광합성으로 유용한 물질 무한증식…'녹색황금' 미세조류를 아십니까

바이오 리포트
김희식 한국생명공학硏 세포공장연구센터장

미세조류는 '인류의 미래'
오메가3 성분 추출 기술 개발
함량 높아진 건강식 출시 임박

한국생명공학연구원의 한 연구원이 새로운 에너지원으로 활용 가능한 미세조류인 클로렐라를 분석하고 있다. /한국생명공학연구원 제공

미세조류는 빛을 이용해 성장하는 광합성 미생물로 식물과 함께 지구상의 산소를 생산하는 역할을 담당한다. 보통 미세조류는 여름철마다 발생하는 녹조와 적조로 더 잘 알려져 있다. 이들은 유해 조류로 분류된다. 사실 훨씬 더 많은 종류의 ‘유익한’ 미세조류가 있다. 미세조류는 빛과 물, 이산화탄소를 이용해 산소와 당을 만들어낸다. 성장에 필요한 만큼의 당을 소모한 뒤 세포 내에 지질 혹은 전분의 형태로 쌓인다. 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 저감하는 동시에 연료로 활용할 수 있는 지질이나 전분을 축적하기 때문에 많은 학자가 미세조류를 활용해 바이오 연료를 생산하는 기술에 관심을 가지고 있다. 미세조류가 ‘녹색 황금’으로 불리는 이유다.

오메가3도 미세조류에서 얻을 수 있어

미세조류에서 생산할 수 있는 가장 대표적인 유용 물질은 카로테노이드 색소다. 루테인, 베타카로틴, 라이코펜은 건강기능식품이나 영양제로 널리 알려져 있는 항산화 기능이 높은 카로테노이드로서 주로 식물에서 추출한다. 미세조류를 활용하면 계절 및 경작지에 구애받지 않고 안정적으로 생산할 수 있다.

세계에는 수만 종 이상의 다양한 미세조류가 있다. 카로테노이드 외에 파이코빌린, 클로로필(엽록소) 등의 색소를 미세조류로부터 얻을 수 있으며 이를 기능성 소재로 활용 가능하다. 불포화지방산도 생산할 수 있다. 불포화지방산은 흔히 오메가3로 알려져 있는데 주로 생선에서 추출하는 동물성 오메가3와 비교해 비린내가 적고 쉽게 변질되지 않는다. 최근 항비만 소재인 푸코잔틴을 미세조류에서 생산하는 기술이 개발돼 유효성분 함량이 높아진 다이어트 건강기능식품이 출시될 것으로 전망된다.

바이오의약품 개발에도 활용

바이오의약품은 인슐린, 인터페론 등의 1세대 의약품, 암과 자가면역 질환에 사용되는 2세대 항체 치료제, 최근 활발하게 개발되고 있는 3세대 유전자 치료제로 나뉜다. 대부분은 포유동물세포에서, 일부는 대장균과 같은 미생물에서 생산된다.

포유동물세포는 복잡한 구조를 가지는 바이오의약품을 생산하기 유리하지만 연구개발과 생산에 큰 비용이 든다. 미생물 기반의 의약품은 생산비가 비교적 낮고 미생물의 빠른 성장 속도 덕분에 의약품 보급률을 높일 수 있다. 그러나 복잡한 구조를 갖는 의약 단백질을 생산하기 어렵고 인체에 해로운 독소를 내뿜는 단점이 있다.

미세조류는 두 가지 생산 숙주의 중간 단계로 볼 수 있다. 포유동물세포에 비해 훨씬 저렴한 비용으로 단시간에 의약 단백질을 생산할 수 있으며 미생물보다 복잡한 구조의 바이오 의약품을 생산하는 데 유리하다. 또한 클로렐라 등 몇몇 미세조류를 활용하면 독소 문제도 해결 가능하다.

미세조류를 기반으로 의약품을 생산하기 위해서는 유전자 개량 연구가 선행돼야 한다. 미세조류는 다른 생산 숙주에 비해 선행 연구 수준이 비교적 미흡했다. 하지만 최근 모델 미세조류인 클라미도모나스 기반의 유전자 개량기술이 획기적으로 발전해 인슐린 같은 1세대 바이오의약품부터 2세대 항체치료제까지 생산할 수 있게 됐다. 미국의 트리톤 알게 이노베이션스 등 여러 해외 기업이 다양한 의약 단백질을 상용화하는 연구를 하고 있다.

미세조류는 광합성을 하기 때문에 식물과 비슷한 특성을 보이는데 이를 활용한 바이오의약품도 개발 중이다. 식물 기반의 바이오산업에서 가장 유용한 분야의 하나는 식용백신이다. 예를 들어 개량된 감자나 바나나를 먹기만 해도 B형 간염에 대한 면역이 형성될 수 있다. 지금까지 식물을 이용한 식용백신은 투여량 조절 등의 문제로 상용화까지 아직 갈 길이 멀다는 평가를 받고 있으나 미세조류를 활용하면 더 빠른 상용화가 가능할 것으로 예상된다.

심각한 대기오염의 해결책

미세조류는 지구온난화와 미세먼지를 해결하는 데 대안을 제공할 수 있다. 대기오염의 가장 큰 원인은 연소기관의 배기가스다. 공장 굴뚝이나 자동차에서 나오는 매연을 생각하면 된다. 배기가스에는 분진과 이산화탄소, 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx)이 포함돼 있는데 이것들이 지구온난화와 미세먼지의 주범이다. 산업혁명 이후 인간은 이산화탄소를 생산하면서 삶의 질을 높여왔다. 미세조류는 이산화탄소를 소비하고 미세먼지의 원인인 질소산화물과 황산화물을 제거할 뿐만 아니라 산소를 배출한다.

미세조류는 수 마이크로미터의 작은 몸집에서 물, 빛, 이산화탄소만으로 수십만 가지의 유용한 물질을 만들어내는 신비한 생명체다. 과학기술의 발전과 함께 미세조류에 대한 끊임없는 탐구가 이뤄진다면 인류의 건강과 편리한 생활, 지속 가능한 환경에 이르기까지 다양한 분야에서 한 단계 더 나아갈 수 있을 것이다.