지난 해 우리는 코로나19로 인해 업무 방식이나 생활 방식을 모두 혁신하고 변화시켜야 하는 상황에 놓였는데요. 많은 부분들이 디지털 공간으로 이동하면서 포스트 코로나 이후에는 비접촉 인터페이스 및 디지털 인프라 확대, 원격진료, 로봇 의존도 증가가 불가피할 전망입니다.

또한 우리 인류는 코로나19를 통해 백신개발의 역사를 다시 쓰고 있습니다. 통상 15년 이상 소요되던 기간이 10~18개월로 단축된 것이죠. 이러한 성과는 지금까지 인류가 발견하고 개발해 온 생명과학 연구성과와 바이오 기술의 집합체라고 볼 수 있습니다. 앞으로 이러한 기술혁신은 감염병뿐만 아니라 바이오 기술, 바이오산업 전반에 영향을 미칠 것으로 예측되고 있습니다.

이번 포스팅에서는 생명공학정책연구소가 최근 발행한 ‘2021 바이오 미래유망기술’ 연구보고서를 통해 다가오는 바이오경제시대와 4차 산업혁명을 대비하여 바이오 분야의 미래유망기술에 대해 소개하고자 합니다.

바이오 미래유망기술이란

바이오 미래유망기술은 생명현상 연구(생명과학)를 기반으로 향후 5~10년 이내에 기술적 또는 산업적 실현이 가능하고, 향후 기술적 혁신성, 산업적 혁신성 및 사회문제 해결가능성에 대한 파급효과가 높게 전망되는 기술을 말합니다.

[미래유망기술 파급효과 정의]

이미 해외의 세계경제포럼(WEF), MIT, 가트너(Gartner), 맥킨지(Mckinsey), 테크캐스트(Techcast) 를 비롯하여 국내에서는 한국과학기술기획평가원(KISTEP), 한국과학기술정보연구원(KISTI) 등이 미래유망기술 또는 전략기술을 발표하고 있는데요.

특히 세계경제포럼(WEF)가 지난 해 발표한 ‘10대 미래유망기술’에는 바이오 분야가 큰 비중을 차지했습니다. 마이크로니들(Microneedles), 가상환자(Virtual Patients), 디지털 의료(Digital Medicine), 저탄소 시멘트(Low-Carbon Cement), 전체 게놈 합성(Whole-Genome Synthesis) 등 총 5개의 바이오와 관련된 기술이 미래유망기술로 선정되었습니다.

미국 MIT 역시 테크놀로지 리뷰(Technology Review)를 통해 ‘2020년 10대 혁신기술’을 발표했는데요. 초고도화 맞춤 의약(Hyper-personalized medicine), 항노화 신약 (Anti-aging drugs), 새로운 분자를 찾아내는 인공지능 기술(AI- discovered molecules) 등 총 3개의 바이오 관련 기술이 포함됐습니다.

또한 국내에서도 한국과학기술기획평가원(KISTEP)이 2020년 바이오 관련 기술로 실시간 건강 모니터링 기술을, 한국과학기술정보연구원(KISTI)이 선도형 미래유망기술과 유망 사업화 아이템을 발표하면서 바이오 관련 아이템으로 디지털 헬스, 바이오 보안, 현장 진단기기, 접촉자 추적 시스템 등을 선정했습니다.

이러한 국내외 흐름에 맞춰 생명공학정책연구센터에서는 바이오 분야의 연구 개발을 선도할 수 있는 미래 유망 기술 도출 방법을 정립하고, 이를 통해 사회·경제적 혜택을 극대화할 수 있는 바이오 미래유망기술 발굴하고자 여러 단계를 거쳐 2021 바이오미래유망기술 10개를 발표했습니다.

2021 바이오 미래유망기술

생명공학정책연구센터는 혁신적 연구성과 분석, 전문가 자문 등을 거쳐 2021 바이오 미래유망기술을 선정했는데요. 바이오 전 분야를 선도한다는 관점에서 플랫폼(Platform), 레드(Red), 그린(Green), 화이트(White) 바이오 분야별 미래유망기술을 도출했습니다.

플랫폼(Platform) 바이오 기술

기초·생명과학/공통기반 기술에 해당하는 플랫폼 바이오 부분에서는 생물 유래 화학다양성 확보 기술(Chemical diversity in nature)과 개인 맞춤형 체외 면역시스템(in vitro personalized immune system), 인공지능 기반 단백질 모델링(AI based protein modeling) 기술이 선정되었는데요.

생물 유래 화학다양성 확보 기술(Chemical diversity in nature)은 심해 등 극한 환경에서 살아가는 생물과 그 안에 함께 있는 마이크로바이옴이 생산하는 다양한 물질을 확보하는 기술로, 그간 인류가 접근하기 힘들었던 극한 환경 속 생물로부터 화학다양성 확보를 통해 발굴한 새로운 천연물질은 신개념 항생제 등 신약 및 혁신 바이오소재 개발에 활용될 수 있습니다.

또한, 개인 맞춤형 체외 면역시스템(in vitro personalized immune system)은 개인 맞춤형 오가노이드(organoid: 미니 장기, 유사 장기)에 면역세포 공배양 등을 통해 체외에서 개인의 면역체계를 모사하는 기술인데요. 개인별 면역 특성이 반영된 체외 시스템을 통해 면역반응의 기초연구부터 개인 맞춤형 치료제 개발, 효과적인 백신 개발에 기여할 것으로 기대됩니다.

마지막으로 인공지능 기반 단백질 모델링(AI based protein modeling)은 분자물리학적 접근방법과 딥러닝 인공지능을 활용하여 단백질 구조뿐만 아니라 세포 내 단백질 작용을 예측하는 기술로 단백질 간의 네트워크 규명을 통해 그간 알지 못했던 생명현상을 밝힐 수 있고, 신속한 약물표적 발굴을 통해 신약개발의 생산성을 향상시킬 수 있습니다.

레드(Red) 바이오 기술

의약품 등 보건의료에 속하는 레드(Red) 바이오 분야에서는 ‘합성 면역(Synthetic immunity)’, ‘단일세포 교정기술(Single cell repairing)’, ‘나노백신/나노항체(Nanovaccine/Nanobody)’ 기술 등 총 3개의 기술이 선정되었는데요.

합성 면역(Synthetic immunity) 기술은 유전적으로 면역회로를 합성하여 면역세포의 활성을 높이거나 면역물질 생성을 조절하는 기술입니다. 기존 면역세포 치료의 효능을 극대화하고, 사이토카인 방출 증후군과 같은 부작용에 대한 한계를 극복하여 감염병, 암 및 다양한 질환 치료제 개발에 활용이 가능하다는 장점이 있습니다.

이 기술을 통해 향후 5년 안에는 암과 감염병 등 질환 타겟팅 면역세포 및 사이토카인 엔지니어링 기술 개발, 환자별 최적화된 고효율 항암 면역세포치료제 개발 등이 가능할 것으로 보이고, 향후 10년 안에는 해당 기술의 고도화 및 상용화가 이루어져 다양한 암, 감염병, 자가면역질환, 퇴행성 질환 등 각종 질환에 적용될 것으로 전망되는데요. 이를 통해 코로나19와 같은 팬데믹 감염병과 현대 의학으로 치료가 어렵고 재발율이 높은 난치성 암에 대한 미충족 의료수요를 해결함으로써 사회적 비용을 절감하고 전체적인 삶의 질 향상에 기여할 것으로 기대됩니다.

다음으로 단일세포 교정기술(Single cell repairing)은 유전자 교정기술 등을 활용하여 단일세포 수준에서 질병을 치료하는 기술로서, 조직을 치료 대상으로 할 경우 발생하는 낮은 유전자전달, 면역반응, 교정효율과 세포 이질성의 문제를 극복하고 효율적이고 안전한 치료가 가능하게 하는 장점이 있습니다.

이 기술은 개인맞춤형 치료를 통한 안전하고 효과적인 치료법의 개발이 요구되고, 급성장 중인 세포치료/ 유전자치료 등 첨단바이오의약품 시장의 대응 및 유전질환자와 같은 사회적 약자에 대한 안전한 치료제 수요 증대 등으로 인해 기대를 모으고 있는데요.

향후 5년 안에는 면역세포 및 조혈모세포를 대상으로 하는 항암 치료제 개발이 가능할 것으로 보이며, 향후 10년 안에는 대사질환, 신경질환, 유전질환 등 질환의 확대 적용, 동종이식, 유전자교정 줄기세포 등 치료제의 다양화가 실현될 것으로 보입니다. 이를 통해 단일세포 기반의 항암, 재생의학, 유전질환치료, 감염질환 치료제 산업의 확대 및 차세대 바이오산업 경쟁력 확보가 가능하여 사망률 상위 질환에 대한 치료 확대로 인한 건강사회를 구축하고, 근본적 치료제가 없던 희귀유전질환자의 삶의 질이 높아질 전망입니다.

마지막으로 나노백신/나노항체(Nanovaccine/Nanobody) 기술은 나노구조체 표면에 다량, 다종의 항원을 노출시키거나, 기존 항체보다 작고 효과적인 치료제를 제작하는 기술을 말하는데요. 이 기술을 활용하게 되면 크기가 작아 안정성, 용해도가 높고, 제조하기 용이하며, 조직 침투력이 높아 기존의 백신/항체치료제의 타겟이 되지 못하는 틈새 치료 영역에 적용이 가능합니다.

이를 활용하기 위해서는 나노백신/나노항체 관련 국내 기술경쟁력 확보 및 고도화 기술개발 필요한 상황입니다. 이를 위해 국제특허 출원 등 국제경쟁력의 확보를 위해 신속한 대응, 관련 규제완화를 통해 백신, 치료제를 보다 신속하게 개발하기 위한 기반 마련, 높은 시장 실패 가능성을 고려한 정부지원이 필수 요인으로 꼽힙니다. 또한, 현재는 산발적인 연구가 지속되고 있어 국가 차원의 전략과 지원이 필요하며, 연구자 간 네트워크를 통하여 기술개발 효율성 제고가 필요한 상황입니다.

그린(Green)·화이트(White) 바이오 기술

이외에도 식품, 종자 등 바이오 농업에 속하는 그린(Green) 바이오 기술과 에너지, 소재 등 바이오 화학에 속하는 화이트(White) 바이오 기술에는 각각 세포배양 축산 기술(Cellular agriculture), 식물 마이크로바이옴 엔지니어링 기술(Plant microbiome engineering)과 친환경 고분자 생산 미생물(Eco-friendly polymer producing microbe), 빅데이터 기반 생태건강성 평가 기술(Ecological health assessment using bio big data)이 선정되었습니다.

2021 바이오 미래유망기술에 거는 기대

지금까지 10개의 바이오 미래 유망 기술을 살펴봤는데요. 이 중 개인 맞춤형 체외 면역시스템(in vitro personalized immune system), 합성 면역(Synthetic immunity), 나노백신/나노항체(Nanovaccine/Nanobody), 세포배양 축산 기술(Cellular agriculture, 친환경 고분자 생산 미생물 기술(Eco-friendly polymer producing microbe) 등 5개 기술은 바이오 미래 유망 기술인 동시에 포스트 팬데믹 대응 기술이기도 합니다.

현재 전 세계를 혼란 속으로 몰아넣은 코로나19는 아직도 현재 진행형으로, 코로나19 뿐만 아니라 포스트 팬데믹을 대비할 수 있는 혁신기술은 바이오 미래유망기술의 집합체가 될 것으로 예상되는데요.

총 10개의 바이오 미래 유망 기술은 사회·경제적 혜택을 극대화할 수 있는 기술들로 구성되어 바이오 분야의 미래 비전을 제시하고, 미래 니즈에 사전 대응하는 데 도움이 될 것으로 기대됩니다.

이러한 바이오 미래유망기술이 우리나라 제약·바이오 분야의 방향 설정 및 비전을 제시할 수 있는 작은 씨앗이 되어 K-제약·바이오가 앞으로 더욱 승승장구 하기를 응원하겠습니다.

※ 출처 : 생명공학정책연구센터, BioINsay No. 55 「2021 바이오 미래유망기술」, 2021.2.