국내에서도 '완전한' 신물질이 개발될까? 최근에는 유전공학기법과 미생물공학기법을 적절히 활용한 새로운 기법이 각광받고 있다.
지난 해는 필자에게 잊을 수 없는 한해였다. KRF001이라는 신물질 창출을 우리 연구팀이 해낸 것이다. 운 좋게도 불가 1년여의 연구결과였다. 신물질이 확인된 순간 필자의 뇌리에는 실로 여러 가지 생각들이 스쳤다.
18년 간의 미국생활을 마감하고 귀국한 것은 국내의 과학기술에 조금이나마 일조하고 싶은 소박한 마음 때문이었다. 자녀들의 교육문제 주택문제 등 걸리는게 많았지만 조국의 부름에 응할 때는 가슴이 설레였다.
그러나 막상 연구를 시작하자 막막한 기분이 들었다. 연구여건이나 연구비 등이 너무도 미약해서 이런 환경에서 '작품'이 탄생할 수 있을까 하는 회의가 들었던 것이다. 물론 이런 생각은 곧 극복되었다. '이가 없으면 잇몸으로'라는 결의로 의욕을 가지고 몰두해 들어갔다.
그 결과가 바로 KRF001이란 신물질이다. 신물질임을 인정받으려면 당연히 검증을 거쳐야 했는데 이때의 속탐은 경험해 본 사람만이 알 것이다. 당시 우리 연구팀은 KRF001을 벼도열병 치료에 적용했다.
그런데 작년 6월에는 이상한파때문에도 열병이 거의 발생하지 않았다. 농민들에게는 안된 얘기지만 병이 퍼져 주어야 실험결과를 얻을텐데…. 또 신물질을 논에 뿌려놓으면 장대비가 내려 깨끗이 씻어버리기 일쑤였다. 7월까지 실험을 끝내지 못하면 다시 1년을 기다려야 했기에 나는 마음 속으로 간절하게 기원했다. "제발 비를 멈추게 해 주세요." 하늘이 이 기도를 받아들였음인지 실험은 무사히 끝났다. 대체로 만족할만한 결과를 얻은 것이다.
아직 국내에서 개발된 '완전한' 신물질은 없다. 세계적으로 조금도 알려진 바 없는 진짜 획기적인 신물질은 등장하지 않았다는 얘기다. 잔기 등을 바꿔 조금 새롭게 한 '불완전' 신물질들은 나오고 있으나 이들은 '완전' 신물질에 비해 상품가치도 적다. 이미 유사한 것들이 판매되고 있으므로 시장이 그만큼 협소하기 때문이다.
10조원 시장을 놓고
완전히 새로운 물질을 만들려면 오랜시간과 많은 연구비가 소요된다. 대체로 검증까지 마치려면 10년 정도의 기간이 필요하다. 개발비용은 미국이 한건당 8백억원, 일본은 3백억원, 한국은 50~80억원 정도 들 것으로 추정하고 있다.
이처럼 많은 투자를 요구하지만 성공하면 국가적으로 큰 이득을 얻을 수 있다. 대개 미국의 이름깨나 있는 회사들은 5년에 2건 정도의 신물질을 선보이는데 이를 통해 한꺼번에 큰 돈을 번다. 스위스의 유수기업에서도 신물질은 달러박스다. 예컨대 산도즈로슈 시바-게이기 등 스위스가 자랑하는 회사들은 각 회사당 1년에 3~5조원 어치의 정밀화학 의약품 농약제품 등을 수출한다. 여기서 얻는 순익은 수출총액의 30% 정도로 알려져 있다. 최근에 개발된 신물질중 크게 히트 했던 물질 2종을 소개한다.
선충 기생충 응애를 죽이는 약으로 개발된 아버멕틴(Avermectin)은 벌써 연간1조원 시장을 확보하고 있다. 토양방선균에서 추출한 이 물질은 독성이 전혀 없고 약제저항성유발이 없는 획기적인 것이다.이 물질은 원래 일본 기타사토연구소에서 10년 전에 발견되었으나 근래에야 미국의 머크(Merck)사가 개발에 성공했다. 역시 머크사가 10년이상 연구해서 개발한 메바코레(Mevacore)는 콜레스테롤 치를 떨어뜨리는 효능을 가진 심장병약인데 곰팡이에서 유래한다.
한편 AIDS치료제는 금세기 최대의 신물질이 될지도 모른다. 이 치료제의 개발이 성공하면 눈앞에 약 10조원의 시장이 펼쳐질 것이다. 개발비용을 빼고도 80%의 순익이 보장될 것으로 보이는 이 한판의 결과가 어떻게 맺어질지 자못 궁금하다. 미국 프랑스 일본 등 각국이 국운을 걸 정도로 치열하게 경쟁하고 있는 것이다.
기타사토연구소와 머크사의 예에서 보듯이 신물질 창출에 있어 가장 앞선 나라는 일본과 미국이다. 40여년 동안 80여종의 신물질을 개발한 기타사토연구소를 갖고 있는 일본은 작은 분자(small molecule)물질 개발에 주력하고 있다. 반면 대분자(macro molecule)물질에서도 미국이 독보적인 영역을 구축하고 있다.
국내에서도 앞으로 5년 이내에 몇개의 완전한 신물질이 등잘할 것으로 보인다. 예측이 크게 벗어나지 않는다면 심장병약이나 세균용 항생물질이 국내최초로 접수되는 '완전한' 신물질이 될 것이다.
신물질 연구, 더욱 절실해져
인류문명의 발달에 커다란 공헌을 해온 원동력은 무엇일까? 그 힘은 자연자원을 현명하게 이용하는 방법을 연구해온데서 비롯된다. 즉 인간은 자원을 이용함으로써 다른 동물들보다 뛰어나게 된 것이다.
자연자원은 크게 둘로 구분할 수 있다. 생명체에서 유래되는 유기물질과 무생물체인 무기물질로 대변할 수 있는 것이다. 특히 유기물질들은 의식주 생활에 꼭 필요한 대부분의 욕구를 채워주었고 풍요한 삶을 누릴 수 있게 해주었다. 물론 무기물질들도 생활을 윤택하게 해주는 수단으로써 커다란 역할을 했지만 유기물질만큼은 못하다.
유기물질이란 본래 식물이나 동물로부터 유래되었거나 이들 재료를 더욱 가공, 새롭게 만들어진 것이다. 흔히 볼 수 있는 것들은 각종 식품원료 의약품 농약 건축재료 섬유 연료 등등. 즉 유기물질은 우리들이 행복하게 살 수 있는 온갖 물질적인 풍요를 보건 식품 주거 연료 및 교통수단 등을 통해 제공해 주고 있다.
이렇게 중요한 역할을 하고 있는 유기물질을 인류는 어떻게 개발해 왔나 하는 과정을 잠깐 살펴볼 필요가 있다. 자연계에는 무한히 많은 식물 동물 그리고 미생물 자원들이 널려 있다. 이들은 모두 유기물질들로 구성되어 있고 또한 많은 유기물질들을 생산하고 변형시키며 살아가고 있다. 어떤 경우 이러한 유기물 생체들은 땅속에 묻혀 석탄이나 석유같은 자원으로 변형되기도 한다.
인류문명의 초기발전 과정에서 사람들은 주변에서 쉽게 구할 수 있는 식물이나 동물자원으로 의식주 생활을 해결했다. 자연에서 쉽게 채취할 수 있는 곡물 과일 동물 물고기 등이 원시인들의 생활을 도와주었던 것이다. 물론 인간의 지혜가 조금 더 발달함에 따라 사람들은 농작물을 경작할줄 알게 되었다. 또 가축을 사육하는 등 보다 풍요한 삶을 누릴 수 있는 터전을 잡아가게 된다.
그러나 우리들의 생활을 급격히 향상 시켜준 계기는 약 70~80년 전부터 일어난 자연과학 기술의 개발에서 찾아볼 수 있다. 자연과학의 발달은 유기화학물질들의 구조 및 형태 그리고 이들의 생화학 또는 화학적 반응법칙을 우리가 이용할 수 있게 해주었다. 이때 사람들은 많은 유기물질들을 자연계의 식물 동물 미생물들로부터 발견했다. 또 이들이 유기 생명체에서 어떠한 역할을 하는가를 배우게 되었다.
아울러 석유나 석탄 등 오랜전의 유기생물체로부터 유래된 자원을 활용, 각종 유기화학물질들을 분리·개발하게 되었다. 그후 이들의 중합체 합성을 통해 새롭고 유용한 소재 물질들을 개발해오고 있는 것이다. 이러한 과정을 통해 우리들은 급작스럽게 물질적으로 풍요한 생활을 누리게 되었다.
아직도 이러한 유용물질 개발 연구는 계속되고 있으며 특히 최근의 현황은 신규물질의 탐색 개발의 필요성이 더욱 요청되고 있다. 지금까지 쉽게 발견되거나 만들 수 있는 물질들은 이미 개발이 끝났고 앞으로 수월하게 개발할 수 있는 물질들의 숫자는 적기 때문이다.
노화억제물질도 얻을 수 있어
이제 신물질을 개발하는 방법에 대해서 잠깐 살펴보자. 새롭고 유용한 물질들은 식물이나 동물 그리고 미생물등의 생체로부터 직접 분리되는 경우가 흔하다. 우리들은 식품 의약 농약 한약재료 등을 통해서 이러한 예들을 관찰할 수 있다. 물론 다른 방법도 있다. 식물 동물 미생물 등의 세포등을 생체 배양기에서 대량으로 배양, 이들 세포로 하여금 유용한 물질을 스스로 생산케 하는 방법이다.
또 유기화학반응법칙을 활용하는 방법도 있다. 즉 간단한 유기물질들의 중간원료들을 이용,보다 유용한 물질들을 창조하는 것이다. 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 대부분의 물질들이 이 유기합성법에 의해 만들어졌다.
최근에는 유전공학 혹은 생물공학이라고 불리는 최첨단 연구기술들의 개발에 힘입어 생물체속에 들어 있는 유전자의 정보를 판독할 수 있게 되었다. 따라서 이를 이용한 신물질들의 생산이 시도되고 있다. 예컨대 암을 치료할수 있는 약, 심장병을 치료할 수 있는 약, 생장호르몬, 노화억제물질 등 첨단물질들이 발견되고 있는 것이다.
유전공학 대(対) 미생물공학
앞에서 말한대로 지금까지는 주로 유기합성 기술에 의한 신물질 창출이 주류를 이루어 왔다. 예로는 각종 석유화학제품 플래스틱 고무 합성섬유 등 수없이 많은 물질들을 들 수 있다.
그러나 최근에는 유기합성에 의한 신물질 창출 가능성이 점점 어려워지고 있다. 대신생명과학의 연구를 통한 신물질 발견작업이 각광을 받고 있는 것이다. 작용 메커니즘을 토대로 한 합리적인 신분자구조 설계 및 유전자 재조합기술을 이용한 신물질 창출의 시대가 다가오고 있다. 따라서 지금부터는 주로 생물과학의 토대에 기초를 한 신물질 창출에 대해 논의해 보고자 한다.
유기물질은 고분자물질과 저분자물질로 대변할 수 있다. 동식물 혹은 미생물로부터는 흔히 저분자물질을 생산할 수 있다. 유기합성도 대부분은 저분자물질의 생산기술.그런데 저분자물질의 중합반응은 합성고분자 물질의 창출을 가능케해준다. 또 동식물이나 미생물들은 저분자물질 외에도 각종 생물중합체물질 예컨대 효소 복합막 등 고분자물질도 생산한다.
한편 유전공학 기술은 주로 복합단백질 구조의 물질을 생산하는데 유용하게 응용될 것이다. 여기서 유래한 신물질들은 앞으로 거의 모든 분야에 쓰일 전망이다. 예컨대 의약 및 보건분야, 식품 및 농수산분야, 환경, 주거문제, 각종 의류, 에너지, 심지어는 컴퓨터센서분야에까지도 새로운 생물공학 제품들이 활용될 것으로 기대되고 있다.
요컨대 최근 급격히 발달되고 있는 최첨단 기술의 하나인 미생물공학이나 유전공학은 우리에게 앞으로 무궁한 발전의 기회를 약속하고 있다. 질병과 기아, 공해로부터 해방시키고 평화롭고 풍요한 삶을 제공해 줄 수 있을 것으로 필자는 확신한다.
저분자물질을 선물하는 미생물
생물공학기술을 이용한 신물질 창출법은 크게 둘로 나눌 수 있다. 첫째는 미생물이나 동식물 단체포 배앙을 통해 저분자물질 또는 고분자물질을 생산하는 것이다. 둘째는 유전공학기술을 이용, 유전인자를 재조합한 후 이를 단세포체계에 집어넣어 유용물질을 생산하는 방법이다. 이 경우 대개는 고분자 단백질 관련물질을 생산한다.
이뭏든 생산에 필요한 매체는 미생물이나 동식물 세포들이다. 이들을 대규모 생체배양기 내에서 배양함으로써 생산이 이뤄지는 것이다.
최근에 급격히 발달되고 있는 최첨단기술인 유전자 재조합에 대해 알아보자. 생물은 세포로 구성되는데 이들 세포속에는 생명현상을 유지하는 모든 정보가 집적되어 있는 유전자가 들어있다. 유전자는 DNA라는 핵산(일종의 화학물질)으로 구성되어 있는데 여기에 모든 생명현상의 정보가 간직돼 있다. 유전자 재조합 연구자들은 동식물이나 미생물자원으로부터 유용한 유전자를 탐색·발견하여 특수한 효소를 써서 잘라낸 후 벡터라 불리우는 매체에 삽입한다. 이러 이를 다시 미생물이나 단세포 구조의 동식물 세포에 옮겨준다. 그런 뒤 삽입된 유용한 유전자가 발현되도록 생체배양기 속에서 배양한다.
현재 이러한 연구를 통해서 많은 고가의 의약품들이 연구개발되고 있다. 예를들면 항바이러스제인 인터페론, 항암제인 인터루킨, 에이즈 저항제인 림프과립구 성장인자 등 수없이 많은 신물질들이 연구개발되고 있다.
미생물자원을 이용하는 유용물질의 탐색은 더욱더 다양하고 중요한 신물질 창출의 가능성을보여주고 있다. 이러한 작업에는 '미생물 공학'이라고 통칭하는 각종 기술이 필수적으로 요구된다. 그 첫 단계는 유용미생물을 발견하는 탐색법의 개발이다. 이어 발견된 유용 미생물을 소규모 액체배양을 통해 생산한다. 이어 유용한 생리활성물질 및 약리활성물질을 선별적으로검색한다. 검색을 마치면 대규모 생체배양기에서 이들 유용미생물을 배양하여 이들로 하여금 유용물질을 생합성하게 한다. 생산된 유용물질은 각종 최신의 분리정제 기술을 통해 순수한 물질로 정제된다.
이렇게 정제된 물질들은 화학적인 방법을 통해 구조분석을 하는데 지금까지 발견되지 않은 신물질로 판명될 경우 세계적인 물질특허를 얻을 수 있다. 물론 신물질은 독성학적인 연구를 통해 재가를 받는다. 즉 무독성 무공해물질임이 확인돼야 유용성이 인정되는 것. 또 약리학실험이나 임상실험연구를 통해 우리에게 얼마나 유용한지를 검정하게 된다.
이처럼 미생물자원 탐색을 통한 신물질 개발은 유전공학기법보다 훨씬 다양하고 많은 저분자 생리활성물질들을 우리에 선물할것으로 보인다. 이 가정은 자연계에 존재하는 미생물의 종류가 수백만이 넘을 것으로 추측되기 때문에 가능하다. 동시에 이들 각 미생물들의 능력도 대단히 다양하기 때문이다.
생체활성물질을 추적한다
미생물은 단세포로 이루어진 아주 작은 생물체이며 어떤 경우엔 우리에게 질병을 일으키기도 한다. 그러나 자연계의 원소순환 및 생태계 보존에 큰 역할을 하며 또한 우리에게 유용한 물질을 제공해주는 필수적인 생물체이다.
이런 미생물은 자연계 어디에나 존재하고 있다. 예컨대 공기 시냇물 바다 흙 동식물체 표면 및 내부등 거의 모든 환경계에 존재하는 것이다. 수백만종이 넘을 것으로 추정되는 이들 미생물들은 오늘날 극히 일부만 연구되어 알려져 있다. 대부분의 미생물들은 앞으로 독자 여러분들의 연구 대상이 될 것이다. 특히 토양속에서 수많은 유용미생물들이 존재하는 것이 알려져 있다. 토양 1g내에는 1백만내지 1천만개가 넘는 미생물들이 서식하고 있으니 놀라운 일이 아닐 수 없다. 이들 미생물들은 어떤 것은 둥글고, 또 어떤 것은 짧은 막대기 같이 생겼으며, 또 어떤 것은 솜털이나 머리털같이 길게 얽혀 있는 모양을 하고 있다.
특수 유용미생물을 새로 찾아내기 위해 우리는 각종 생태계에서 채취한 시료들을 물에 희석하여 분리용 고체배지에 배양한다. 이때 온도 산도(PH) 산소공급 기타 필요한 영양분등을 잘 조절하여 줌으로써 우리가 바라는 각종 미생물들을 순수분리 해낼 수 있다. 이어 미생물들을 적당한 영양분이 들어 있는 액체배지에 키운 뒤 이 배양액 속에 유용한 물질이 일단 존재함이 확인되면 대규모 생체 반응기를 이용해 생산에 들어간다.
생체물질 유무를 알아내는 스크리닝(screening) 방법중 한가지를 소개한다. 고체배지상에 시료(試料)를 놓고 시험용 병원균을 접종한 후 시료가 시험용 병원균에 어떤 반응을 보이는지 관찰하는 방법이다. 특히 신규 항생물질의 탐색에는 이 방법이 주로 쓰인다.
항(抗)바이러스제나 항(抗)암제 효과실험은 이렇게 한다. 시료를 조직세포가 자라고 있는 배지에 혼입한 후 바이러스나 암세포가 어떻게 파괴되는가를 살피는 것이다.
대량배양에 쓰이는 생체반응기에는 미생물이 자라는데 유용한 영양물질이 함유된 배지가 들어있다. 또 미생물의 환경여건을 조절할 수 있는 장치도 포함하고 있다. 즉 온도의 조절, 산소공급원인 공기의 공급, 배지의 산도조절, 거품방지용 물질 및 기타 영양물질들을 수시로 가할 수 있는 장치가 장착 되는 것이다. 또 연구실에서는 미생물배양 및 그들의 성장을 분석하는 컴퓨터조작을 한다.
일단 유용한 물질이 생산된 후에는 액체배지로부터 이들 물질을 순수 분래해 내야 한다. 이를 위해 각종 유기용매 추출, 크로마토그라피, 이온교환수지장치, 막분리 장치, 원심분리장치 등의 장비가 필요하다.
순수분리된 물질은 X선분석 적외선분석기 자외선분석기 분광분석기 핵자기공명 기구 등의 분석시설을 이용해 구조 규명 연구를 한다. 이 작업이 완료되면 직접 동물이나 인체실험을 통한 효능 및 임상효과 연구를 실시하는데 이 작업이 끝나면 완전한 신물질의 탄생을 알린다. 여기까지 작업이 진행되려면 대개 10년이상의 세월이 걸린다.
