 활발히 운영되며 글로벌 표준 형성을 선도하고 있다"고 전했다.

2031년 100조 원 규모 성장 전망…생태계 변화 주목해야

이미 시장은 변화하고 있다. KRIBB 합성생물학센터에 따르면 글로벌 합성생물학 시장은 2021년 약 101억 달러(14조 5600억원)에서 2031년 약 717억 달러(99조 7900억원)로 약 7배 성장할 것으로 전망된다.

국내 시장도 같은 기간 약 1억2000만 달러(1669억원)에서 약 17억 달러(2조 3650억원)로 확대될 것으로 예상된다. 특히 에너지, 의약, 농업, 환경 등 다양한 산업군에서 합성생물학 기반 바이오 제조의 수요가 크게 늘어나면서, 바이오파운드리의 필요성이 더욱 부각되고 있다.

이제 막 형성 중인 분야인 만큼 정확하게 예측하기는 어렵지만, 합성생물학센터는 글로벌 바이오파운드리 시장을 2023년 기준 약 50억~70억 달러(7조~10조 원) 규모로 추정하며 연평균 20% 이상의 높은 성장률을 기록할 것으로 전망했다. 국내에서도 CJ, ㈜대상, LG화학, 바이오니아, 큐티스바이오 등 대기업 및 스타트업의 관련 투자가 점차 확대되는 추세다.

CJ제일제당의 'CJ블로썸파크'와 KRIBB의 합성생물학센터는 국내 바이오파운드리 산업 성장의 중요한 발판을 마련하고 있다. CJ제일제당의 'CJ블로썸파크'는 고성능 미생물 개발과 대규모 발효 공정 자동화에 집중하며 국내 바이오산업의 R&D 허브로서 역할을 확대하고 있다. 대기업의 자본력과 자동화 설비를 바탕으로 스타트업이나 학계에서 수행하기 어려운 실험과 검증을 지원함으로써 산업 생태계 전반에 파급 효과를 낳는다는 평가다.

공공 바이오파운드리 구축으로 산업 생태계 확장해야

CJ블로썸파크 전경. CJ블로썸파크 홈페이지

그러나 민간 중심의 구조는 활용 주체에 제약이 있다는 한계도 지닌다. 스타트업, 중소기업, 연구자들에게 개방형 실험 플랫폼을 제공할 수 있는 공공 바이오파운드리 구축은 필수적이다.

다행히 공공 연구 부문에서는 이 같은 흐름을 예견하고 대응을 준비해왔다. KRIBB 합성생물학센터는 국내 최초로 바이오파운드리 시스템을 자체 개발·운영하며 핵심 기술 상용화, 산업 연계, 글로벌 네트워크 구축 등 국가 차원의 기반 마련에 선도적 역할을 하고 있다.

또한 DNA, 단백질, 세포 모듈 등 바이오 부품은행(Part Bank) 구축을 포함해 연구 커뮤니티 활성화, 데이터 표준화, 인재 양성까지 아우르는 공공 거점 기능을 수행 중이다.

다만, 합성생물학과 바이오파운드리는 산업 생태계 전반에 영향을 미치는 구조 전환인 만큼 공공 부문의 대응만으로는 충분하지 않다는 지적도 있다. DBTL 공정의 자동화·표준화, 민간과 공공의 연계 플랫폼 확대 등을 통해 실험의 재현성과 효율성을 높이고 건전한 산업 생태계를 조성해야 한다는 것이 전문가들의 공통된 의견이다.

이 센터장은 "바이오파운드리는 단순한 기술 인프라를 넘어, 산업 전략의 중심축으로 접근해야 할 분야"라고 강조했다.

윤리적·사회적 논란 초래 가능성…대응책 함께 마련해야

합성생물학의 발전으로 빚어질 수 있는 윤리적·사회적 논란을 초래할 수 있는 만큼 대응책도 함께 마련해야 한다는 목소리도 나온다.

합성생물학의 발전은 윤리적·사회적 논란을 초래할 수 있는 만큼 대응책도 함께 마련해야 한다는 목소리도 나온다. 2018년 중국 허젠쿠이 박사는 HIV 면역성을 가진 유전자 편집 아기를 탄생시켜 비난을 받았다. 낙오프(knock-off) 현상 등도 경계해야 한다. 픽사베이 제공

유전자가위 기술은 4세대인 '프라임 에디팅(Prime Editing)' 기술로 발전했다. 이 기술은 특정 염기를 삽입·삭제·변경할 수 있다. 이 기술이 유전병 치료에 사용되는 점은 긍정적이지만, 신체적·지능적 우월성을 가진 맞춤형 아기 '디자이너 베이비(Designer Babies)'를 만드는 데 활용된다면 심각한 윤리적 문제를 야기할 수 있다.

실제 2018년 중국의 허젠쿠이 박사는 3세대 유전자가위 기술인 '크리스퍼(CRISPR)'로 인간면역결핍 바이러스(HIV) 면역성을 가진 유전자 편집 아기를 탄생시켜 강한 비판을 받았다. 인간 배아 유전자 편집이 현실적으로 가능함을 알려주면서도, 무분별한 사용이 가져올 사회적 영향을 충분히 고려하지 않은 사례로 회자된다.

의도하지 않은 돌연변이나 예측 불가능한 부작용, 즉 '낙오프(knock-off)' 현상도 발생할 수 있다. 플라스틱을 분해하는 미생물을 설계했지만, 이 미생물이 환경 내 다른 유기물을 분해하는 부작용을 초래한 사례도 있다. 유전자 변형 작물(GMO)의 경우 생산성과 질병에 강하게 할 수 있지만, 생태계 교란, 알레르기 유발, 독성 물질 생성 등 다양한 위험을 초래하기도 한다.

이 센터장은 "기술 개발 초기 단계부터 윤리적·사회적 영향 분석, 전문가와 시민이 참여하는 다층적 논의를 통해 사회적 합의를 도출해야 한다"면서 "특히 인간 유전자 편집처럼 민감한 분야는 국제 가이드라인과 연계해 법·제도를 정비하고, 연구 목적과 범위를 엄격히 관리해야 한다"고 조언했다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr