Q1 성장 속도가 빨라 산업적으로 유망한 미세조류인 그라시엘라 이멀소니를 서해 연안에서 확보했다고 들었습니다. 그라시엘라 이멀소니란 무엇이며 이 소재의 연구 가치에 대해 설명해 주세요.

그라시엘라 이멀소니는 녹조식물문(Chlorophyta)에 속하며 5~13um 정도의 크기의 동그란 형태를 나타내는 미세조류로, 주로 담수에 서식하지만, 강과 바다가  나는 기수역과 일부 연안에서 발견되기도 합니다. 이전에는 클로렐라 이멀소니(Chlorella emersonii)로 분류되었다가 1995년에 유전자 분석을 활용한 재동정을 통해 그라시엘라(Graesiella)라는 새로운 속으로 재분류가 되었습니다. 그라시엘라(Graesiella)라는 어원은 고대 그리스어로 ‘고령여성(an old woman)’을 뜻하는 단어로 설명이 되어 있습니다. 뒤에 나와 있는 종명인 이멀소니(emersonii)는 종을 발견한 Emerson이라는 학자의 이름이 어원입니다. 실제 미세조류 그라시엘라의 표면을 전자현미 경으로 관찰해 보면 많은 주름이 있는 것을 확인할 수 있는데 이로 인해 ‘연륜이 있는 여성’을 의미하는 속명이 붙게 된 것으로 추정됩니다. 그라시엘라 이멀소니는 현재 해외 여러 나라에서 건강기능식품, 화장품 소재로 등록이 되어 있습니다. 따라서 식약처 규제라는 허들을 좀 더 용이하게 넘을 수 있을 것으로 기대가 되기 때문에 국산화를 위한 소재 원료로 가치가 매우 높다고 할 수 있습니다. 특히 그라시 엘라는 현재 눈 건강과 화장품 등 다양한 소재에 활용되고 있는 잔토필 계열의 물질인 루테인(lutein)을 포함한 네오잔틴 등의 천연색소와 오메가-3,6,9 지방산 등 고부가 가치 물질을 생산할 수 있고, 포도당과 같은 유기탄소원을 이용해서 고밀도 배양이 가능하기 때문에 추후 다양한 산업에 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

Q2 미세조류는 대량배양 시 생산성이 낮고 수확 과정에 높은 비용이 발생하는 단점이 있습니다. 그래서 상용화가 어렵다고 들었는데요. 그런데 이번 국립해양생물자원관에서 그라시엘라 이멀소니로 대량생산 가능성을 확인하였다는 희소식을 접했습니다. 이에 대한 자세한 설명 부탁드립니다.

미세조류는 대기 중 이산화탄소 제거능력과 광합성 효율이 육상식물보다 약 3배 정도 더 높고, 성장이 빨라 대량배양을 통한 지속적인 생산이 가능하기 때문에 산업적으로 매우 유망한 분류군으로 알려져 있습니다. 하지만 실제 산업적으로 활용되고 있는 미세조류는 클로렐라와 스피룰리나를 비롯한 몇몇 종에 한정되어 있습니다. 그 이유는 실제 미세조류를 대량배양 시스템에 적용했을 때 성장률이 기대했던 것만큼 높지 않기 때문입니다. 대부분의 미세조류는 광합성을 통해 성장하기 때문에 빛을 공급해 주어야 배양이 가능합니다. 하지만 미세조류가 성장하면서 배양액이 녹색으로 짙게 변하게 되어 탁도가 올라가게 되고, 그로 인해 빛이 투과되는 정도가 크게 감소하게 됩니다. 이러한 현상을 스스로 그림자를 만드는 현상이라 해서 자가 그림자 효과 또는 자체 가림 효과(Self-shading effect)라고 합니다. 이러한 현상으로 인해 광합성에 필요한 빛의 공급이 미세조류 성장에 따라 점차 감소하면서 성장률이 크게 떨어지게 됩니다. 하지만 일부 미세조류의 경우에는 빛이 없이도 포도당(glucose) 또는 자당(sucrose) 등을 이용하여 어두운 조건에서 배양이 가능합니다. 이러한 어두운 조건에서 미세조류를 유기탄소원을 이용하여 배양하는 방법을 화학종속영양배양(chemoheterotrophic cultivation)이라합니다. 이러한 화학종속영양배양 미세조류의 경우 자체 가림 효과로 인한 성장 저해가 일어나지 않고, 유기탄소원으로부터 전환되는 에너지가 광합성에 의해 전환되는 에너지보다 훨씬 높아 광배양보다 매우 높은 성장률을 나타내게 됩니다. 실제 화학종속영양배양(암배양) 조건에서 유기탄소원을 활용하여 배양을 진행할 경우 광배양보다 20배~100배 이상의 높은 성장률을 나타내게 되고, 이를 통해고밀도 배양을 수행할 수 있습니다. 이번에 발굴한 미세조류 그라시 엘라 이멀소니의 경우 이러한 화학종속영양배양을 통해 고밀도 배양이 가능하다는 사실을 확인하였고, 실험실 수준에서 테스트 했을 때광합성을 통해 배양한 것보다 약 20배 정도 높은 성장을 나타내는 것을 확인할 수 있었습니다. 이런 화학종속영양배양 기술의 가장 큰장점은 기존에 동물세포, 효모 또는 대장균 등을 대량배양할 때 사용하는 발효기(Fermenter)에 바로 적용이 가능하다는 점입니다. 따라서 암배양이 가능한 미세조류를 산업화 할 경우 기존에 사용되고 있는 발효기를 이용할 수 있기 때문에 광배양 보다 산업적 적용 가능성이 매우 높다고 할 수 있습니다.

Q3 그라시엘라 이멀소니의 고밀도 배양방법과 수확 기술에 대한 특허출원을 완료했다고 들었습니다. 고밀도 배양이란 기존 배양법과 어떠한 차이점을 가지고 있나요?

‘미세조류를 어느 정도 배양하면 고밀도 배양인가?’라고 질문했을때 사실 정확한 답변을 드리기는 어렵습니다. 그 이유는 고밀도 배양에 대한 정의 또는 기준이 명확하지 않기 때문입니다. 하지만 우리가 기본적인 광합성 배양방법을 통해 1L의 배양액을 이용하여 미세조류를 약 일주일간 배양한다고 가정했을 때 대부분의 미세조류의 경우 건조중량 기준 약 3g 미만의 바이오매스 생산성을 나타냅니다. 하지만, 유기탄소원을 활용한 암배양을 통해 미세조류를 배양할 경우 수십 그램 이상의 바이오매스를 생산할 수 있습니다. 이번에 특허를 통해 제시한 고밀도 배양방법은 이러한 유기탄소원을 활용한 암배양 방법(화학종속영양배양)이라고 말씀드릴 수 있습니다. 따라서 고밀도 배양에 대한 정의는 어렵지만 제가 제시하는 고밀도배양 방법과 기존 배양법의 가장 큰 차이는 유기탄소원의 활용 유무라고 말씀드리고 싶습니다. 이런 유기탄소원을 미세조류에 적용하기위해서는 첫 번째로 유기탄소원의 흡수가 가능한 미세조류를 찾아내야 하고, 두 번째로는 미세조류의 순수분리를 통한 무균배양기술 확립이 필수적이라 할 수 있습니다. 이번에 특허출원 된 그라시엘라이멀소니의 경우에도 순수분리 기술을 적용하여 미세조류를 무균으로 배양하였고, 이후 다양한 유기탄소원의 흡수 유무를 확인하여 배양 최적화를 통해 높은 바이오매스 생산성을 확인하였습니다. 또한 기존에 액체에서 배양된 미세조류를 수확하는데 있어 많은 비용과 에너지가 소모되어 왔습니다. 실제 미세조류 수확과 관련한 논문에 따르면 미세조류 바이오매스 생산비용의 약 30~40% 이상이 배양된 미세조류를 수확하는데 소모된다고 합니다. 따라서 최근에 경제성 있는 방법을 이용하여 미세조류를 수확하기 위한 연구가 많이 진행되고 있습니다. 저는 이번 연구를 통해서 미세조류를 암조건에서 포도당을 이용하여 배양할 경우 세포 내부에 녹말 함량이 크게 증가하게 되고, 녹말이 물보다 더 높은 비중을 나타내기 때문에 배양액내에서 미세조류가 빠른 속도로 침전하는 현상을 관찰하였습니다. 즉, 이러한 현상을 이용하여 미세조류를 침전시킨 뒤 배양액으로 부터 쉽게 수확하였고, 이에 따라 경제성 역시 크게 증가할 것이라 예상합니다.

Q4 해양바이오 소재에 따라 배양법은 어떻게 달라지나요?

해양바이오 소재는 동물, 식물, 미생물 등 분류군이 매우 다양하기때문에 저마다 배양법이 모두 다를 수밖에 없습니다. 하지만 어류 및 갑각류와 같은 해양 동물과 김, 미역과 같은 해양 식물에 속하는 해양바이오 소재의 경우 양식이 가능한 종들이 매우 한정적이고, 그중 대부분은 생산성이 떨어지거나 배양이 어렵기 때문에 산업용 소재로 활용하기가 상당히 까다롭습니다. 따라서 산업용으로 활용하기 적합한 해양바이오 소재는 원료의 ‘대량생산’이 가능한 자원이어야 하는데, 이번에 개발한 미생물 및 미세조류의 경우 그동안 다양한 배양기법들이 연구되어 왔기 때문에 대량생산이 매우 용이하고, 다양한 제품을 만드는 원료로 쉽게 사용될 수 있어 산업화에 유리하다는 큰 장점을 갖고 있습니다. 이중 제가 담당하고 있는 미세조류의 배양법에 대해서 간단히 소개를 하고자 합니다. 먼저 미세조류는 진핵생물(Eukaryote)과 원핵생물(Prokaryote)을 포함하는 매우 넓은 분류군을 갖기 때문에 그 배양법 또한 매우 다양합니다. 하지만 미세조류의 배양법은 크게 광영양배양(photoautotrophic cultivation), 화학종속 영양배양(chemoheterotrophic cultivation), 광종속영양배양(photoheterotrophic cultivation) 및 혼합영양배양(mixotrophic cutivation)이라는 4가지로 방법으로 구분할 수 있습니다. 먼저 광영양배양 방법은 일반적인 광합성 배양방법으로 물과 이산화탄소, 빛이 필요한 배양법을 의미합니다. 화학종속영양배양방법은 유기탄소원을 활용하여 암조건에서 배양하는 방법을 의미합니다. 광종속영양배양의 경우는 유기탄소원을 활용하여 광조건에서 배양하는 방법을 의미하며, 미세조류가 빛 에너지를 이용하여 유기탄소원을 흡수할 수 있는 효소들을 활성화시키고, 배양액에 존재하는 유기탄소원을 빛 에너지를 이용하여 흡수하고 성장하는 배양방법입니다. 혼합영양배양방법은 마찬가지로 유기탄소원과 빛 에너지를 동시에 공급해주지만, 빛에너지에 의해 일어나는 광합성 작용과 유기탄소원을 흡수하는 작용이 동시에 일어나는 점에서 광종속영양배양과 차이를 갖습니다. 이러한 유기탄소원을 활용한 종속영양배양방법은 매우높은 미세조류의 성장을 나타내는 배양방법입니다.

Q5 추후 미세조류 그라시엘라 이멀소니로 기업체와의 공동연구를 통해 화장품, 건강기능식품 등 다양한 소재 원료로 개발할 예정인 것으로 알고 있습니다. 그라시엘 이멀소니는 어떤 기능과 효과를 가지고 있으며, 이를 어떻게 활용해 어떤 제품을 만들 계획인지 알고 싶습니다.

그라시엘라 이멀소니는 화장품과 건강기능식품 소재로 해외에 등록이 되어 있는 미세조류입니다. 따라서 산업화를 진행하기 전 식품의 약품안전처의 까다로운 규제를 통과해야 하는데, 기존 해외에서 원료로 활용된 정보가 있을 경우 독성이 없을 가능성이 높아 규제를 통과하는 데 매우 유리하다는 장점을 갖고 있습니다. 또한 그라시엘라 이멀소니는 잔토필(xanthophyll) 계열의 색소인 루테인(lutein)과 네오잔틴(neoxanthin) 등의 지표물질을 생산할 수 있습니다. 이러한 색소들은 눈 건강, 항산화, 항염증 효능을 비롯하여 피부 주름 개선 등 상당히 좋은 기능들을 많이 갖고 있어 건강기능식품과 화장품 같은 다양한 원료 소재로 활용이 가능할 것으로 판단하고 있습니다. 실제로 이런 기능들을 해양바이오산업화에 적용하기 위해 그라시엘라 이멀소니를 활용한 화장품 개발을 위해 몇몇 기업과 정부출연국가연구소와 공동으로 해양수산부 R&D 사업을 올해 수주하여 원료 소재화 연구를 진행하고 있습니다. 추후 R&D 사업의 결과들을 토대로 화장품 원료를 생산·공급하는 회사에 기술이전을 추진할 예정이며, 상용화가 된다면 우리나라 K-뷰티 산업을 활성화시킬 수 있는 중요한 해양바이오 원료 소재가 될 것으로 예상합니다.

Q6 현 우리나라의 ‘미세조류 원료 소재에 대한 대량생산과 수확 기술 상용화’ 바이오 산업 부문의 실태와 수준은 어떠한가요?

현재 글로벌 미세조류 산업 시장은 스피루리나와 클로렐라 및 스키조카이트리움 등의 주요 종들을 중심으로 계속 커져 나가고 있습니다. 실제로 인더스트리 리서치의 ‘미세조류 시장 보고서’에 따르면 2020년에 약 35억 달러 규모의 미세조류 시장이 형성되었고, 연평균 약 3% 정도의 성장률을 보이며 2027년에는 약 42억 달러 규모로 성장할 것이라 예측하고 있습니다. 우리나라의 경우 이러한 세계 시장의 성장 추세에 맞추어 1980년대 말부터 지속적인 연구개발이 이뤄지고 있는 상황이지만 여전히 미세조류 관련 산업 발전은 매우 저조한 상황이라고 할 수 있습니다. 특히, 식품의약품안전처와 FDA 및 Novel Food 등의 규제를 통과하여 실제 해외로 수출되고 있는 국산 유래 미세조류는 현재 거의 없다고 할 수 있습니다. 또한, 대부분 해외에서 수입한 균주를 위주로 국내 오메가-3 지방산 등의 산업화가 이뤄지고 있는 실정입니다. 우리나라에서 미세조류 산업화가 잘 이뤄지지 않았던 이유는 규제를 통과하는데 분석해야할 자료가 많고 투자금액이 매우 높은 이유도 크지만, 실제 산업화가 가능한 미세조류를 선별하고, 이를 고밀도로 배양하여, 효율적인 수확 기술을 통해 다양한 제품으로 개발할 수 있는 기술적인 능력이 부족한 원인도 있습니다. 현재 미세조류 바이오매스를 다양한 제품의 원료로 사용하기 위해 많은 연구들이 전 세계적으로 진행되고 있습니다. 특히 지구온난화 문제가 심각해지는 상황과 동물윤리에 대한 인식이 높아지는 상황 속에서 비건식품의 인기가 나날이 높아지고 있습니다. 따라서 식물과 비슷한 특성을 갖는 미세조류를 활용한 다양한 비건식품 개발과 화장품 및 의약품 등의 소재화에 대한 관심이 앞으로 더욱 높아질 것이라 생각됩니다. 아직 미세조류 산업화는 초기 단계이고, 현재 매우 소수의 미세조류 종들만 산업화가 이뤄져 있는 상황이기 때문에 국가적으로 미세조류 산업화를 위한 연구개발에 많은 비용을 투자해서 다양한 대량배양 가능 종들을 선별하고, 규제를 통과할 수 있는 데이터를 확보하여 미세조류 산업시장을 빠르게 선점해 나갈 필요성이 있다고 사료됩니다.

Q7 연구 개발 장벽이 높으면서도 가장 발전 가능성이 큰 해양바이오 소재는 무엇인가요? 그리고 이를 위해 국립해양생물자원관이 심혈을 기울여 연구 중이거나 관심을 가지고 있는 바이오 소재가 있다면?

해양동물, 식물 및 미생물 등 매우 다양한 해양바이오 소재가 존재 하지만, 그 중에서도 저는 미생물 및 미세조류 소재가 앞으로 발전 가능성이 가장 높을 것이라 생각됩니다. 그 이유는 첫 번째로 대량배양을 통해 일일 생산이 가능하기 때문입니다. 미생물 및 미세조류는 배양 최적화가 이뤄질 경우 짧은 시간 동안 1개의 세포가 수십, 수백 개의 세포로 분열되어 성장 속도가 매우 빠릅니다. 따라서 미생물 및 미세조류 자원은 지속적인 대량생산이 가능하며, 대량생산이 가능한 소재 자원은 산업화에 적용하기가 매우 용이하다고 할 수 있습니다. 두 번째 이유는 미생물과 미세조류 소재가 기존 육상식물 및 동물 자원들보다 소재 차별성과 독점성이 높기 때문입니다. 미생물과 미세조류 자원의 바이오매스를 생산하기 위해서는 특별한 시설과 배양 기술들이 필요하기 때문에 독점성을 가질 수 있습니다. 또한 지구상에 매우 많은 수가 존재하는 것에 비해 대부분의 미생물 및 미세조류 자원들이 일반인들에게 잘 알려져 있지 않거나 식품 등의 원료 등록이 안 되어 있습니다. 따라서 기존 육상자원들과 비교했을 때 대중들에게 새롭게 느껴지고, 그로 인해 높은 차별성을 갖습니다. 세 번째로는 대부분의 해양미생물 및 미세조류들이 효능이 좋은 고부가 물질들을 세포 내에 함유하고 있고, 기존에 식품을 통해 섭취할 수 있었던 물질들과는 다른 신규 물질들을 많이 포함하고 있습니다.
따라서 이러한 신규 물질들을 발굴하고, 기능을 분석하여 대량생산할 수 있다면, 매우 발전 가능성이 큰 해양 바이오소재가 될 수 있다고 생각합니다. 현재 국립해양생물자원관에서는 해양동물과 식물 및 미생물을 포함한 모든 해양바이오 소재에 관심을 가지고 다양한 전문가 분들이 산업화를 할 수 있는 소재개발을 위해 심혈을 기울여 연구에 매진하고 있습니다. 저는 개인적으로 모든 해양바이오 소재가 훌륭하다고 생각하지만, 무엇보다도 산업화를 위한 대량생산이 가능한 소재가 가장 훌륭하다고 생각합니다. 바이오소재의 산업화를 진행했을 때 제품의 대량생산을 위해서는 소재 대량 확보가 불가 피하기 때문입니다. 따라서 앞으로 우리 자원관도 이러한 대량배양이 가능한 증식가능자원 소재를 중심으로 많은 연구들을 진행하여 다양한 기업으로 기술이전을 추진해 나간다면 현재 약 6,000억 원 규모의 국내 해양바이오 시장 규모를 해양수산부가 2030년까지 목표로 하고 있는 1조 2천억 원 규모로 충분히 확대할 수 있을 것이라 믿어 의심치 않습니다.