합성생물학(Synthetic Biology)은 현재까지 알려진 생명정보와 구성요소를 바탕으로 기존 생명체를 모방하여 변형하거나, 기존에 존재하지는 않았지만 생물의 구성요소와 시스템을 인공적으로 설계하여 구축하는 학문을 말한다.

합성생물학은 생체 고분자의 조합을 연구 수단으로 하는 연구개발 영역이다. 합성생물학의 접근방식은 크게 top-down과 bottom-up으로 나뉜다. 전자는 주로 게놈 편집 기술 등에 의해 세포를 재설계하는 것이며, 후자는 주로 세포를 구성하는 생체 분자 및 그것을 개변한 분자를 사용하여 현재의 생명의 규격을 뛰어넘는 인공 생체 고분자 또는 세포의 기능ㆍ성질의 일부를 가진 인공 분자 시스템(인공 세포)을 구축하는 연구 영역이다.

그중 인공 세포는 주로 세포를 구성하는 (천연) 생체 분자를 사용하여 세포의 기능ㆍ성질의 일부를 가진 분자 시스템을 구축하는 연구이다. 이학적인 연구의 의의를 말하자면, 구성적인 접근방식을 통한 세포 시스템의 이해이다.

단순한 모델 생물인 대장균조차 수천만 개 이상의 분자로 구성되어 있음에도 불구하고 불과 20분이면 자가 복제를 정확하게 만들어낸다. 또한 내부 상태를 변화시킴으로써 다양한 환경 조건에 적응하며 생육한다. 이러한 경이로운 자기 복제 능력, 환경 적응 능력은 어떠한 메커니즘으로 구성되어 있는지, 또 어떻게 탄생한 것인지 확인할 필요가 있다.

자기 복제 능력, 환경 적응 능력을 가진 인공 세포를 바텀 업으로 만들어내게 되면, 이러한 성질을 가진 분자 시스템을 구축하는 충분한 조건이 밝혀진다. 그에 더해 해당 연구 영역에서는 비생물에서 생물을 구축하기 때문에, 비생물과 생물의 경계를 명확히 할 수 있을 것으로 기대된다.

공학적 관점에서는 천연 세포에 대한 시스템 설계의 자유도 및 모듈성이 높다는 점이 기대를 받고 있다. 인공 세포는 이미 알려진 물질로만 구성되어 있기 때문에, 구성 성분을 자유자재로 조정할 수 있다. 이러한 이점을 살리면, 원리적으로는 인공 세포에 원하는 기능을 부여할 수 있다.

첨단 기술을 적용해 사람의 세포와 유사한 인공 세포를 만들기 시작했다. 2018년 11월, 미국 캘리포니아대학의 생화학자 닐 드바라(Neal Devaraj) 교수 연구팀이 UCSD 연구진과 공동으로 사람의 진핵세포를 대신할 수 있는 합성 진핵세포(synthetic eukaryotic cell)를 만들고 있다고 사이언스지를 통해 보도했다.

진핵세포(eukaryotic cell)란 세포 내에 진정한 의미의 핵을 가지고 있는 세포를 말한다. 원핵생물을 제외한 원생생물계, 동물계, 식물계, 균계 등의 모든 생물들은 이 진핵세포를 가지고 있다. 이 진핵세포는 지질막(lipid membrane)으로 구성된 핵막으로 둘러싸여 있다. 연구팀은 지질막 대신 플라스틱인 아크릴산염 중합체(polymerized acrylate)를 원료로 살아 있는 세포와 유사한 핵막을 만들어내는데 성공했다.

세포를 만드는 연구의 중요성은 일찍부터 의논되었고, Szostak, Deamer, Luisi 등이 그 초기에 중심적인 역할을 했다. 이 분야의 최종적인 목표 중 하나는 자율적으로 복제하는 인공 세포의 제작이다. 그러려면 세포의 내용물을 가두는 역할을 하는 구획(세포막)을 복제하고, 유전자 정보를 복제하는 등의 두 가지 사상이 동기화되어 일어나는 시스템을 구축해야 한다. 구획과 유전 정보 복제를 재구성하는 연구는 지금도 성행하고 있다.

구획의 복제와 관련해서는, 지방산을 추가하면 인지질로 이루어진 구획(리포솜)이 성장 분열한다는 Luisi의 초기 연구에서부터, 최근에는 인지질보다 단순한 지방산으로만 이루어진 구획의 복제가 보고되고 있다. 유전자 복제와 관련해서는, RNA 월드 가설을 실증하고자 자기 복제하는 RNA를 만들어내려는 시도가 오랫동안 이루어지고 있다.

RNA를 연결하여 붙이는 리가제의 발견에서 시작되었고, 그들이 최적화되어 100염기 정도의 RNA 분자를 늘릴 수 있게 되었다. 하지만 자기 복제하는 RNA를 만들어내지는 못하고 있으며, 100염기를 연결하는 RNA를 만들어내는 데에만 20년 이상의 세월이 걸렸기 때문에, 원시 지구에서는 RNA만이 아니라 다른 분자도 자기 복제에 관여했을 가능성이 있다.

실제로 펩타이드의 존재가 리보자임의 활성을 눈에 띄게 향상시킨다는 사실이 밝혀졌다. 그에 더해 구획과 유전 정보의 복제를 동기화하지는 못하였고, 현재로서는 지질 및 지방산의 구획 내에서 RNA 복제 반응을 수행한다는 것을 제시하는 데에 그치고 있다. 이러한 연구는 비효소적으로 화합물에서만 자기 복제하는 인공 세포를 만드는 시도이며, 원시 지구에서 일어났을 생명의 탄생 과정을 해명하는 중요한 연구이다.

한편 최근에는 천연에 존재하는 효소 등 원시 지구에는 존재하지 않았던 재료를 사용하여 인공 세포를 만들어내려는 시도가 왕성하게 이루어져, 이러한 방향성의 연구가 주류를 이루고 있다.

재료를 고집하지 않고 인공 세포를 만드는 연구에는 두 가지 의의가 있다. 하나는 원재료는 다르지만 원시 지구에 있을 법한 생명체의 일부의 특징ㆍ성질을 가진 세포를 만들고 그 특성을 밝힐 수 있다는 점이며, 다른 하나는 기존 세포의 일부 성질을 꺼내어 실험실에서 재구성한 인공 세포를 자세히 조사할 수 있다는 점이다. 둘 다 바텀 업으로 만든 인공 세포이기 때문에 구성 요소를 자유자재로 조절할 수 있고, 따라서 구성 요소와 세포 전체의 성질의 관계성을 쉽게 연결 지을 수 있다.

인공 세포를 이용함으로써 생명의 기원이나 세포의 성질에 관한 새로운 지식을 얻게 되어, 연구 사례로서는 RNA 자기 복제 시스템을 구획함으로써 구획화가 기생체를 제거하는 데 효과적임을 시사한 예, 구획 내에서의 유전자 발현이 분자 혼잡 조건 및 구획 크기에 의존한다는 점을 시사한 예, 지질막의 내막과 외막의 지질 조성이 막 단백질의 기능에 미치는 영향을 밝힌 예가 있다.

또한 인공 세포를 사용하여 자율적으로 복제하는 세포 기능의 재현을 목적으로 하는 연구 성과도 많이 보고된 바 있다. 빛에 의해 에너지 지질을 생산하는 인공 세포, 성장하는 구획을 가진 인공 세포, 거대 유전자를 복제하는 인공 세포의 구축 등이 보고되었으며, 조금씩이기는 하지만 자율적으로 자기 복제하는 인공 세포의 구축에 가까워졌다고 상정할 수 있다.

합성생물학의 중심적 과제는 여러 종의 생체 고분자를 천연에는 존재하지 않는 조합으로 집적하는 인공 생명 시스템 구축이다.

효율적인 시스템을 구축하기 위해 생체 고분자를 사용하는 실험을 중시함과 동시에 생체 고분자 시스템의 거동을 수리 모델화하여 사전 설계하고, 실험 결과를 통해 개량의 방향성을 알아내는 과정(DBTL: Design–Build–Test–Learn)이 중시되고 있다. 학제적으로 분야 융합이 요구되는 영역이며, 그렇기 때문에 전문성이 서로 다른 연구자를 집결시킬 필요가 있다.

미국에서는 NSF의 대형 예산에 근거하여 2006년에 설치된 SynBERC가, 비영리 관민 연계체인 EBRC(Engineering Biology Research Consortium)로 재조직되어 적극적인 활동을 펼치고 있다.

영국에서는 맨체스터의 SYNBIOCEM을 비롯한 6개의 연구소로 이루어진 National Synthetic Biology Research Centres를 조직화하였다.

아시아 지역에는 공학친화적인 성질이 강한 Asian Synthetic Biology Association(ASBA)이 조직되었다.

또한 인공 세포 연구에서는 Build-a-Cell(미국), BaSyC(Building a Synthetic Cell)(네덜란드), MaxSynBio(독일), fabriCELL(영국) 등의 인공 세포 구축을 목적으로 하는 컨소시엄 및 관련 교육 프로그램이 해외에서 잇따라 설립되고 있다.

한편, Frost & Sullivan에 따르면, 세계 합성생물학의 시장규모는 2018년 42억 7,000만 달러(약 5조 2,700억 원)에서 2023년에는 104억 9,000만 달러(약 12조 9,000억 원)로 증가할 것으로 예상했으며 2023년까지 연평균성장률은 19.7%에 이를 것으로 전망된다.

단기적으로는 천연물이나 석유 화학물질을 대체하여 유용물질을 생산하는 연구 방향으로 진행되고, 장기적으로는 정교한 유전자편집 기술을 이용한 개인 맞춤형 유전자 치료의 응용연구로 발전할 것으로 예측되고 있다.

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