일본산업뉴스요약

1~2년만에 미생물 품종 개량 가능
스마트셀 개발에 스카라 로봇과 양자계산 활용 1부

미생물 등을 이용해 목적 물질을 생산하는 바이오 제조. 그 첫 번째 열쇠는 유전자 변형 등으로 품종 개량을 거듭해 높은 기능을 부여한 세포, ‘스마트셀’의 존재다. 자연 상태 균주(wild strain, 야생주)로는 사업화가 어렵기 때문에 생산 효율을 인위적으로 높일 필요가 있다. 다만, 미생물의 품종 개량은 개발에 10~20년 걸리기 때문에, 과감한 투자가 이루어지지 않는 요인이 되고 있다.

그러나 이제는 1~2년이면 개발할 수 있는 환경이 갖추어지고 있다. 미생물의 최적 대사 경로를 탐색하는 계산 기술이나, AI 등 기계학습을 활용한 패턴 추출과 같은 분석 기술이 발전했다. 수작업 영역에서도 수평 다관절 로봇(스카라 로봇)을 활용한 자동화가 진행되고 있다. 마지막으로는 양자계산을 사용한 세포 내부의 분석 기법까지 나왔다.

-- 스마트셀 개발, 고베대학발 스타트업 기업이 견인 --
유전자 변형 등으로 스마트셀을 개발하기 위해서는 ‘어떤 유전자나 효소가 결과 개선에 영향을 미쳤는가?’에 대한 정보가 필수적이다. 유전자 변형 균주(개변주)를 여러 차례 다시 만들고, 검증을 반복해야 비로소 경향이 보이기 시작한다. 구체적으로는 ‘Design’(미생물의 개변(변이) 전략을 설계), ‘Build’(유전자 변형 등으로 유전자 변형 균주를 제작), ‘Test’(배양해서 결과를 평가), ‘Learn’(기계학습 등을 통해 패턴 추출)을 반복한다. 머리글자를 따서 DBTL 사이클이라고 부른다. 얼마나 빨리 이 사이클을 돌릴 수 있는가가 스마트셀의 개발 기간 단축으로 이어진다.

이 DBTL 사이클에 특화된 스마트셀 개발 기업이 있다. 고베대학발 스타트업 기업 Bacchus Bio innovation(고베시, 이하 Bacchus)이다. 고베대학에서 20년 이상 바이오 기술 분야의 교수로 재직한 곤도(近藤) 씨가 2020년에 설립했다. 2024년부터는 대표이사 사장 겸 CEO로서 Bacchus를 이끌고 있다.

Bacchus의 강점은 바이오 정보의 디지털화와 미생물 설계의 자동화에 있다. 예를 들면, 효소 반응을 수열과 같은 '행렬 계산'을 통해, 목적 물질에 도달하는 최적의 대사 경로를 제안하는 자체 알고리즘을 보유하고 있다. 또한 대장균이나 효모 등을 숙주로 하여, 유전자 부품군으로부터 해당 대사 경로를 구축하기 위해서 개변한 미생물을 제작하는 기술도 보유하고 있다.

구체적인 사례로, 종이용 펄프를 사용한 바이오 제조 프로젝트가 있다. 미생물의 주요 영양원인 당액(글루코스 등)을, 펄프에 다량 포함된 셀룰로오스로부터 분해하여 생산하고, 스마트 셀을 사용해 항공연료(SAF)나 수지 원료 등을 생성하는 시도다. 곤도 씨는 “이미 식림에서 제지까지 지속 가능한 공급망이 구축되고 있어 상업화의 승산은 비교적 높다”라고 말한다.

과제는 그 첫 단계인 셀룰로오스 분해에 비용이 든다는 점이다. 당액을 직접 생산할 수 있는 사탕수수에 비해 공정도 하나 더 많다. 비용절감을 위해서는 분해효소인 셀룰라아제를 저렴하고 대량으로 확보할 필요가 있다.

그러나 현재로서는 미생물에 의한 셀룰라제의 양산화는 특정 곰팡이(Trichoderma)나 고초균(Bacillus)에서만 실현 가능하며, 게다가 해외 수입에 의존하고 있다고 한다. 다만 해저 침목이나 흰개미 몸속 등에는 더 효율적으로 분해할 수 있는 미생물이나 효소가 또 있을 가능성은 있다. 곤도 씨는 “기대할 만한 것은 대장균이나 효모 등에 도입될 것이다. 숙주와의 궁합도 있어 장벽은 높지만, 국내에서 공급할 수 있도록 하고 싶다”라고 말한다.

-- 시마즈의 자율형 실험시스템, 스카라 로봇으로 24시간 가동 --
디지털 영역뿐만 아니라 수작업 영역에서도 자동화가 진행된다. 그 중 하나로 시마즈제작소는 스카라 로봇을 활용한 자율형 실험 시스템을 개발했다.

시마즈제작소는 자사가 강점을 가진 검사 기기(크로마토그래프)를 로봇에 대응시키는 한편, 여러의 기기와 연동시킨 제어 시스템을 구축했다. 이를 통해 유전자 변형 균주의 제작부터 배양 조건의 변경, 인큐베이터를 이용한 다검체 소규모 배양, 크로마토그래프에 의한 시료 분석, 냉각 보존까지 일련의 동작을 모두 자동으로 실시한다.

내용 자체는 인간이 지금까지 해오던 작업의 자동화이며, 개별 공정의 동작 속도만 비교하면 수작업이 더 빠르다. 그러나 로봇은 야간이나 휴일에 관계없이 24시간 연속으로 작업할 수 있다.

또한 사람이 작업할 경우, 예를 들어 5~6종류의 배지를 혼합하는 등 처리 대상이 많아질수록 실수 가능성도 높아진다. 하지만 로봇이라면 오류 없이 반복 작업이 가능하다. 시마즈제작소의 기반기술연구소 AI솔루션유닛로보틱스그룹의 도모노(伴野) 그룹장은 “최근 실증에서, 사람에 비해 처리 기간을 절반 이하로 단축할 수 있었던 사례도 있었다”라고 밝혔다.

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