(1) 연구필요성
○ 추진배경
- 기후변화 등 글로벌 환경변화에 따라 해양바이오매스의 안정적 공급은 해양생명자원의 산업화를 위해 매우 중요하며, 해양생물 고유특성에 의한 원천기술의 확보로 이어짐
∙
생물독 활용연구의 국제적 동향은 육상생물 기원에서 해양생물 기원으로 옮겨가고 있는 추세 이나, 국내 해양생물독 활용연구는 극히 초기 단계에 머물고 있음∙
내성 문제와 부작용이 적은 단백질계 바이오메디컬 소재 개발 필요성 증가∙
해양식량자원의 안정적 확보는 중요성이 날로 증가하고 있으며, 미래 성장산업으로 재도약하기 위한 국가 정책에 부응- 현 정부를 비롯, 역대 정부는 해양바이오 분야를 해양 신산업으로 정의하고, 해양바이오 산업을 통한 국가경쟁력 제고를 주요 정책방향의 하나로 선정
∙
정부는 해양바이오 산업을 통해 해양신산업 창출과 양질의 일자리에 대한 지속가능한 창출을 강조(`17.5. 바다의 날 문재인 대통령)- 바이오 기업들은 신규 산업소재의 고갈 등을 이유로 해양바이오 분야로의 진출을 희망 하고 있으며, 향후 해양바이오 산업의 전망은 매우 밝은 것으로 분석
∙
국내 바이오 기업의 75%는 향후 해양바이오 분야로의 진출을 희망(KIOST, `19년)∙
주요 시장조사 기관 전망에 따르면, 해양바이오 산업은 향후 연평균 8.2% 성장 예측(Energias Market Research Pvt. Ltd. 2018)○ 사회․경제적 측면
- 기후변화 협약, 생물자원 주권화 그리고 식량안보 확립 등에 대응하고 바이오 분야의 국가 경쟁력 제고를 위해 해양생물자원 발굴
･개량기술 및 탄소자원화 기술 개발에 지속적
투자 필요- 신규성과 기능성이 우수한 해양소재를 활용한 글로벌 시장 진출을 위한 과학화, 표준 화 필요
- 국민 보건 환경 유지를 위해 보다 정밀한 생물독 분석법 개발이 필요하며, 이를 위해 표준 생물독 생산과 추출 방법에 대한 연구 필요
- 단백질치료제 시장은 2015년 1,370억$, 매년 8.7% 성장이 예상되는 고부가가치 산업으로 중장기 R&D 투자를 통한 성과확보 필요
○ 과학기술적 측면
- 해양소재를 산업소재로 활용하기 위해서 유효성분을 균일하게 유지할 수 있는 배양기술 개발이 필요하고, 이를 통한 안정적인 바이오 산업소재 공급 가능
- 전 지구적 해양
･극한(미)생물 확보, 오믹스연구 및 유전체 편집기술의 활용을 통한 플랫폼
미생물 개발기술은 생명현상의 이해, 생명자원의 활용기술 개발의 필수 요소- 해면동물 추출물은 암세포 억제 천연물의 출현빈도가 높지만, 물질 함유량이 적어 발생 하는 공급 문제 해결을 위해 합성 생물학적 접근 필요
- 해양식량자원의 확보와 관련 산업의 새로운 부가가치 창출을 위해 4차산업 기술(ICT, IoT, 인공지능, 드론 등)을 활용한 새로운 패러다임 전개에 맞는 생명공학 기술의 접목 이 필요
(2) 선진국 연구개발 동향
○ 해양생물․유전자원 활용기술 개발을 위한 선진기관들의 지속적인 노력이 이뤄지고 있음 - 미국 NCI, Univ. of Illinois, UC, MIT, SIO, 이스라엘 Seakura Ltd, Aquabounty
Technologues Co. 등의 기관이 관련 분야에서 상대적인 두각을 나타내고 있음
- KIOST는 이들 선진기관들 대비 10-75% 정도 수준의 기술력 보유하고 있어, 향후 이 분야에 대한 집중적인 투자를 통한 기술력 확보 필요
[표 4-2-1] 해양생물․유전자원 활용기술 개발 부문에 대한 유사 선진기관과의 비교
분야 기관명 최고기술기관 기술수준 KIOST 기술 수준
생리활성 성분 (생물독, 천연물) 발굴․분석 기술
개발
․NRC(캐) ․해양생물독 라이브러리 ․마비성패류독(PSP) 확보 수준 (10%)
․NCI(미) ․해양천연물 라이브러리 구축 ․해양생물 유래 추출물 라이브 러리 (50%)
․Univ. of Illinois,
UC(미) ․천연물 생합성 유전자군 이형
발현을 통한 생산기술 확립 ․천연물 분리, 규명, 활성 확인, 유전자군 삽입 가능(10%)
해양 생물자원 소재 대량배양 생산
기술 개발
․Seakura Ltd. (이) ․육상기반 해조류 생산 ․Lab test(65%)
․MIT(미) ․C1가스 발효로 OD=11.3,
6g/day/L-acetate 달성 ․C1가스 발효로 OD≃1, 1g/day/L-acetate
․Aquabount y Technologies Co.(캐)
․해양식량어류 생산의 전과정 (품종개량, 사육 등) 기술의 상업화 달성
․고기능성 양식어류 개발 2종
․세계 상위수준에 근접한 해양 자원조성 원천기술 확보 유전체정보를
활용한 의약소재 개발
․SIO(미) ․해양 신규 단백질 발굴/ 분석
연구 활성화 ․해양 단백질의 재조합 생산
및 분석(70%)
․Cyanotec Ltd.
(미) ․상업용 미세조류 식품생산 ․Pilot test(75%)
( )안의 값은 최고기술국 대비 KIOST 역량수준
(3) 연구개발 목표
○ 최종목표 : 해양생명자원을 활용한 생물원료․소재생산-연구개발-산업화로 연계된 융합 기술 개발을 통한 해양바이오 및 식량 산업 활성화 지원
- (연구개발 목표) 해양생명자원 유래 활성물질 발굴, 분석, 응용기술 개발 및 라이브러리 구 축, 해양생물유래 단백질 의약·기능성 소재 및 식량·식품 개발
[그림 4-2-1] 해양생물․유전자원 활용기술 개발 분야 목표체계
[표 4-2-2] 해양생물․유전자원 활용기술 개발 분야 중장기 로드맵
연구분야 최종목표 연구분야 단계별 주요 내용
단기(`19～`22) 중기(`23～`27) 장기(`28～`30)
해양생물 유래 활성 물질 분석 발굴 기술개발
․활성 물질 (독성, 생리활성, 형광) 라이브 러리 구축, 활용
․생물독 분석법 및
생산 기반기술개발 ․생물독(PSP 위주) 라이브러리 기반 구축
․해양생물독 라이브 러리구축
․활성 천연물 발굴
및 응용기술개발 ․활성 해양천연물 작용기전 규명, 형광 소재 도출
․해양천연물 활용 의약소재 개발
․천연물의 이형발현
조건 확립 ․이형발현을 통한 천연물 생산
해양 생명자원 소재 대량배양 생산
기술개발
․육상기반 원료 배양 표준화 기술 확립
․미세조류 배양 10 톤급 표준화 기술 확립
․1000톤급 표준화
기술 확립 ․상용화 파일럿
․대사 발효공학 기반 C1 가스 전환체계 구축
․적응진화, 경로 재 설계, OD≃10.0 수준 발효
․개량균주, 산물생산성 향상 (8g/d/L-acetate 생산 수준)
․C1 가스 전환 실증
․해양식량자원
생산성 향상 ․해상 구조물을 이용 한 자원조성 및 고기능성 해양어류 상업화 기술개발
․해상풍력발전 단지 2곳 이상 자원조성 실증 및 고기능성 해양어류 상업화 1건 달성
․우리나라 전 연안 해상풍력발전 단지 의 자원조성 실증 및 고기능성 해양 어류 상업화 1건 달성
의약소재 및 기능성 소재
개발
․해양단백질신약
소재 개발 ․치료제 활성 /물성 개선 연구 (비임상 후보 도출)
․비임상 후보물질
발굴 확대 ․해양단백질 기반 단백질신약 개발
․해양바이오매스 기반 식의약소재 개발
․실험실 검증 ․식약처 인증 ․소재 상용화
[표 4-2-3] 해양생물․유전자원 활용기술 개발 분야 추진체계
연구분야 연구방법 국내 외 협력 / 융합전략 등
기관 협력내용
해양생물 유래 활성 물질 분석 발굴 기술개발
․천연물 활성 분석 ․서울대, GGBC,
필리핀대, NITRA ․HTS 활용 특이활성 분석
․열대 해양생물자원의 공동 활용
․메타게놈 해석, 활성
천연물 생합성 경로규명 ․(주)오믹스피아 ․메타게놈 정보 분석
․천연물 생합성 경로 규명
․천연물 이형발현 조건
탐색 ․이대, 인하대 ․이형숙주 탐색, 유전자 재조합
생명자원 소재해양 대량배양 생산
기술개발
․육상기반 원료배양
표준화 기술 확립 ․제주대
․㈜ENC기술
․미세조류 대량배양 조건 탐색, 지표 성분 함량 분석
․육상 기반 용암해수 활용 시스템 설계
․대사 재설계, 유전체 편집 및 기능 발현, 발효기술 고도화
․KAIST
․전남대 등
․유전체 편집기술, 고농도 배양기술
․자체적으로는 유전체 편집 등의 최등 협력 첨단 기술과 발효-기술 등의 전통 기술 접목
․해양식량자원 생산성
향상 ․한국전력공사
․미래아쿠아팜 ․해상풍력단지 내 자원조성 협력
․외해 및 해외 생물자원 생산사업 협력
의약소재 및 기능성 소재
개발
․바이오메디컬소재 개발 을 위한 융합 연구
․DGIST, K-Bio,
․게놈연구재단,
․(주)프로셀테라
․전남대 등퓨틱스
․데이터마이닝 인프라구축, 단백질 구조기반 특성분석
․안정화, 발현 효율 향상, 선도물질 최적화, 동물 모델 실험
․소재화 기술 등 의약품 개발
․산 학 연 협력을 통한 융합연구 수행
․해양바이오매스 유래 성분의 기능, 적용성 분석 (세포실험 등)
․충남대, 부경대
․KAIST, 경희대
․제주대, 서원대
․펙틴 소재 활용성 검증(프리바이오틱, 하이드로겔)
․인지기능(기억력)개선 소재 및 FBS 대체제 검증 (재조합단백질 생산, 줄기세포 배양, 어류백신 생산)
(4) 성과활용 및 기대효과
○ 성과활용
- 확보한 해양생물･유전자원 인프라를 생명공학기술개발사업에 활용할 수 있으며, 구축된 천연물 및 생물독 라이브러리는 의약품 개발을 위한 원천소재로 활용
- 미세조류의 안정적 생산으로 소재 표준화가 가능하며, 기능성 화장품 및 식품 원료 등의 산업화를 통한 경제적 가치 획득
- 단백질 바이오메디컬 소재의 원천 기술로 지적 재산권을 확보하고, 의학용(치료, 진단, 생체 조직 포함), 기능성화장품용 단백질 소재를 사업화할 수 있는 기반으로 활용 - 대사과정 재설계기술, 유전체 편집기술과 이를 이용한 대사재설계 균주는 활성 천연물
등 유용소재 생산수준 제고를 통해 산업소재로 활용
- 해상 구조물을 이용한 자원조성 기술은 한국전력공사의 해상풍력단지 건설사업 시
‘자원조성’이 필수 아이템으로 선정되는데 활용하며, 고기능성 해양어류 품종은 국내 이상 수온 대응 및 수출에 활용
○ 기대효과
- 미세조류 배양으로 국민건강증진을 위한 제품의 개발 및 실효성 있는 공공사업 영역의 활동으로 관련 산업체에서 활용 가능한 글로벌 확산 모델 제시
- 해양생물독의 시공간적 변화 및 생태독성평가 결과는 국민안전을 위한 예보 또는 안전한 수산물 섭취에 대한 정책 자료로 활용가능
- 의약용 단백질 소재 개발 인프라, 유전체 분석 기반 천연물 생산기술 플랫폼 구축으로 지속적인 소재 개발 및 사업화가 가능하여 이에 따른 경제적 가치 창출 기대
- 생명공학과 스마트기술 접목으로 해양식량자원 생산효율성 증대와 미래산업으로 육성
(5) 연구예산 및 인력소요
[표 4-2-4] 해양생물․유전자원 활용기술 개발 분야 예산 및 인력수요
(단위: 억원, 명)
연구분야 `21 `22 `23 `24 `25 `26 `27 `28 `29 `30 합계 해양생물 유래 활성
물질 분석 발굴 기술개발
예산 20 22 24 26 28 30 32 34 34 36 286 인력 9 10 10 11 11 12 12 13 13 14 115 해양 생명자원 소재
대량배양 생산 기술개발
예산 20 25 25 25 30 30 30 35 35 35 290 인력 15 17 17 17 20 20 20 20 20 20 186 의약소재 및 기능성 예산 15 15 20 20 20 25 25 25 30 30 225