최전선 바이오연구 현장 ‘Laboratory’ 

실험실(Laboratory)은 연구자가 연구 활동을 수행하는 공간이면서, 획기적 발견과 핵심 원천기술 개발이 이루어지는 현장이다. 실험실의 바이오 연구는 사람의 실수(Human Error)와 실험적 오차(Technical Error)로, 유의미한 결론을 위해 반복적 실험 수행이 필요하고, 이로 인해 바이오의 고질적인 고비용-저효율 문제에 직면하게 된다. 또한 연구자 숙련도에 따른 낮은 재현성 문제, 비효율적 데이터 관리로 낮은 데이터 재사용의 문제 등은 바이오 연구의 효율성과 정확성을 전반적으로 낮추고 있는 대표적 요인으로 생각된다.

이러한 바이오 연구의 비효율성을 극복함과 동시에, 최근 글로벌 바이오경제와 과학기술 패권경쟁, 바이오안보 이슈를 대비하는 새로운 바이오 전략 준비가 필요하다. 특히 바이오 분야의 디지털전환(Digital transformation)을 통해 AI-데이터 기반으로 연구개발의 시간을 단축하고, 높은 효율과 재현성을 갖도록 할 수 있는 디지털바이오를 기반으로 한 첨단바이오 분야가 관심을 받고 있다.

첨단바이오 이니셔티브

‘첨단바이오 이니셔티브’는 글로벌 경제·안보 패러다임을 급속하게 바꿀 3대 게임 체인저 과학기술 중 하나로 많은 전문가들의 참여를 통해 초안이 만들어졌으며, 2024년 4월 25일 국가과학기술자문회의를 통해 발표되었다. 핵심 목표는 디지털바이오 육성, 바이오제조 혁신, 바이오의료 혁신, 인류 공동난제 해결에 있으며, 전체 목표를 관통하는 핵심 메시지는 디지털바이오 전략이라고 볼 수 있다. 바이오기술과 데이터융합을 통한 바이오의 디지털 전환으로 연구개발의 효율을 높이고, 산업화를 촉진하는 전략이 수립되었다. 

디지털바이오 전략

‘디지털바이오’는 생명과학과 디지털/AI 기술이 결합된 데이터 기반 첨단바이오의 새로운 전략이다. 바이오 데이터와 인공지능(AI)을 결합하여 신약 개발, 유전자세포 치료, 정밀의료 및 질병 예측, 바이오제조, 기후 및 식량 해결 등을 혁신하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 고품질의 바이오 데이터를 확보하고, 바이오정보기술과 AI를 이용하여 연구개발 기간을 단축하고, 스마트화를 통해 비효율적인 연구프로세스를 효율화하는 한편, 실험적 오차가 용인되어온 바이오 연구, 제조 공정에 공학적 접근을 접목하면서, 바이오연구의 정밀화, 표준화를 강화하는 것을 전략으로 삼고 있다. 이러한 전략은 AI 기반 플랫폼을 기반으로 정밀조기진단, 정밀의학, 맞춤형 표적치료제 개발을 앞당길 수 있는, 바이오의 새지평을 열 수 있는 돌파구를 마련해 줄 것으로 믿는다.

예를 들어, 구글 딥마인드의 알파폴드를 통해 단백질을 포함한 분자구조의 규명과 생성형 AI를 이용한 합성단백질의 최적 설계 플랫폼을 통해 신약 개발의 혁신을 이끌고 있으며, IBM, 엔비디아, 메타, 마이크로소프트 등 IT 공룡기업에서도 대규모 투자에 나서고 있다. mRNA백신으로 글로벌 제약회사로 발돋움한 모더나(moderna)는 긴코(Ginko) 바이오파운드리를 통해 최적의 mRNA 백신 서열과 구조를 짧은 시간에 설계하고, FDA 긴급 승인을 받을 수 있는 계기를 마련하였다. 국내에는 최근 ‘국가통합바이오빅데이터구축’ 사업을 통해 임상, 유전체데이터로 구성된 바이오빅데이터를 수집하고 분석하는 체계를 마련하고 있으며, 이를 통해 환자 개인맞춤 정밀의료 및 정밀치료제 개발에 나설 예정이다.

대한민국 바이오제조 혁신

글로벌 바이오산업 규모는 2000조 원을 넘어서, 이미 반도체, 자동차, 이차전지 산업을 합친 규모보다 큰 시장을 형성하고 있다. 반면 대한민국 바이오산업은 연평균 10%의 높은 성장을 보이고 있지만 여전히 글로벌 시장의 2% 수준에 머무르고 있다. 미래 대한민국 차세대 먹거리가 바이오에 있다는 것이 허황된 얘기는 아닐 것이다. 이를 위해 우리가 할 수 있는 것은 첨단바이오에 대한 집중적인 투자와 더불어 바이오제조 혁신의 핵심인 첨단바이오 소재와 합성생물학과 바이오파운드리 기반 스마트 제조기술 육성에 집중하는 것이라 할 것이다. 특히, 합성생물학을 기반으로 핵심 바이오 부품의 최적 설계 기술을 개발하고, 미생물, 동물세포 등 다양한 플랫폼을 이용한 바이오 의약품 소재, 바이오 플라스틱 소재, 스마트 바이오센서 기술 개발이 핵심 미션으로 꼽히고 있다. 다양한 바이오 소재와 부품을 효율적으로 생산할 수 있는 첨단 제조 인프라인 바이오파운드리는 Design-Build-Test-Learn(DBTL) 순환에서 데이터, AI, 로보틱스를 기반으로 바이오 제조의 고속화 및 자동화, 스마트화를 실현함으로써 연구 결과를 빠르게 산업화 하는데 중요한 역할을 할 것으로 기대하고 있다.

2025년부터 정부는 5년간 대전 한국생명공학연구원 부지에 공공바이오파운드리를 구축하고 바이오제조 혁신을 위한 인프라 구축에 나설 예정이다. 이것이 구축되는 5년 후에는, 바이오의약품 등 고부가 가치의 바이오소재 개발과 생산을 위한 연구용 플랫폼이 구축되어, 고부가가치 바이오 신소재의 혁신적인 제조 방식을 도입하고, 연구개발 비용과 기간을 획기적으로 단축시킬 것으로 기대하고 있다.

바이오의료 혁신과 인류 공동난제 해결

첨단바이오 이니셔티브의 바이오의료 혁신은 첨단바이오 기술인 유전자세포치료, 유전자편집, 차세대약물전달, 정밀의료, 차세대 신약모달리티, 노화극복 등을 통해 국민의 건강한 삶을 보장하면서, 글로벌 바이오의약품 원천기술 개발을 목표로 하고 있다. 이를 위해 멀티모달 유전자 편집 기술, 신개념 차세대 약물 전달, 첨단재생의학 등 혁신기술의 개발이 필요할 것으로 보인다.

또한, 디지털바이오 전략과 접목되어 디지털 헬스케어 기기와 맞춤형 정밀의료 치료제를 개발하여 개인 맞춤형 의료 서비스를 개발하는 것이 주요 혁신안으로 제시되었다. 특히, AI 기반 헬스케어 플랫폼을 통해 환자의 건강 상태를 모니터링하고, 데이터 분석을 통해 최적의 치료 방법을 제시함으로써, 개인 의료 서비스의 질을 향상시키고, 국민의 건강한 삶을 지원할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

첨단바이오 이니셔티브는 기후변화, 식량 부족, 감염병 등 인류가 직면한 공동의 난제를 해결하는 것을 목표로 한다. 탄소중립, 바이오 에너지 소재를 개발하여 탈탄소 전환을 가속화하고, 첨단바이오 농수산업 혁신을 통해 식량 안보를 확보하는 기술을 개발하는 지원을 계획하고 있다. 예를 들어, 생분해성 플라스틱, 바이오디젤, 인공광합성 기술 등이 대표적인 사례로 생각될 수 있다.

첨단바이오 이니셔티브, 미래 바이오혁신을 꿈꾼다

첨단바이오 이니셔티브는 바이오 기술의 혁신을 통해 인류의 복지와 안전을 증진시키고, 글로벌 바이오 강국으로 도약하는 비전을 가지고 있다. 특히, 디지털바이오, 바이오제조 혁신, 바이오의료 혁신, 인류 공동난제 해결이라는 네 가지 주요 목표를 달성하기 위해 다양한 실행 프로그램을 통해, 우리나라가 미래 바이오의 중심으로 자리매김할 수 있기를 기대한다.

한편, 첨단바이오 이니셔티브의 실천을 통해 현재 바이오 연구 실험실(Laboratory)의 큰 변화가 생겨나길 희망한다. 연구자가 로봇연구자와 함께 연구하는 실험실, 빅데이터 기반의 가설 생성 AI, 스스로 진화하는 실험자동화 장비와 프로토콜, 반복실험이 필요없는 고정밀 실험시설, 대규모 실험시설이 클라우드로 연결되는 환경, 연구 활동이 자동으로 기록되고 연구노트와 연구장비가 자동으로 연결되는 환경 등은 우리가 꿈꾸는 미래 스마트 첨단바이오 실험실(Automatory)일 것이다. 학령인구 감소와 글로벌 경쟁에서 과학이 살아남기 위해, 창의적이고, 혁신적인 바이오 연구를 지속적으로 수행하기 위해, 첨단바이오는 거스를 수 없는 대세이다.