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바이오테크와 정보기술이 융합된 생물정보학은 바이오테크를 비롯한 전 산업에 걸쳐 막대한 파급효과를 나타낼 것이며 바이오 관련 기업의 필수역량으로 자리잡고 있다.
생명 연장 및 삶의 질 향상, 환경보전 및 개선, 대체에너지 개발 등에서 그 역할이 점차 강화되어가고 있는 바이오테크는 정보기술 (Information Technology, IT), 신소재, 나노테크놀로지 (Nanotechnology) 등과 함께 21세기를 주도할 핵심 기술의 하나로 주목받고 있다. 특히 20세기 후반 정보기술의 발전과 함께 정보기술과 바이오테크의 융합이 진전되면서 바이오테크의 영향력은 전 산업 분야에 걸쳐 더욱 확산될 것으로 예상되고 있다.
1970년대에 들어서면서 유전자 조작을 기초로 한 바이오테크 및 바이오산업에 도입되기 시작한 정보기술은 생산공정의 자동화와 분석 환경의 개선, 생산 기술의 향상을 가능케 하였다. 센서를 이용한 정보의 단순한 전달과 피드백에서부터 인공지능 개념을 도입한 ANN (Artificial Neural Network), 퍼지 (Fuzzy) 시스템 등에 이르기까지 정보기술의 응용은 갈수록 확대되었으며, 최근에는 바이오테크 및 바이오산업의 기본 구조가 유전정보를 바탕으로 하는 지노믹스 (Genomics) 로 그 중심을 옮겨가면서 관련 정보를 수집하고 체계화하며 가공하는 작업과 기술이 도입되고 있다.
생물정보학과 새로운 기술 분야의 등장
정보기술이 바이오테크에 접목되어 이루어진 대표적인 분야가 생물정보학 (Bioinformatics)이다. 생물정보학은 고도로 혼재되어 있는 생물학적 데이터들을 컴퓨터를 이용하여 수집, 관리, 저장, 분석하는 분야로 생물정보 관리시스템, 분석 소프트웨어, 커뮤니케이션 네트워크 등의 인프라가 반드시 필요하다. 여기에 쓰이는 데이터에는 생명현상의 기본 단위인 유전자와 단백질의 서열, 구조, 기능 등이 포함된다. 인간을 비롯한 모든 생명체는 유전자에 수록된 정보로부터 발현된 단백질들이 살아가는 데에 필요한 각종 기능(생명체의 구성, 효소반응, 정보 및 물질의 전달 등)을 수행함으로써 유지된다. 생물정보학은 현재까지 인간을 비롯하여 각종 미생물 및 동식물의 유전자 서열과 지도를 얻어 방대한 양의 데이터를 만들고 축적하는 연구가 주류를 이루었다. 앞으로는 이들 데이터를 기초로 유전자와 단백질의 기능을 밝히고 여기에서 얻은 결과를 이용하여 인류의 삶을 보다 풍요롭게 하는 연구가 중심이 될 것으로 보인다.
생물정보를 다룬다는 생물정보학의 기본 개념이 확장되어 지노믹스 (Genomics), 프로티오믹스 (Proteomics), 파마코지노믹스 (Pharmacogenomics), 마이크로어레이 (Microarray) 기술 등의 새로운 분야가 등장하였다. 유전자의 집합체인 지놈 (Genome)을 연구하는 지노믹스는 유전자 서열과 지도 등의 1차원적 구조를 밝히는 구조지노믹스 (Structural genomics) 와 유전자의 기능을 연구하는 기능지노믹스 (Functional genomics)로 구분된다. 하나의 지놈 혹은 조직에서부터 발현되어 나온 단백질의 집합 (Proteome)을 연구하는 프로티오믹스는 복잡한 단백질들을 2차원 전기영동 방법으로 분리하여 질량분석기와 각종 데이터베이스의 비교검색을 통하여 유용한 정보를 얻는 분야이다. 이 분야는 대량 분석기술의 개발, 통합, 자동화를 수반하며 아울러 복잡한 생물 지식을 다루는 정교한 정보학적 접근을 시도하고 있다. 개인의 유전적 차이와 약물의 인체 내 대사와의 상관관계를 연구하는 분야인 파마코지노믹스는 그 개념이 생겨난지 얼마되지 않지만 활발한 연구가 진행되고 있다. 작은 칩 위에 분석에 필요한 정보를 지닌 DNA나 단백질 등의 물질을 미세하게 집적하여 분석하는 마이크로어레이 기술은 이른바 DNA 혹은 단백질칩 등의 바이오칩을 이용하여 발현양상, 돌연변이를 비롯한 유전자정보의 여러 가지 형태를 대량으로 병렬 분석할 수 있게 한다. 마이크로어레이 기술은 다른 연구개발 분야의 강력한 수단으로 사용될 뿐만 아니라 여기에서 나온 많은 데이터들은 데이터베이스로 구축되어 또 다시 다른 분야의 유용한 정보로 사용된다.
이들 분야는 그 성격이 약간씩 다르기는 하지만 각 분야에서 나온 데이터 및 정보의 공유와 커뮤니케이션이 지속적으로 이루어지므로 매우 다이나믹한 생물정보의 네트워크가 형성되어 있다. 넓은 의미에서 본다면 위의 분야들은 방대한 양의 생물 데이터 및 정보를 처리, 가공, 공유하고 이를 유용한 형태의 정보 및 지식으로 전환, 이용한다는 점에서 생물정보학의 일부로 포함될 수 있다. 그리고 이들 분야의 수요는 앞으로 크게 증가할 전망이다. 생물정보학 관련 시장의 실제 크기와 잠재능력은 관련 소프트웨어와 데이터베이스를 무료로 제공하는 경우가 많고 만들어진 기술이 곧바로 제품화로 이어지는 경우가 적기 때문에 가늠하기 어렵다. 그러나 관련 기술 진보에 따른 새로운 데이터베이스와 분석 소프트웨어 프로그램의 등장과 제휴 및 합작 등의 시장 (B2B바이오의약정보 시장 과 각종 제휴)을 고려한다면 2002년 약 85억 달러 이상의 규모로 급성장할 것으로 예상된다.
제약산업에서 가장 활발하게 응용
인간을 포함한 각종 유전자 정보의 효용을 간파하고 생물정보학 분야를 기업내 역량으로 흡수하려는 노력이 가장 앞선 분야는 단연 제약산업이다. 새로운 의약과 치료법의 개발에 기본이 되는 유전자 정보의 공개가 확산됨에 따라 제약기업의 경쟁우위는 데이터의 개발능력에 의해 결정되게 되었다. 따라서 기업의 입장에서는 지노믹스, 프로티오믹스 등의 기술확보와 함께 포괄적인 정보 운용 능력이 반드시 필요하다. 생물정보에 대한 정교한 데이터 마이닝 (Data-Mining), 지식 발견, 온라인상의 분석 기술 (OLAP, online analytical processing) 등 제약 관련 분야로부터 나오는 정보를 효과적으로 통합할 수 있는 능력을 갖춘 기업들이 경쟁에서 유리한 위치를 차지할 것으로 보인다. 이에 따라 최근 선진 제약기업들은 생물정보학을 연구개발을 위한 핵심역량으로 인식하고 외부 파트너와의 합작을 통하여 효과적인 데이터 발굴과 지식 발견 솔루션 등의 확보에 주력하고 있다.
Millenium Pharmaceuticals와 Bayer는 4억6,500만 달러를 들여 5년 동안 골다공증, 암 등을 포함한 7종류의 질병 분야에서 225개의 신약 대상을 찾아내기로 하였다. 또한 Lion Bioscience와 Bayer는 5년 동안 1억 달러를 투입하여 신약을 위한 5백 개의 유전자 대상을 찾는 제휴를 체결하였다. 유전자 서열 정보에서부터 프로티오믹스 데이터베이스, 유전자칩, 생물정보학 어플리케이션까지 제공하는 Incyte Pharmaceuticals의 경우 생물정보학 기업과 제약기업간의 연구개발 제휴에서 전체의 약 75 %를 차지하고 있는 기업으로 Abbott Lab., Novartis, BASF, Glaxo Wellcome, SmithKline Beecham, Eli Lilly, Bayer, Pfizer 등 대부분의 선진 제약기업과 제휴를 맺고 있다.
이와 함께 생물정보학의 발달은 제약기업의 연구개발 프로세스를 근본적으로 변화시키고 있다. 아직은 생물정보학으로 인한 이익이 구체적으로 나타나고 있지 않지만, 생물정보학은 연구개발진들로 하여금 보다 많은 양의 다양하고 정교한 정보를 가지고 개발에 따르는 위험을 감소시키는 효율적인 연구개발을 진행할 수 있게 하고 있다. 미래에는 생물정보학 및 신기술의 영향으로 신약 개발 프로젝트 포트폴리오 양상이 현재보다 훨씬 많은 양의 프로젝트를 동시에 수행하고 개발 초기에 이미 그 성공가능성을 예측하여 소모적인 투자를 줄이는 형태로 바뀔 것이며, 이에 따라 개발에 소요되는 비용과 시간이 크게 줄어들 것으로 보인다. 결국 연구개발 효율의 획기적인 향상에 따라 기업간의 경쟁 우위는 얼마 만큼 신속히 제품을 내놓을 수 있느냐에 따라 결정될 가능성이 높아질 전망이다.
농업, 환경, 화학 관련 바이오테크 분야로 확대
현재 농업 바이오테크 분야는 제약산업 분야에 비하여 지노믹스 및 생물정보학 등의 기술 적용이 느린 편이나 향후 그 속도는 더욱 빠르게 증가할 것으로 예상된다. 잡초, 병충, 병원균 등으로부터 작물을 보호하는 기술을 개발함으로써 궁극적으로는 작물의 생산성 및 품질 향상, 환경보전 등을 도모하기 위해 생물정보학을 비롯한 각종 정보기술이 농업관련 바이오테크에 응용되고 있다. 우선 애기장대, 쌀, 밀, 옥수수, 대두 등의 식물에 대한 지노믹스가 이미 이루어지고 있다. 애기장대 지놈프로젝트와 쌀 지놈프로젝트가 대표적인데 이는 이들 지놈의 크기가 보리, 옥수수, 밀, 콩 등 다른 작물에 비하여 현저히 작아 병충과 환경변화에 대한 반응 연구의 모델로서 적합하기 때문이다. 농업 관련 기업인 Pioneer, Hi-Bred, Monsanto, DuPont 등은 밀, 옥수수, 대두 등의 작물에 대한 지노믹스에 이미 투자를 하고 있으며 미농무성은 작물관련 데이터베이스 구축과 생물정보학의 분야에서 새로운 유전정보를 얻는데 해마다 390만 달러를 투자하고 있다.
제약산업에서와 마찬가지로 농업 분야의 기업들은 생물정보학 관련 기업과의 합병, 제휴 등을 통하여 경쟁력 있는 기술 기반을 확보하려 하고 있다. Incyte Pharmaceuticals와 제약 기업들이 제휴하여 현재 식물 지놈 데이터베이스 (PhytoSeq)를 구축하고 있으며, Celera Genomics의 경우 과일파리의 지놈 서열을 분석하여 곤충과 병충에 관련한 모델로 삼으려 하고 있다. Paradigm Genetics는 식물유전자 연구를 위한 고처리량스크리닝 기술 (High throughput screening, HTS)과 생물정보학 관련 기술을 개발하고 있다. Monsanto와 Millenium Pharmaceuticals는 합작 자회사인 Cereon Genomics를 설립하였고, Novartis의 경우 농업개발 연구소와 기능지노믹스 연구소를 설립하여 농업관련 바이오테크 연구개발에 박차를 가하고 있다.
생물학적 정화 (Bioremediation)를 포함한 환경, 산업용 효소 및 생물소재 등의 분야에서도 생물정보학의 기술이 이용되고있다. 각종 데이터베이스 로부터 얻은 유전자와 단백질의 구조와 기능, 대사경로 등의 정보를 이용하여 향상된 효소와 미생물을 디자인하는 데에 생물정보학이 유용하게 응용되고 있다. 산업미생물의 대사경로와 이의 네트워크에 대한 더 많은 정보가 축적 되면 이로부터 새로운 공정과 제품의 개발 및 개선이 가능할 것이다. 현재 대장균, 살모넬라, 바실러스, 헬리 코박터, 효모 등 산업적으로 유용한 미생물에 대한 유전자 및 단백질, 대사에 관한 데이터베이스가 구축되고 있다.
산업 전반에 막대한 파급효과 기대
현재 생물정보학 분야는 생명현상 연구에서 나오는 방대한 양의 데이터를 축적하고 정보화하여 그 응용을 모색하는 극히 초기 단계에 있다고 할 수 있다. 아직 가시적인 성과가 많이 드러나지 않았지만 앞으로 관련 기술이 더욱 정교하게 발달하고 지식이 쌓이면 그 파급효과는 대단히 커질 것으로 예상된다. 그리하여 가까운 장래에 여러 혁신적 성과들이 현실로 나타날 전망이다.
건강과 질병에 대한 분자 수준에서의 이해가 이루어져 간단한 칩을 이용한 질병의 진단과 예방 및 예측이 가능할 것이며 개개인의 유전적 차이를 감별하여 이에 맞는 의약 및 치료법이 나타날 것으로 예상된다. 특히 전염병 분야에서 인구집단의 유전적 특성, 서열 정보와 전염병의 관계를 통계적인 방법으로 통합하여 전염병을 예측하고 예방할 수 있을 것이다. 농업관련 바이오테크의 분야에서는 작물 품질 개량과 증산뿐만 아니라 나아가서는 백신이나 의약품 등을 함유한 ‘의약용 작물’과 같은 변형 식품이 출현할 것으로 보인다. 화학공정의 많은 부분이, 정교하게 개량된 효소와 미생물을 이용한 생물공정으로 대체되어 에너지 소모와 환경 문제를 해결할 수 있을 것이다. 또한 기존의 반도체를 대신하여 유전자 혹은 DNA를 정보의 저장, 가공, 검색의 장치로 이용할 수 있으리라는 예상도 나오고 있다.
정보 인프라 구축이 과제
이와 같은 혁신이 가능하려면 일반 대중의 바이오테크에 대한 사회적 인식과 정부 규제 등 외부환경의 변화, 분석 기술의 발달과 함께 생물정보 관리시스템, 분석 소프트웨어, 커뮤니케이션 네트워크 등의 생물정보학 인프라의 발달이 수반되어야 할 것이다. 특히 전문가들은 생명 현상을 시뮬레이션할 수 있는 고속 대용량 수퍼컴퓨터의 필요성을 지적하고 있다. 이와 관련 IBM은 1억 달러를 투자하여 단백질의 구조를 모델링하기 위하여 현존하는 컴퓨터의 계산속도보다 100배 빠른 ‘블루진 (Blue Gene)’ 수퍼컴퓨터 개발에 착수하였다. 그리고 다양한 양식과 원천을 가진, 방대한 양의 데이터베이스들의 표준화 및 통합 연결과 소프트웨어의 개발이 반드시 필요하다. 특히 네트워크 및 웹상에서 정보의 호환을 위한 표준화 양식으로 XML(extensible markup language)을 이용하려는 시도가 이루어지고 있는데, XML데이터는 운용체계, 컴퓨터 언어, 어플리케이션, 하드웨어 등에 관계없이 사용할 수 있는 장점을 지니고 있어 여러 형태의 생물정보를 자유롭게 다루는 데 적합한 것으로 알려져 있다.
기업간 제휴 활발할 듯
생물정보학 기술 발달과 함께 이 분야의 유망성이 부각되면서 다양한 분야에 걸쳐 참여기업이 급격히 늘고 있다. 제약기업과 바이오테크 기업들은 물론 정보기술 관련 기업들도 이 분야에 뛰어들어 향후 경쟁 구도를 예측하기 어려운 상황이다. 최근 IBM이 바이오테크, 제약, 농업 및 바이오산업 관련 기업들에게 혁신적인 생물 정보기술 솔루션과 서비스를 제공할 목적으로 1억 달러를 투자하기로 한 것이 한 예이다. 생물정보학 분야의 특성상 어느 한 기업이 독자적으로 모든 사업을 수행하기는 어려우므로 제휴와 네트워크 구축이 불가피하다. 앞으로는 생물정보학 인프라, 지노믹스, 프로티오믹스, 마이크로어레이 기술에 역량을 갖춘 기업들 사이에서 전략적 제휴가 더욱 두드러질 전망이다. 이는 이들 분야의 상호 의존성이 높고, 축적된 기술 및 정보의 호환과 네트워크가 반드시 필요하기 때문이다. 그리고 대부분의 제약기업과 주요 바이오테크 기업들은 생물정보학 기술을 내부 역량으로 갖추게 될 것이므로 생물정보학 관련 기업들과의 제휴, 합작, 합병 등이 꾸준히 증가할 것이며 이와 관련한 시장이 크게 성장할 것으로 보인다.
정보기술의 효율적 통합 필요
반도체, 통신, 소프트웨어 등을 기반으로 하는 정보기술은 인류 사회와 각종 산업에 커다란 영향을 끼쳐왔다. 이러한 정보기술이 바이오테크 기술과 결합하면서 의약, 농업, 환경 및 화학 등 다양한 영역에 걸쳐 있는 바이오테크 및 바이오산업의 구조와 그 발전 방향을 크게 변화시키고 있다. 특히 생물정보학을 비롯하여 이를 바탕으로 한 지노믹스, 프로티오믹스, 마이크로어레이 기술 등의 새로운 영역을 탄생시켰고 생물정보학을 중심으로 바이오산업의 새로운 틀이 형성되고 있다. 향후 생물정보학 분야는 정보기술과 바이오테크의 상호작용을 거치면서 바이오산업의 핵심 분야로 성장할 산업이다.
정보기술과 바이오테크 및 바이오산업이 꾸준히 융합, 발전하면서 이로부터 나온 기술적 성과들은 기존에 존재하지 않았던 새로운 기회를 기업에 제공할 수 있을 것이다. 이렇듯 과학과 기술의 방법론이 빠르게 진화하는 환경에서 바이오 관련 기업이 성공하려면 이들 첨단기술과 정보기술을 올바로 인식하고 이를 내부 역량으로 통합시키는 노력이 필요할 것이다. [LG경제연구소에서 가져왔습니다.]
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