서론
2003년은 생명공학기술(BT) 발전에서 매우 중 요한 의미가 있는 해이다. 1953년 Watson과 Crick에 의하여 DNA 이중나선구조가 최초로 규 명되면서 분자생물학 연구가 시작된 후 50년이 되 었으며, 전 세계적으로 추진된 인간유전체사업 (human genome project)이 조기 완성되기에 이 르렀다. 이제 BT는 유전체 정보를 활용하는 post- genome 시대를 맞이하게 되었고, 2010년경부터 정보기술(IT)에 이어 차세대 신 산업창출의 원동 력이 될 것으로 예측되면서 과학 전반에 걸쳐 연 구의 새로운 패러다임이 형성되고 있다.
급속한 산업화와 인구증가에 따라, 다양한 환경 오염 유발물질의 생성 및 이로 인한 지구규모의 환경문제는 21세기 인류생존을 위협하는 최대 현 안문제로 등장하였다. 유엔환경계획(UNEP)은 2002년 5월에 지난 30년간 지구환경변화를 평가 하고 향후 30년 동안 지구환경에 영향을 끼칠 정 책방향을 담은 보고서를 발간하면서, 무분별한 개 발로 인한 산림파괴와 물 부족 등에 대한 비상대
책이 마련되지 않으면 향후 30년 내에 지구는 매 우 황폐할 것이라고 경고하고 있다.
지구규모의 환경문제인 지구온난화의 주 요인 으로 생각되는 이산화탄소 농도는 과거 1000년간 270ppm으로 안정적이었으나, 화석연료의 사용과 토지이용의 변화에 따라 150년 전부터 급격히 증 가하여 현재는 360ppm에 달한다. 대기중 이산화 탄소의 농도는 직접적으로 인간의 활동에 의해 증 가하지만 이로 인하여 변화된 환경하에서 미생물 에 의한 증가 효과도 매우 큰 것으로 추정된다. 실 제로 대기조성에 미치는 생물의 역할은 [표 1]에 요약하였다1). 다양한 생물학적, 화학적 공정이 대 기조성에 관여하며, 질소, 산소, 이산화탄소, 메탄, 이산화질소 등 여러 기체의 생성과 소멸 과정에서 미생물의 역할이 중요함을 알 수 있다.
인류가 궁극적으로 추구하고 있는 삶의 질 향상 을 위해서는 맑고 깨끗한 환경 보전이 우선적으로 추진되어야 한다. 이를 성공적으로 달성하기 위해 서는 ① 향후 첨단산업기술로 주목되는 기술 중에 서 그 토대가 비교적 건실한 생명공학기술과 새롭
오 희 목
한국생명공학연구원 환경생명공학연구실 [email protected]
1) King, G.M., D. Kirchman, A.A. Salyers, W. Schlesinger, and J.M. Tiedje. 2001. Global Environmental Change: Microbial Contributions, Microbial Solutions. American Society for Microbiology, Washington, DC.
게 변화를 요구받는 환경공학기술의 융합을 통하 여 기존 환경기술의 한계를 극복할 수 있는 환경 생명공학(environmental biotechnology) 기술 개 발이 필요하다. ② 최근에 급속히 발전하고 있는 유전체학(genomics)과 생물권을 유지하고 있는 다양한 형태의 생물학적 구조 및 기능을 탐구하는 생태학(ecology)의 복합체라 할 수 있는 생태유전 체학(ecogenomics) 연구를 통한 새로운 개념의 환경정화 및 생태계 복원 기술개발이 필요하다.
또한 ③ 지구환경의 변화에 따라 매년 심화되고 있는 각종 환경재해(건조, 염류, 냉해, 유해 화합 물 오염지 등)에 적응하여 생존할 수 있는 신 생 물자원의 개발이 필요하다.
환경생명공학 기술개요
환경생명공학은 생물자원과 처리공정을 이용하 여 사회·경제적으로 유익한 환경정화 및 복구를 달성하는 것이다. 환경생명공학은 분자생물학, 환 경과학 및 생태학, 공학 등 여러 학문분야의 유기 적 협조에 의해 성공적으로 실천될 수 있다. 환경 생명공학기술은 bioremediation(생물정화),
phytoremediation(식물정화), bioprevention(생 물학적 오염예방), biomonitoring(생물모니터링) 의 4가지 기술군으로 구분될 수 있으며, 전 세계적 으로 추구하고 있는 지속개발의 핵심기술이다.
환경생물산업은 오염물질의 사후처리와 관련된 생물산업(대기오염, 수질오염, 토양오염, 폐기물, 소음·진동 등을 방지하거나 저감하는 시설 및 서 비스의 개발, 생산, 판매, 설치, 운영 등을 사업으 로 수행하는 생물산업)으로 정의될 수 있다. 그러 나 넓은 의미에서 환경생물산업은 오염물질의 사 후처리와 관련된 생물산업은 물론이고 오염 및 자 원사용을 최소화시키는 청정생물산업을 포함한다 고 볼 수 있다.
국내외 기술개발 현황
환경 선진국에서는 최근 미생물 유전체 연구성 과(약 150종의 미생물 genome 분석 완료 및 약 250종의 genome 프로젝트 진행 중)를 기반으로 방대한 양의 자료들로부터 유용한 정보를 추출해 내어, 그 정보들을 생태학적 관점에서 해석하여 환경정화에 응용하는 연구가 수행되고 있다. 대표 표 1. Biological contributions to atmospheric composition(Relative importance of different contributors)
Microbes(53)
Nitrogen Microbes(100) Lightening(6) Negligible
Humans(41)
Oxygen Microbial algae(50) Microbes(90)
Negligible
Plants(50) Animals(10)
Microbes(86)
Microbial algae(50)
Carbon dioxide Animals(10)
Plants(50) +0.4%
Humans(4) Microbes(26)
Microbes(10)
Methane Animals(17) +1%
Humans(57) Chemistry(90)
Nitrous oxide Microbes(50) Microbes(?)
Humans(50) Atm chemistry(100?) +1%
Gas Inputs from Removal by % Annual change
적으로 미국 에너지성(US DOE)의 생물환경연구 부는 시대적 요구에 부응하여 국가적 난제를 해결 하기 위하여“Genomes to Life(GTL, 유전체로 부터 생명까지)” 프로그램을 의욕적으로 수행하 고 있다. 즉 미생물 유전체학과 분자생태학 연구 의 급진전으로, 환경미생물과 미생물생태 분야에 DNA microarray의 방법론을 구축하고, 실제 적 용하여 미소생태계 분석 및 이용 기술이 더욱 발 전하고 확산될 것으로 추정된다. GTL 프로그램 은 1단계로 2002~2007년에 걸쳐 1.03억 달러를 배정하였으며, 집중적으로 연구를 수행할 기관 및 내용은 [표 2]에 요약하였다. 이와 같은 연구는 생물체의 핵심 구성물인 유전자, 단백질 등의 기 능연구를 수행함으로써 인간보건(생물무기 탐지 등), 에너지 확보(바이오에너지 생산 등), 환경정 화(이산화탄소 저감 등) 등 지구규모의 난제 해결 에 획기적으로 기여할 것으로 기대된다.
GTL 프로그램의 초점은 지구환경문제의 해결 을 위한 환경미생물의 연구에 있다고 할 수 있다2). 대표적 예로서 지구온난화 기체의 대기중 농도는 미생물의 활동에 의해 크게 좌우된다. 탄소와 질 소는 미생물의 대사작용에 의하여 대기, 대양, 생
물체, 토양으로 순환하게 된다. 육상이나 수중 생 물권에서 생물군집에 대한 연구는 물질의 자연순 환을 이해하게 되고 또한 지구온난화 기체가 생태 계에 미치는 영향 및 생태계가 기체 농도에 주는 영향을 예측할 수 있다. 따라서 GTL 프로그램의 수행을 통하여 식물이나 미생물이 대기로부터 더 많은 이산화탄소를 흡수하고 빠르게 성장하여, 유 용한 자원을 생산할 수 있는 방법을 찾게 될 것이 다. 오염물질의 정화에 있어서 오염지역에 존재하 는 미생물을 이용한 정화는 비용을 획기적으로 줄 이게 될 것이다. 지난 수년간 bioremediation에 의 하여 유류, 유기용매 등의 유기오염물질은 효과적 으로 분해되고 정화되었다고 볼 수 있다. 금속이 나 방사성핵종 같은 유해 폐기물은 미생물이나 화 학적 처리에 의하여 전혀 다른 화학물질로 전환되 기 어렵다. 그러나 미생물은 화학적 특성을 변화 시켜 물속에서 금속이나 방사성핵종의 용해도를 변화시킬 수 있으므로 지하에 고형상태로 침전시 킬 수 있다. 결과적으로 미생물을 이용한 유해물 질의 안정화에 의하여 인간, 동물, 식물에 미치는 독성을 감소시킬 수 있다.
최근 환경생명공학의 큰 변화는 다음과 같이 표 2. Current GTL research project
Oak Ridge National Laboratory Molecular and Cellular Systems: Identification and Characterization of Protein Complexes
Lawrence Berkeley National Laboratory Rapid Deduction of Stress Response Pathways in Metal/Radionuclide Reducing Bacteria
Sandia National Laboratories Carbon Sequestration in Synechococcus: From Molecular Machines to Hierarchical Modeling
Analysis of the Genetic Potential and Gene Expression of Microbial University of Massachusetts, Amherst Communities Involved in the in situ Bioremediation of Uranium and
Harvesting Electrical Energy from Organic Matter
Harvard Medical School Microbial Ecology, Proteogenomics and Computational Optima
Institute Research program
2) Frazier, M.E., G.M. Johnson, D.G. Thomassen, C.E. Oliver, and A. Patrinos. 2003. Realizing the potential of the genome revolution: The genomes to life program. Science 300: 290-293.
4가지로 요약될 수 있다. 첫째는 미생물 군집의 구 조와 기능을 연구하기 위하여 분자수준의 방법 (molecular-based tools)을 개발하고 수행하는 것 이다. 둘째는 환경에서 미생물은 생물막을 형성하 여 고밀도의 개체군으로 활동한다는 사실에 근거하 여 미생물 콘소시움과 생물막(microbial consortia and biofilms)에 관한 연구의 증가이다. 셋째로 quorum sensing 신호전달계 및 미생물과 고등생 물간의 화학적으로 중재되는 상호작용 등에 의한 미생물 세포-세포 또는 미생물과 고등생물간의 통 신계(communication system)이다. 끝으로 생태계 와 생명공학의 연결분야(linking ecology and biotechnology)로서 생태적으로 건전한 해법을 구 하는 것이다. 특히 이와 같은 분야는 지금까지 과 소 평가되었으나 앞으로는 크게 중요시되는 분야 이다.
우리나라는 BT기술 중에서 동·식물 형질전환, 미생물 발효, 분리정제 등의 분야에서 선진국 수 준으로 평가되고 있으나, 전반적 기술경쟁력은 선 진국의 60%(세계 14위)에 불과한 실정이다. 환경 생명공학의 핵심분야인 bioremediation 산업이 아 직 성숙되지 않았고, 현장에서 생분해 과정을 모 니터링하고 위해성을 평가하기 위한 구체적 방법 이 확립되어 있지 않다. 실제로 환경부에서 2001 년부터 향후 10년 계획으로 추진하고 있는 차세대 핵심환경기술개발사업은 실용성 위주의 환경기술 개발에 치중하여 미래 환경기술이라 할 수 있는 환경생명공학 분야의 기반, 원천기술 개발에 대한 투자가 미흡한 실정이다. 또한 과학기술부의 주도 하에 범국가적으로 수행되고 있는 21세기 프런티 어사업으로서 미생물유전체활용기술개발, 작물유 전체기능연구, 프로테오믹스이용기술개발, 인간유 전체기능연구사업 등에서도 환경분야의 연구과제 는 거의 없는 실정이다. 그러나 국내에서 BT 분 야의 기반기술이 확보되어 있고, 일부 연구자에
의하여 bioremediation 기술개발, 환경계측용 biosensor 개발, 청정소재 생산 등의 연구가 꾸준 히 수행되고 있음은 매우 다행스럽다고 하겠다.
기술개발 전망
환경 미생물 또는 식물의 유전체 정보를 활용하 는 새로운 개념의 환경정화 및 생태계 보전기술이 개발될 것이다. 즉 급격히 증가하고 있는 유전체 학(genomics), 단백질체학(proteomics), 대사체 학(metabolomics) 등의 정보를 분석하여 분해/생 합성 경로 재구성, 분자지표 개발, 환경재해내성 생물자원 개발, 환경친화형 소재 생산 등을 바탕 으로 오염환경의 총체적인 관리 및 무해화가 가능 할 것으로 전망된다.
환경생명공학기술 중 대표적으로 bioreme- diation의 경우, 난분해성 물질을 효율적으로 처리 하기 위해서는 미생물이 갖는 다양한 기능을 적극 적으로 개발하여 보다 새로운 관점에서 연구를 수 행하여야 한다. 최근 분자미생물 생태학의 발전은 오염지역에서 미생물 개체군의 분자적 분석을 가 능하게 하였다. 이와 같은 분석정보는 bioreme- diation의 효과를 신속히 평가하여 bioremediation 전략수립 및 촉진 등에 기여하게 된다. 지금까지 오염물질의 생물학적 처리에 있어서 핵심 역할을 담당한 배양 가능한 미생물은 전체 미생물의 1%
미만에 불과하다고 한다. 그러나 bioremediation 의 효율을 획기적으로 높이기 위해서는 유전체 정 보에 기초하여 배양 불가능한 미생물(전체 미생 물의 99%로 추정)의 활용, 미생물의 기능강화, 분 자생태학적 콘소시움 구축에 의한 생분해의 극대 화 등이 매우 중요하다.
식물을 이용한 환경복원기술은 환경정화용 식 물개발(phytoremediation)과 환경재해내성 식물 개발(stress-tolerant plants)로 크게 구분할 수 있 다. 환경정화용 식물개발은 중금속, 유기화합물,
방사성핵종, 대기오염물질 등 각종 환경오염물질 을 제거하기 위한 최적 식물 탐색과 형질전환기술 을 이용한 생태계 보전 및 복원용 식물자원개발이 중심이 될 것이다. 또한 첨단의 유전체학과 형질 전환을 이용한 21세기 환경친화형 식물자원개발 이 중요하게 될 것이다.
현재 질병관련 유전자 진단을 위하여 활발히 연 구되고 있는 DNA microarray의 방법론은 환경분 야에 응용하여 실용화시키는 기술개발이 요구된 다. Biomonitoring에 응용되는 DNA chip은 현장 에서 미생물의 분포조사, 진단 등이 가능하며, 최 근 LOC(Laboratory on a Chip)의 개념으로 실 험실에서 하는 분석처리가 현장에서도 가능할 것 이고, 미생물을 탐색하거나 DNA를 해독하는 기 술 등이 거론되고 있다.
산업화 전망
BT와 ET 그리고 이들의 융합기술은 IT산업을 계승할 신기술 산업으로 부상하면서 대표적 국가 전략산업으로 인식되고 있다. Economist誌(2001.
12.)에 의하면 IT에 이어 BT와 ET가 차세대 견인 기술로 조사되었다(IT(32%), BT(20%), 융합기 술(15%), ET(10%), NT(5%), 신소재(5%) 순).
환경생물산업은 넓은 의미로 오염물질의 사후 처리와 관련된 생물산업에 오염 및 자원사용을 최
소화시키는 청정생물산업을 포함한다고 할 수 있 다. 환경산업 중에서 환경생물산업이 차지하는 비 중은 국가와 오염특성에 따라 변화하지만 폐수처 리의 50~80%는 생물학적 처리에 의존하고 있으 나, 대기, 토양, 폐기물 처리에서 생물학적 처리는 1~10%로 극히 낮은 실정이다. OECD국가를 대 상으로 볼 때 환경산업 시장 중에서 환경생물산업 이 차지하는 비중은 15~25%에 달하는 것으로 추정된다.
세계 환경생물산업 시장규모는 환경생명공학 제품의 경우 2001년 기준으로 5억달러로 추정되 었고, 환경생명공학 제품별 시장점유율은 미생물 혼합제 46%, 영양제 24%, 효소 20%, 미생물 10%로 조사되었다. 세계 환경생명공학 제품의 시 장규모는 2001~2006년에 걸쳐 매년 14.4%의 증가 를 보여 2006년에는 약 10억달러로 추정하였다3). 현재 환경생물산업 중에서 규모가 큰 분야인 bioremediation 서비스 및 제품의 시장규모는 12억 달러로, remediation 서비스 및 제품은 238억달러 로 조사되었다[표 3]. 한편 오염탐지 및 측정분야 의 bio-chip 시장은 전 세계적으로 2010년에 37억 달러에 달할 것으로 전망된다.
환경생물산업의 국내 시장규모는 bioremediation 분야가 2000년 100억원, 2005년 660억원, 2010년 2,150억원으로, 환경용 bio-chip은 2005년 317억 표 3. Worldwide value of representative remediation markets, 2001
Global remediation services and products
14,350.0 (excluding bioremediation and U.S.)
U.S. remediation services and products(excluding bioremediation) 9,450.0 Global bioremediation services and products(excluding U.S.) 650.0
U.S. bioremediation services and products 550.0
Total global market remediation services and products 25,000.0
Market Current estimated market value($ millions)
3) Burk, L. 2002. Environmental Management through Biotechnology: Microorganisms and Enzymes. Business Communications Company, Inc., Norwalk, CT.
원, 2010년 3,725억원으로 급격한 시장 확대가 예 측되고 있다4).
결론
생명공학의 급속한 발전과 함께 생명공학기술 을 이용한 환경정화 및 복원을 목표로 하는 환경 생명공학기술도 연구의 새로운 패러다임이 형성 되고 있다. 최근 환경생명공학의 큰 변화는 분자 수준의 미생물 군집의 구조와 기능, 미생물 콘소 시움과 생물막, 미생물 세포-세포 또는 미생물과 고등생물간의 통신계, 생태학과 생명공학의 관련 성 등의 연구가 중점적으로 이루어지고 있다.
따라서 21세기 post-genome 시대를 맞이하여 최근 급속히 발전하고 있는 유전체학과 생물권을 유지하고 있는 다양한 형태의 생물학적 구조 및 기능을 탐구하는 생태학의 복합체라 할 수 있는 생태유전체학 연구를 통한 새로운 개념의 환경정 화 및 생태계 복원 기술개발이 중요하다. 이와 같 은 기술개발과 함께 환경생물산업 시장규모는 오 염환경의 생물학적 정화, 청정생물소재 생산, 환경 진단 및 모니터링용 bio-chip 등을 중심으로 크게
확대될 것으로 예상된다.
범국가적으로 추진되고 있는 미생물 및 식물 유 전체의 막대한 정보를 환경문제의 해결에 활용하 기 위해서는 차세대 환경생명공학기술로서 유전 체 연구를 활용한 신개념의 환경정화 및 생태계 보전 기술개발이 필요하다. 현재 환경생명공학기 술은 미생물 기능활용, 폐쇄계 내에서 청정생물소 재 생산, 환경용 bio-chip 개발 등에 치중하고 있 으나 장차 환경용으로 개발되는 GMOs(유전자변 형생물체)의 사용에 대비하여 GMOs의 환경위해 성 평가 등에 대한 체계적 연구, 관리시스템의 구 축 등이 함께 이루어져야 한다고 생각한다.
끝으로 21세기 첨단산업으로 인식되고 있는 BT, ET, IT를 융합한 환경생명공학기술의 체계 적 개발을 통한 맑고 깨끗한 환경유지에 의하여 인류의 궁극적 목표인 삶의 질 향상을 달성할 수 있다고 판단된다. 또한 환경생명공학 연구 및 기 술개발은 환경생물산업의 발전은 물론이고 생물 산업의 전반적 활성화를 통하여 국가 경제발전에 기여하게 된다.
4)박종식, 김태용. 2001. 무한한 가능성, 환경산업. 삼성경제연구소, 서울.