분자농업 Molecular Farming 과 산업적 활용 방안 전북대학교 생물과학부

분자농업(Molecular Farming) 과 산업적 활용 방안 전북대학교 생물과학부 양문식

용어의 정의 생명과학 (Life Sciences) 분야: 기초생물학, 기초의학, 기초농학 생명(생물)공학 (Biotechnology) 분야 : 발효공학기술, 효소공학기술, 동․식물세포배양기술, 생물공정기술 유전공학 (Genetic Engineering) 분야 : 세포융합, 핵치환기술, 유전자 재조합기술 분야 유전자재조합 (Recombinant DNA Technology) 생명공학 기술의 범위

바이오산업의 분류 대분류 중분류 바이오 의약산업 항암제, 백신, 호르몬 치료제, 면역제제, 혈액제제, 성장인자, 동물약 품 바이오 화학산업 바이오고분자, 산업용 효소, 연구실험용 효소, 바이오 화장품 바이오 식품산업 건강기능식품, 아미노산, 식품 첨가물, 사료첨가제 바이오 환경산업 환경처리용 미생물제제, 환경오염 측정용 센서, phytoremediation 바이오 전자산업 DNA칩, 단백질칩, 바이오 센서 바이오 공정산업 바이오반응기, 생체의료기기및 진단기, 분석기기 바이오 에너지 및 자원산업 바이오디젤, 바이오 에탄올, 인공종자 및 묘목, 실험동물, 유전자변 형 동식물 바이오 정보산업 바이오 정보분석, 유전자 분석, 단백질 분석, 바이오안정성평가 * 지식경제부 기술표준원 (2008)

생명공학육성법 - 1983년 유전공학육성법 제정 - 1994년 제 3차 개정시 생명공학육성법으로 개칭: - 5개(교과부, 농식품부, 지경부, 복지부, 환경부)부처 참여 - 농수산식품부의 역활 1. 동ㆍ식물 및 미생물의 육종ㆍ품종개량 및 식품소재의 개발 등 응용연구의 지원 2. 농림분야의 유용한 유전자의 확보ㆍ분석ㆍ이용ㆍ보존 3. 해양수산생물을 이용한 유용물질의 생산과 해양수산생물의 육종ㆍ개량 4. 식품소재의 개발 등 응용연구의 지원 5. 해양수산분야의 유용한 유전자의 확보ㆍ분석ㆍ이용ㆍ보존 등 기초연구의 지원 - 생명공학육성기본 계획(1994 – 2006): 농림수산식품부: 5, 556억원으로 국가생명공학투자액의 12. 8% -제 2차 생명공학육성기본 계획(Bio-Vision 2016)

농림수산식품과학기술육성법 -2009년 4월 제정 - 5년마다농림수산식품과학기술육성 종합계획 수립

농산업R&D분야별 기술 roadmap • 농립수산식품 분야의 생명공학 기술의 중요성 확대 - 실용화 단계 - 응용분야의 확대 • 생명공학분야의 육성 목표 - 유전자원 확보 및 관리기반 마련 - 생물자원의 특성화, 고급화를 위한 기술 확보 - 생물자원 이용기술의 실용화 달성 • 차세대 유망기술의 분야 - 분자육종분야 재조합 식물세포를 이용한 기능성물질 생산 기술 바이오에너지 기술 차세대 미생물 및 동식물 검사기술 식물정화기술

분자농업(Molecular Farming) 유용 유전자 삽입 분자농업이란? 식물을 생산수단으로 삼아 고부가가치를 가진 target molecule (유용 단백질/이차 대사산물)을 대량 생산하는 산업(경작포함) 안전성? 사람/동물에 동시 감염하는 병원균의 차단 미생물 기원의 병원물질 및 Allergen 차단 유용 단백질 대량생산 적용범위는? - 치료용 의약품, 예방용 백신, 진단시약, 산업용 효소 - 식품보조제, 영양첨가제, 사료첨가제, 향장제, 산업용 오일, 펄프, 바이오연료, 섬유 등 비의약용분야로 확대

분자농업의 특징(1) • 분자농업은 Non-Food 작물을 이용하여 유용 물질을 대량 생산하는 기술임 - 기존의 GMO는 식물자체의 생산성, 기능성을 높여서 생산한 식품임 • 분자농업은 저비용 고효율 구조의 미래 산업적 활용도가 높은 핵심기술임 - 2025년에는 세계 시장 1천억불(약 100조원)로 예상 (EU report) • 분자농업에 의한 생산 물질은 안전성이 높음 - 식물은 인간과 진화 계통상 거리가 멀어 거의 전염되지 않음

Molecular Farming in the Niche Market § Animal Tissue Culture System § High Cost Niche Market Complicated Proteins at relatively Low Cost § Microbial Fermenting System § Simple Protein

분자농업의 특징 (2) l 현재는 주로 바이오의약품 생산에 활용하고 있으나 향후 화장품, 효소, 비타민 등 다양한 물질 생산에 적용할 수 있는 파급효과가 큰 기술 l 연구개발시 다자간 연구의 필요성 - 연구개발시 의학자, 수의학자, 식물학자, 생화학자, 생물공학자 등의 다자간 공동연구가 필요 A Bridge Between Green and Red Biotechnology Molecular Farming 식품 농업 삶의 본질 화장품 의약품 삶의 질

Cost Estimate for Production of Recombinant Protein l 시설 및 생산 비용이 저렴 - GMP 시설 비용이 동물세포 배양이나 small molecule에 비해 매우 저 렴 - Avidin은 옥수수가 계란에 비해 생산단가가 1/10 수준 Production system Cost estimate (US $/gram) Chinese hamster ovary cell culture 300 -3, 000 Transgenic goat milk 105 Transgenic plants (agriculture) (0. 015 -83% purity) 43 Plant cell culture 60 -80 Source: Various authors cf de Kathen & Pickart (2004)

Economy of PMP

Molecular Farming Procedure Transgenic Plants Candidate Protein Human vaccines Structural Industrial materials Plant Gene Animal vaccines transformation Pharmaceuticals Plant cell culture Extraction & purification l 환경 오염의 우려 - 노지 재배시 외래유전자에 의한 환경오염 우려

연도별 Molecular Farming 분야 논문 발표수

Molecular Farming 분야 특허 출원수 비교

미국의 Molecular Farming 분야의 연도별 및 IPC 분류별 특허출원 경향 - A 01 K, A 61 K, C 12 N 분야에서 증가경향

EU의 Molecular Farming 연구 지원 계획 EU Framework 7: Pharma-Planta

바이오 의약품 시장규모 - 현재 임상시험중인 바이오의약의 6%가 식물유래 , 향 후 크게 증가할 것으로 예상 - 단백질 의약품 시장은 매년 급성장하며 2025년에는 1, 000억 달러를 넘을 것으로 전망됨 (EU report)

식물 유래 의약품 임상시험 및 성공사례 BIOSAFETY Vol. 10 No. 2

상품화에 성공한 비의약품 제품 20

상용화 연구동향 l 동물유래 의약용단백질 보다 식물유래 의약용 단백질 생산 개발이 더 활발 l 일부 제품 상용화 성공, 아직 상용화가 활발한 단계까지는 도달하지 못하였지만 수십 개의 제품이 임상 실험단계에 있어 단 시간 내에 상용화 가시화 l 선진국에서도 비교적 최근에 연구가 시작되어 기술격차가 크지 않음 l 왜 다국적 대기업이 참여하지 않는가? - Documentation 및 인허가; 사례가 없다 - 다국적기업의 투자 주저 - 자금조달의 어려움 - Pfizer의 Glucocerebrosidase (Protalix, Israel)과 - Bayer의non-Hodgkin’s lymphorma가 좋은 breakthrough

식물 발현 시스템의 장점 예시 l Lysosomal storage disease - Gaucher 병 등 희귀성 대사성 유전질환 - High mannose type 식물유래 당단백질의 잇점: Protalix 사의 Glucocerebrosidase 사업화 l Non-Hodgkin’s lymphoma - Follicular lymphoma: 일곱번째 암 사망 원인(미국) - 각 type 마다 적합한 항체가 필요 - 동물세포의 경우 치료에 필요한 량의 확보에 6개월 이상의 기간이 필요 - 담배의 경우 12 – 16 주에 필요한 항체량을 확보 가능 - Bayer 참여로 사업화 촉진

국내 분자농업 현황 및 개발 기술 수준의 비교 v현황 • 농기평의 개별 과제로도 진행 중 • 보령제약, ㈜ 넥스젠 등의 중소기업에서 사업화 추진 중 • 주로 의료용 단백질 및 식물경구 백신 연구가 연구실 수준에서 개별적으로 이루어짐 • 산업자원부(현, 지식경제부) 차세대 신기술개발 사업의 일환으로 ‘식물체를 이용한 고부가가치 단백질 생산 기술개발’사업이 진행되었음(2010년 종료). 임상에 도입된 의약품이 보고 되지 않았음 * 기술 수준

분자농업의 활용 필요성 l 분자농업을 핵심기술로 산업화 가능 - 농업을 제조업 수준의 경쟁력 있는 산업으로 재탄생 시킴 - 농업 생산물을 활용 범위를 식품에서 의약품, 화학용품 등의 소재로 다양화 함으로써 첨단화 및 고부가가치화 가능 - 식물을 이용한 정밀화학산업으로 진화하는 세계적 추세에 대비하여 선두적 위치 확보 필요 l 식물공장과 연계하여 새로운 부가가치 산업으로 창출 가능 - 농촌 고령화 및 농촌 인구 감소에 대비한 새로운 영농방식인 식물공장과 분자농업 기술을 연계하여 식물공장용 새로운 고소득 작물 개발 가능 따라서, 1차 산업인 농업을 2차 산업으로 전환시킬 수 있는 핵심기술 영역으로 분자농업 활용 필요 국가적 차원에서 집중적인 관심과 예산 투자 필요

정책제안: 식물공장과 연계하여 고부가가치 창출 GMO (7~12 yr) MF (3~5 yr )

분자농업 산업화를 위한 추진전략(1) 기초 기반 기술 개발 신중하고 전략적인 아이템 선 정 • 잠재적 가치가 높은 타겟 선정 (시장규모, 시장진입의 용이 성, 기존 시장구조, 특허권검 색) • 국내 기술과 실정에 맞는 타겟 선정 (전문성, 임상실험의 용이성, 안전성검사기준 고려) • 세포내 생산량 증대 (세포생물학적 연구 유전학적 연구) • 단백질 정제 수 율 증대 (단백질 공학적 연구 식물 생화학적 연구) 응용기술 개발 • 식물 대량 생산 기술 개발 • 독자적 형질전환 기술 개발 • 엘리트 라인 선 별을 위한 육종 기술 개발 산업화 기 술 개발 • 식물 공장 설비 기술 개발 • 위해성 평가 기술 과 지침 개발 • 특허 전략 기획력 개발

분자 농업 산업화를 위한 추진전략(2) Consortium 산 (Kg~Ton) 학 (mg~10 g) 연 Breeding Target(by MDs) Regulatory Affairs Mass Culture Targeting Legislations Process Gene Expression Environments Clinical Trials p. H / Temperature NGOs

식물공장이란? l 통제된 시설(청정실) 내에서 생물의 생육환경 (빛, 공기, 온도, 양분)을 인공적 으로 제어하여 작물생산을 자연환경에 영향 받지 않고 공산품 처럼 계획 생산 이 가능한 시스템적인 농업 형태 l LED, Bio, 태양전지, Sensor 기술, 환경제어시스템, 로봇 자동화공정, BEMS 등 첨단기술이 집적된 최신기술의 집합체 LED 광원 핵심 역할 : 식물의 광합성 및 생장에 필요한 파장만을 갖는 단색광 또 는 혼합광을 이용한 생장촉진 및 생리조절 기능 - 광합성 촉진용 LED, 개화 조절용 LED, 기능성 향상용 LED ※ 농업 생산의 고도화 순서: 노지재배 → 시설원예 → 수경재배 → 식물공장

식물공장의 장. 단점 1. 장점 l 무농약 재배가 가능하며, 도시의 쇼핑센터 등 시기와 장소의 제약 없이 연중 생산 가능 l 공정관리를 통한 계획재배와 안전성과 고품질의 규격 작물 생산 가능 하고 단위면적 당 생산량을 극대화하여 토지이용율 증대 l 쾌적한 작업환경과 함께 고령자 및 초보자 등도 작업 가능 2. 단점 l 초기 시설투자 비용이 매우 높아 시장 진입이 어려우며, 운영시 에너 지 비용도 매우 높음 ※식물공장의 평균 건설비는 비닐하우스의 약 17배에 달함 ※에너지 비용은 전체 비용의 30% 이상을 차지 l 생산비용이 높기 때문에 채산성 취약, 재배대상 작물이 한정 l 작물에 따른 적정시스템 운영에 필요한 기초 지식, 연구기반 빈약

식물공장의 해외 개발역사 (I) 1. 유럽 l 최초의 식물공장: 1957년, 덴마크의 크리스텐센 농장, 이후 일조량이 부족한 네덜란드 등 유럽에서 태양광 이용의 시설원예 형태의 온실재 배로 발전 - 1960년대 초, 오스트리아의 루스나사에서 최초로 타워식 입체 자동 식물공장 개발, 태양광과 인공광(고압나트륨 램프) 이용 2. 미국 l 세계 최초의 완전제어형 식물공장, 1960년대 제너널일렉트릭사 등에 서 연구, 채산성 문제로 1990년대 전반 사업 포기 l 최근 도시빌딩형 개발 모델 발표

식물공장의 해외 개발역사 (II) 3. 일본 l 1970년대 일본의 완전제어형 식물공장 연구 시작 - 1974년, 히타치 제작소 중앙연구소에서 시작, 이후 실용화 연구 진행 - 태양광병용형인『회전식 양상추 생산공장』이 쓰꾸바 국제과학박람회에 서 전시 l 완전제어형 실용화 - 1983년 시즈오카현 미우라 농원 - 경제산업성에서 “Plant Factroy Promotion Forum" 개최, 보조금 제도를 통 하여 2009년 현재 50개에서 3년 후 150개로 늘릴 계획 ※ 2009년도 농림수산성 및 경제산업성의 식물공장 관련 예산은 146억엔 ※ 전기료등에 정부 보조금 지원 l 시장 규모 예측: 2009년 95억엔에서 2020년 417억엔으로 전망 u 최근 기업형 대형 재배 시설 도입

국내 개발 역사 l 1990년대 초 유리온실 지원사업으로 양액기술 발전, 1996년 농촌진흥 청 농업과학연구소에서 재배시험 착수 - 포항제철에서도 광양에 네덜란드에서 도입한 자동형 유리온실을 설치 하여 토마토, 카네이션 등 양액재배 실시, 현재 영농기술 개발 및 교육 진행 l 2001년∼ 2004년 한국형 식물공장 모델 개발 연구 진행, 환경제어기술 과 자동화 기술 연구 l 2005년 식물공장시스템 확립, 이후 농촌진흥청 등에 설치, 시험재배 중 - 전북생물산업진흥원, LED를 이용하여 인삼재배 - 경북농업기술원, LED 활용하여 참외, 딸기 등 과채류 재배 - 충남농업기술원, LED를 이용하여 오이 재배 l 아직 상업화 단계에는 도달하지 못하였음

저비용 보급형 식물공장 기업형의 도시 빌딩형 식물공장 확대보다는 혁신적인 시설원예 기 술을 활용하되 기후의 영향을 받지 않고 안정적인 고품질 엽채류 와 과채류 생산을 위한 저비용, 수평형 식물공장 기술 및 모델개발에 우선적 지원 필요 - 일본은 농림수산성 사업으로 “저비용 식물공장 육성사업” 실시 (2006~2008년도)한 바 있음 - 현재의 비닐하우스와 유리온실의 수익성, 품질성, 안전성, 안정성 등을 제고할 수 있도록 개량용 기술개발과 보급 필요 기술개발 사업의 결과 보급형의 수익성이 확인 후 시설원예 혁신사업 성격 의 농가보급형으로 수평형/저층형의 소규모 식물농장의 지역 보급 확대 추 진 33

분자농업의 기술적용 단계별 부가가치 비교 우수농산물 (GAP) 및 고부가 가치 작물 부 가 가 치 • 일본 50개소 식물공장을 통한 산업화 달성 무농약 저세균 무세척 1단계 영양 강화 작물 (미네랄, 비타민 등) 기능성 원료 • 일본 시작단계 의약품 경구백신 단백질 의약품 고 기능성 작물 (한약재 등) • 일본 식물공장 생산 치주염 치료제 시판 • 국내 분자농업기술 분야 세계경쟁력 확보 2단계 3단계

기대 효과 바이오 의약품 경제시장 국민 보건 주 권 확보 첨단 기술 농 업의 실현 • 단백질 의약품 시장의 급격한 성장이 예상 • 분자 농업의 적용으로 단가하락과 생산량 증대 예상 • 바이오 의약품 생산가 절감으로 의료혜택 확대 • 수출 의존도 감소와 해외수출로 경제적 효과 기대 • 신개념 농업인 “식물 공장” 기술 확립에 기여 • 신품종 개발로 농가 소득에 기여