합성생물학 강의노트

(강의 내용을 요약)

 

1. 합성생물학은 생물학을 공학처럼 다루는 학문으로, 기존 대사공학,유전공학과 겹치는 부분이 많지만 ‘부품화, 표준화, 모듈화, 설계’를 본질로 삼는다는 점이 핵심 차이다. 컴퓨터나 기계가 부품–모듈–시스템으로 계층적으로 구성되듯, 생물학도 유전자–단백질–회로–모듈–세포 시스템이라는 구조로 재해석할 수 있으며, 이를 설계하여 새로운 기능을 만드는 것이 합성생물학이다.

 

교수님께서 먼저 유튜브 영상을 간단히 하나 보여주었다. 

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내용: 신흥 생명공학의 최전선에는 합성생물학이 있습니다. 모든 규모에서 살아있는 시스템을 조립해 문제를 해결하고, 새로운 제품을 시장에 내놓으며, 그 과정에서 생명을 더 잘 이해하는 기술입니다. DNA에 암호화할 수 있는 모든 것은 필요할 때, 필요한 곳에서 ‘재배’될 수 있습니다. 생명 자체는 이미 식품, 소재, 의약품, 연료 등을 정밀하게 만들어내는 방법을 배워왔습니다. 예를 들어, 합성생물학은 뿌리가 어떻게 가지를 뻗거나 수분을 찾기 위해 깊이 내려가는지를 재설계함으로써 더 기후 회복력이 높고 영양가 높은 작물을 만드는 데 사용되고 있습니다. 의학 분야에서는 바늘 없이 백신처럼 보호 기능을 제공하는 피부용 크림을 만들거나, 누구든지 자신의 건강 상태를 알 수 있도록 인체와 함께 작동하는 새로운 진단 기술을 개발하는 데 활용되고 있습니다.

 

그러나 합성생물학이 가진 모든 가능성과 장점에도 불구하고 문화적, 경제적, 안보적 문제가 부족하지 않습니다. 인간 세포와 능력을 수정하는 것, DNA 서열을 특허로 보호하는 것, 새로운 생명을 창조한다는 개념 자체는 매우 현실적이고 지속적인 윤리적 우려를 낳습니다. 또한 우리는 다른 국가들, 특히 중국이 오랫동안 생명공학을 국가적 핵심 전략으로 삼아 우리를 앞서가고 있다는 현실도 마주해야 합니다. 미국이 생명공학을 위한 포괄적 전략을 개발하고 발전시켜 지속적이고 전략적인 투자를 이어간다면 사회적,경제적 발전을 향한 책임 있는 변화를 주도할 기회를 갖게 됩니다.

 

민간과 공공 부문의 전략적 파트너십은 연구개발을 지속하고, 기술 표준을 개발하며, 바이오안보 전략을 실현하고, 합성생물학을 삶과 환경에 현명하게 적용하기 위해 그 어느 때보다 중요합니다. 

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2.  합성생물학은 새로운 생물학적 부품, 장치, 시스템을 설계하고 구성하는 것이 핵심 정의이다. 하지만 합성생물학의 범위가 커지면서  기존 시스템을 재설계하여 특정 용도로 사용하는 것도 합성생물학에 포함되었다.

 

즉, 완전히 새로운 부품을 만드는 것뿐 아니라,기존의 자연 시스템을 재설계해 새로운 목적을 달성한다면 그것도 합성생물학이라는 것이다.

 

 

3. 합성생물학은 과학과 공학이 결합된 새로운 형태라고 볼 수 있으며, 학자의 관점에 따라 더 과학적일 수도, 더 공학적일 수도 있다. 분자생물학은 자연 시스템(세포, 회로)을 이해하고자 하므로 과학이지만, 합성생물학은 그 이해를 바탕으로 예측 가능한 회로 설계, 모듈 조립, 새로운 기능 구현을 목표로 한다. 그런 관점에서 공학으로 볼 수 있다.

 

4. "합성생물학 안에는 실제로 두 방향이 있습니다. 하나는 부품, 작은 회로, 시스템을 만드는 분야이고, 다른 하나는 그 합성된 부품을 활용하는 응용 분야입니다. 그 응용은 고부가가치 화학제품, 식품 성분, 논란이 있지만 식품 자체, 바이오연료, 천연물 등 다양합니다.이건 전체 개요입니다. 그런데 여기서 중요한 질문은, “합성생물학의 개념이 무엇인가?”입니다." 

 

합성생물학의 핵심은 모든 공학 분야에서 공통적으로 등장하는 설계 계층 구조를 생물학에도 그대로 적용하는 것이다.
건축·기계·화학공정처럼, 세포에서도 작은 부품이 모여 모듈이 되고, 모듈이 결합해 시스템을 형성한다.

예를 들어 화학공정에서 반응기,분리기,증류탑이 기능 단위를 이루고, 그 내부에는 트레이,리보일러,응축기 같은 작은 부품이 존재하듯, 생명체에서도 유전자, 단백질, 효소, 경로, 대사 시스템이 계층적으로 존재한다. 자연계 세포 구조는 인간이 설계한 것이 아니지만, 구조적 원리는 공학 시스템과 유사하게 ‘부품 → 모듈 → 시스템’으로 구성되어 있음을 알 수 있다.

 

이 공학적 관점을 적용하면, 유전자·프로모터·코딩서열·종결서열 같은 부품(parts)을 조합하여 특정 기능을 수행하는 장치(device)’를 만들고, 여러 장치를 조립해 새로운 시스템(system)을 구축할 수 있다. 즉, 세포 안의 유전자·단백질 집합(부품) → 경로(모듈) → 대사(시스템)의 구조를 이해하고, 그 위에 인공적인 설계 개념을 얹어 새로운 기능을 갖춘 생명 시스템을 만들어내는 것, 이것이 바로 합성생물학의 본질이다.

 

"하지만 최소한 우리는 세포에도 엔지니어링과 비슷한 원리가 있다는 것을 발견합니다. 즉, 작은 요소(유전자/단백질)가 있고,
그 요소가 조립되어 기능을 가진 모듈이 되고, 모듈이 합쳐져 시스템이 됩니다. 인공 시스템과 같은 개념입니다.

그렇다면 우리는 유전자나 단백질 같은 작은 요소를 사용해 인위적으로 회로(genetic circuit)를 설계할 수 있습니다.

이건 세포가 아니라 인간이 만든 것입니다. 이게 바로 합성생물학 또는 생명공학적 공학의 개념입니다." 

 

5. "그래서 합성생물학에서 반드시 이해해야 할 세 가지 기본 개념이 있습니다.
첫째, 모듈성(modularity).
둘째, 재현성(reproducibility).
셋째, 표준화(standardization)."

 

교수님은 합성생물학의 세 가지 핵심 원리—모듈성, 재현성, 표준화—를 강조했다. 모듈성은 컴퓨터 메모리를 갈아끼우듯, 프로모터·유전자·회로 조각을 바꾸는 것만으로 세포 기능을 대체하거나 향상하는 개념이다. 재현성은 설계한 회로가 매번 동일하게 동작해야 한다는 것이고, 표준화는 레고 블록처럼 누구도 호환 가능한 생물학적 부품을 만드는 것이다. 표준화가 실패한 사례로 비디오 테이프 규격 전쟁, iPhone 충전기 규격 등을 언급하며, 생물학도 표준화가 필요하다고 설명했다.

 

6. 합성생물학에서 중요한 한 예는 iGEM입니다. iGEM은 국제적인 학생 합성생물학 경진대회입니다. 원래 학부 수준에서 시작했지만 이제는 고등학교, 중학교까지 확대되었습니다. 아주 큰 커뮤니티입니다. 아이디어는 학생들이 팀을 꾸려 합성생물학 프로젝트를 수행한 뒤 파리에 모여 서로 발표하고 축하하는 것입니다. iGEM에서 나온 매우 흥미로운 결과도 많습니다. 그 중 하나는 초기 iGEM 대회에서 UC 샌프란시스코 팀이 살아있는 세포(대장균)를 이용해 이런 사진 같은 것을 만든 사례입니다.

 

이후 교수님은 학생들이 실제로 수행한 사례들을 소개했다. 대장균으로 그림을 그리는 프로젝트, 색이 다른 세포들을 만드는 프로젝트, 병원체 감지용 미생물 제작, 효모를 이용해 말라리아 치료제 아르테미시닌을 대량 생산하는 연구, 유전자를 삽입해 미생물로 인공 거미줄을 만드는 연구, 플라스틱 분해 단백질 설계, 스트레스 호르몬 감지 센서, 환경정화 미생물, 암세포 신호를 감지해 스스로 약물 생산 후 자멸하는 대장균 설계 등 수많은 실제 합성생물학 프로젝트가 예시로 제시되었다. 이러한 사례 대부분은 학부생·초보자도 수행할 수 있는 수준이라는 점에서 합성생물학의 낮은 진입 장벽과 높은 창의 가능성을 보여주었다.

 

 

7.실제 합성생물학의 적용사례: 가장 흥미로운 영역인 ‘생산 분야’를 먼저 소개했다. 대장균,효모,포유류 세포를 엔지니어링해 단백질 의약품, 바이오연료, 화학물질, 바이오소재, 제약 제품 등 다양한 물질을 생산할 수 있으며, 이는 기존의 유전공학, 대사공학과 상당히 겹친다. 그래서 초기에 “대사공학과 합성생물학의 차이”에 대해 많은 논쟁이 있었지만, 인위적 회로 설계와 새로운 기능 창출이라는 개념을 적용하면 그것을 합성생물학이라 부를 수 있고, 세포를 ‘셀 팩토리’로 재설계하는 것도 중요한 응용 분야라고 설명했다.

 

하지만 제가 설명한 핵심 개념— 즉, 인위적으로 유전 회로를 설계하고 새로운 기능을 만들고 적용한다면— 그것은 합성생물학이라고 주장할 수 있습니다.

 

의학·헬스 분야에서는 생물학적 시스템을 활용해 감지·진단 센서를 설계할 수 있으며, 코로나 팬데믹처럼 감염 여부를 빨리 알고 싶은 상황에서 이런 생물학 기반 센서가 중요한 역할을 한다. 환경 분야에서는 플라스틱 오염 해결, 생분해 플라스틱 생산, 폐기물의 유용물질 전환, 오염 정화(바이오리메디에이션), 핵발전소 사고 지역의 방사성 물질 회수 등 여러 가능성이 있다. 최근에는 반도체 산업 핵심 자원인 희토류를 미생물로 회수하는 바이오마이닝도 잠재적 응용 영역이다.

 

작물 엔지니어링(GMO) 역시 합성생물학과 연결된다. 옥수수·감자 등 대부분의 작물이 이미 GMO임에도 사람들은 인식하지 못하는 경우가 많으며, GMO의 수용 여부와 위험성에 대한 논쟁이 계속되고 있다. 이처럼 합성생물학은 미생물,식물,포유류 세포에 유전공학적 개념을 적용해 다양한 화학물질, 연료, 약품 등을 생산하는 모든 분야와 연결되며, 심지어 DNA 컴퓨팅 같은 분야까지 확장된다.

 

합성생물학이 전 세계적으로 주목받기 시작한 대표적 사건은 말라리아 치료제 아르테미시닌 생산 성공이었다. 기존에는 식물에서 극소량만 추출할 수 있었고 매우 비쌌지만, Jay Keasling이 효모를 엔지니어링해 전구체를 대량 생산하는 데 성공하며 생산성이 폭발적으로 증가했다. 그는 10억 달러 이상의 비용 절감 효과를 주장했고, 이 사례가 합성생물학의 가능성을 전 세계에 각인시켰다. 또한 미생물을 이용한 바이오연료 생산, 미생물 기반 거미줄 단백질(spider silk) 생산처럼 기존 방식으로는 불가능하거나 비효율적인 물질을 합성생물학으로 만드는 사례도 이어지고 있다.

 

더 극적인 사례는 암을 감지하고 치료하는 대장균 설계다. 암세포가 방출하는 신호를 감지하면, 엔지니어링된 대장균이 약물을 생산해 암세포를 공격한 뒤 스스로 사멸하도록 하는 ‘자폭 드론’과 같은 개념이다. 그러나 이런 기술은 위험성이 높기 때문에 반드시 감지 → 반응 → 약물 생산 → 자기소멸이 포함된 안전한 설계가 필요하다.

 

이와 같은 기술은 바이오테러, 병원체 변형, 코로나처럼 위험한 변이 발생 등의 심각한 윤리·안보 문제도 내포한다. 그래서 아직은 강한 규제가 존재하지만, 기술적 안전성과 사회적 논의가 점차 개선되며 발전하고 있다.

 

 

8.  마지막으로, 제가 MIT에서 제작한 홍보 영상을 하나 찾았는데, 그 영상에서 소개한 다양한 합성생물학 응용 사례는 저희 연구실이나 우리대학에서도 충분히 가능한 것들입니다. 그래서 어떤 프로젝트들이 있는지 간단히 보여드리려고 합니다.

 

교수님은 MIT에서 제작한 홍보 영상 속 다양한 합성생물학 응용 사례들을 소개하며, 영상에 등장하는 프로젝트 대부분이 우리 대학이나 연구실에서도 충분히 실현 가능한 수준이라고 강조했다. 예로는 피부에 올려 스트레스 호르몬 코르티솔을 감지하는 생물센서, 박테리아, 곰팡이를 이용한 생물학적 신경회로, 타디그레이드 단백질을 활용한 난소암 예방 유전자치료제, 지속 가능한 미생물 기반 대체육 생산, 프로바이오틱스를 이용한 산호 온도 스트레스 보호 기술 등이 있었다. 이는 모두 MIT–Harvard 글로벌 합성생물학 과목 How to Grow Almost Anything(Grow Almost Anything) 의 학생 기말 프로젝트이다.

 

 

9. 홍보 영상 내용

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MIT–하버드의 글로벌 합성생물학 수업 How to Grow Almost Anything에서는 코르티솔 감지 바이오센서, 생물학적 시멘트로 만든 살아있는 공예품, 난소암 예방을 위한 물곰 단백질 기반 유전자치료, 지속 가능한 배양육, 산호초 회복력 증가용 프로바이오틱스처럼 혁신적인 학생 프로젝트가 나오고 있다.

 

이 수업은 DNA 편집, 단백질 설계, 유전회로, 셀프리 시스템, 게놈 공학 등 최전선 기술을 다루며, 특히 실험 자동화와 클라우드 생물학을 핵심 미래 영역으로 삼는다. 학생들은 OpenTrons 로봇을 직접 프로그래밍해 형광 박테리아로 작품을 만들고, 생물학 실험 전체를 로봇·클라우드 기반으로 수행하는 경험을 갖는다. 전공 배경이 없어도 참여할 수 있어 컴퓨터공학, 디자인, 경영 등 다양한 분야의 학생들이 모이며, 1,300명 규모로 성장했다. 학생 → TA → 교수진으로 이어지는 선순환 구조가 형성되어 세계적 학습 공동체를 만들고 있다.

 

팬데믹 기간에는 전 세계 학생들이 파이썬을 이용해 원격으로 로봇 실험을 수행했고, 이를 계기로 MIT는 오프라인·온라인·로봇을 연결하는 글로벌 학습 네트워크 모델을 구축했다. 뉴욕, 런던, 한국, 일본 등 세계 여러 도시에 학습 노드가 있으며, 대면 또는 동일 시간대 가상 코호트로 함께 학습할 수 있다. 이 네트워크는 단순 교육을 넘어 글로벌 공동연구 플랫폼으로 확장되고 있는데, 예를 들어 전 세계 학생들이 항생제 내성 박테리아를 위한 라이신 단백질을 설계하면 MIT와 각 지역 노드가 디지털 미세유체 기술 및 저비용 로봇으로 이를 실험·검증한다. 이런 구조는 대규모 설계 탐색, 재현성 연구 등 협력 과학을 가능하게 한다.

 

최근에는 세포가 신경망처럼 작동하는 뉴로모픽 유전회로 프로젝트를 글로벌 단위로 진행 중이며, 학생들이 설계·로봇 프로그래밍·형질도입을 수행하고 TA가 데이터를 분석한다. 프로그램은 생물안전·생물보안도 중요하게 다루며, DNA 스크리닝과 로봇 프로토콜 안전 연구도 병행한다. MIT는 더 많은 노드를 구축하고, 생물학 기반 경제에 필요한 인재 양성을 위해 생물학적 문해력을 새로운 핵심 역량으로 제시한다.

 

마지막으로, 여러 로봇을 연결해 모든 생물학적 워크플로우를 자동화할 수 있는 클라우드 랩 시스템 Nebula를 소개하며, 이를 기반으로 ‘클라우드 랩으로 할 수 있는 20가지’ 같은 새로운 학습 모델을 개발 중이라고 말한다. 전반적으로 이 프로그램의 목표는 로봇·클라우드·학습 네트워크를 활용해 합성생물학 창의성을 전 지구적으로 확장하고, 기후위기와 생태위기 시대에 생명공학을 통해 인류와 지구 전체의 번영에 기여하는 것이다.

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10. 마지막으로 내용을 정리했다. 합성생물학의 과정은 다음과 같다. 첫째, 우리가 만들고자 하는 ‘제품’을 정한다. 연료, 단백질 의약품, 거미줄, 비타민 등.  둘째, 어떤 세포를 사용할 것인가? 대장균, 효모, 기타 다양한 세포들이 있다. 이때 엔지니어링된 좋은 세포를 선택해야 한다. 여기까지가 기본 구성 요소이다.

 인위적으로 유전 회로를 설계하고 새로운 기능을 만들고 적용한다면 그것은 합성생물학이다.

 

11. 프로젝트 예고를 하였다. 프로젝트는 10페이지 이하 제안서와 발표 슬라이드로 구성되며, 실제 실험을 할 필요는 없고 “이런 방식으로 연구를 할 수 있다”는 형태의 창의적인 연구 제안을 작성하면 된다. 주제 선택은 자유이며, 세포 엔지니어링, 모듈 설계, 바이오리액터 기반 생산, 색소 유전자 삽입, 합성 회로 등 수업에서 다룬 모든 내용을 참고할 수 있다. 이미 완전히 수행된 프로젝트 대신 새로운 요소를 더한 창의적 아이디어가 요구된다. 팀 구성원은 브레인스토밍을 통해 아이디어를 정리하고, 다음 주에 5분짜리 간단한 소개를 제출하면 교수의 피드백을 받게 된다. 팀 기여도가 평가에 반영되며, 이번 주에는 중간 발표 점검을 진행하고 이후 강의 없이 프로젝트 중심으로 진행된다는 일정이 공유되었다.