스마트팜과 식물백신

밀폐형 스마트팜(식물공장)에서 식물을 기반으로 백신을 생산한다

먼저 백신이라는 것이 무엇인지 한번 생각해 봅시다.

이 백신이라는 것이 처음 등장한 것은 1796년 영국의 에드워드 제너가 당시 사망률 40%에 달했던 천연두를 치료하기 위해 개발하면서부터입니다.

당시 제너는 소에게 감염된 천연두 즉 우두에 걸린 적이 있는 사람은 천연두에 걸리지 않는다는 소문을 들었습니다.

그 소문을 확인하기 위해 소젖을 짜는 여인의 손바닥에 생긴 종기에서 고름을 채취해서 8살 소년의 팔에 주사했습니다.

고름을 주사받은 소년은 곧 우두에 걸렸습니다만 얼마지 않아 소년 팔에 몇 개의 흔적만을 남기로 곧 회복되었습니다.

제너는 회복된 소년에게 진짜 천연두 환자의 고름을 소년에게 주사했는데 천연두에 걸

현재라면 말도 안 되고 절대 해서는 안 되는 실험이지만 제너의 이 실험은 천연두백신을 만드는 계기가 되었고 사망률 40%에 이르던 천연두가 세상에서 사라지도록 하는 계기가 되었습니다.

제너가 실험한 내용을 보면 백신이라는 것은 결국 특정한 질병을 일으키는 바이러스 등 병원체를 약하게 만들어서 인체에 주사하면 우리 몸의 면역세포가  항체를 형성해서 바이러스등 병원체에 대한 면역을 갖도록 하는 것이다.

좀 더 일반화해서 이야기해 보면 우리 몸에는 면역체계라는 강력한 군대가 있습니다.

이 군대는 우리 몸 안에 들어오는 어떤 병원체라도 우리 몸에 나쁜 영향을 끼친다고 판단한다면 제거할 수 있는 강력한 힘을 가지고 있습니다.

다만 문제는 우리 몸 안에 들어온 병원체가 우리 몸에 나쁜 영향 끼치는 놈인지 아닌지 판단하는 것이 어렵습니다.

새로운 병원체라면 우리 몸 안에 들어와 나쁜 영향을 끼치고 나서야 적으로 판단하고 공격합니다만 그때는 이미 늦는 경우가 있을 수 있죠.

그래서 이런 이런 형태를 가진 놈들은 우리 몸에 나쁜 영향을 끼치는 놈들이니 들어오면 바로 제거하라고 면역체계를 미리 훈련시켜 활성화시키는 것이 바로 백신입니다.

이렇게 면역체계를 활성화하면 몸에 병원체가 들어와도 병으로 발전하지 않도록 예방을 하거나 병으로 발전하더라도 그 피해를 최소화시키는 역할을 합니다.

병원체가 적군이고 면역이 아군이면 처음 접하는 적군에게는 아군이 쉽게 이길 수 없고 질 수 도 있지만 적군을 미리 약하게 만들거나 적군과 비슷한 형태의 대항군을 만들어서 아군을 훈련시켜서 적군을 이기거나 최소한 패배하지 않도록 하는 것이 백신이라고 할 수 있습니다.

우리가 백신이라고 하면 바이러스와 같은 단백질로 구성된 것을 말합니다. 그리고 바이러스와 같은 단백질을 생산하는 것이 바로 백신을 생산하는 것입니다.

물론 단백질을 생산한다고 해서 모두 백신을 생산하는 것은 아닙니다.

이 단백질을 생산하는 방법은 크게 3가지가 있습니다.

첫 번째는 동물기반 생산인데 이것은 살아 있는 동물로 백신을 생산하는 것이 아니라 특정한 동물의 세포를 기반으로 단백질을 생산하는 방법입니다.

두 번째는 박테리아나 효모 등 미생물을 기반으로 단백질을 생산하는 방법입니다.

마지막 세 번째가 오늘 이야기할 식물을 기반으로 해서 단백질을 생산하는 방법입니다.

이 식물기반 단백질 생산방법 내에 백신도 포함되어 있다고 보시면 됩니다.   

  

[그림]에서 보시는 것과 같이 현재 동물기반과 미생물 기반의 단백질 생산 방법에 대해서는 산업적으로 연구가 많이 되어 있습니다. 그런데 식물기반 단백질 생산은 충분한 기술적 수준이 있음에도 사업화를 위한 준비가 많이 되어 있지 않습니다.

아마 유전자변형작물(GMO)과 같은 이슈가 포함되어 있기 때문이 아닐까 합니다.

어쨋든 식물기반 백신을 연구하는 곳은 국내의 경우 최근 포항에 그린백신지원센터가 만들어지고 캐나다의 메디카고라는 기업이 코로나백신을 만드는 등 서서히 산업화의 단계를 밟아가고 있습니다.

국내에서는 바이오앱에서 돼지열병 백신을 만드는 등 성과를 보이고 있습니다만 캐나다의 메디카고와 같이 인체 의료용은 아직 국내에 인체의료용에 대한 개발절차나 검증방법 등 규제가 부족해 진행속도가 그렇게 높지 않습니다.

이런 식물기반 단백질 생산, 더하여 식물 백신의 생산에서 가장 중요한 것이 바로 밀폐형 스마트팜(식물공장)입니다.

GMO식물체나 단백질 생산을 위해 유전자편집된 마이크로박테리움이 자연환경에 유출된다면 자연환경에 예측할 수 없는 영향을 미칠 수가 있습니다. 그래서 GMO식물체나 유전자편집 마이크로박테리움 등은 외부 환경과 완전히 차단된 공간에서 관리되고 키워져야 합니다.

이렇게 외부와 완전히 밀폐된 환경에서 GMO식물체나 마이크로박테리움에 침윤된 식물체를 표준화해서 키워낼 수 있는 것이 밀폐형 스마트팜(식물공장)입니다.

이 밀폐형 스마트팜(식물공장)는 천연물의약품 생산에 필요한 균질화와 안정화된 천연물 원료의약품을 생산하기 위한 스마트팜의 역할과 비슷합니다.

천연물의약품 생산에 필요한 원료의약품 생산기술을 개발하기 위해 밀폐형 스마트팜에서 정밀한 환경조절을 통해 대사물질 즉 기능성물질을 균질화와 안정화 생산하는 것과 같이 식물기반 단백질 생산을 위해 필요한 특정한 조건에 맞게 스마트팜에서 정밀하게 환경을 조절하는 것입니다. 또한 앞서 언급한 것과 같이 식물기반 단백질 생산이나 식물백신 생산은 유전자 조작이나 유전자 편집이 들어가기 때문에 기존 생태계에 영향을 주지 않기 위해 외부와 완전히 차단된 완전 밀폐형 스마트팜은 필수적이라고 할 수 있습니다.

현재 국내에는 이렇게 식물기반 단백질 생산이나 식물백신 생산을 산업적으로 할 수 있는 기반이 거의 없는 상태로 몇몇 연구기관에 실험적으로 운영되고 있습니다.   

  

[그림]에서 보시는 것은 앞서 언급한 단백질 생산방법이 가지는 특징을 비교해 놓은 것입니다. 우리가 식물기반 단백질 생산이라는 것은 가장 아래에 있는 형질전환식물체입니다.

생산에 들어가는 전체비용은 매우 싸고 생산용량은 매우 높고 품질도 매우 매우 좋고 오염도 적으며, 저장비용도 다른 방법에 비해 아주 저렴합니다.

생산기간이 길다는 것은 식물을 기반으로 하다 보니 식물의 생육에 필요한 시간이라고 보시면 됩니다.

이런 식물의 생육에 필요한 시간은 계획생산을 통해 생산용량과 연계하면 충분히 감내할 수 있는 부분입니다. 특히 생산기간이 긴 대신에 종자나 모종만 있으면 필요할 때 필요한 만큼 언제든지 생산할 수 있기 때문에 생산기간이 길다는 것은 큰 문제가 안됩니다.

백신이라는 것은 앞서 제너의 천연두 백신 사례에서 보시는 것과 같이 약하게 만든 병원체를 몸 안에 넣어 몸 안의 면역을 활성화 또는 강화시켜 병을 예방하거나 치료하는 것을 목적으로 합니다.

식물백신이라는 것은 이런 백신을 식물에서 생산하는 것을 말합니다.

물론 단순히 식물을 키운다고 식물백신이 만들어지는 것은 아니고 식물 안에 병원체의 유전자를 조작해 넣은 형질전환 식물체를 만들거나 식물세포를 만들어야 가능합니다.

식물백신의 장점은 기존에 백신을 생산하는 방법과 비교를 해보면 알 수 있습니다.

기존 백신을 생산하는 방법 중 가장 대표적인 것이 첫 번째는 유정란 백신입니다.

우리가 독감백신을 맞을 때 많이 접하는 방식이죠.

닭이 낳은 유정란으로 백신을 생산하는 방법입니다.

유정란 백신은 닭이 낳은 유정란을 이용해 바이러스를 배양한 후, 생균을 무독하게 희석해 생산하는 방식입니다.

이 유정란 백신의 경우 전통적인 방식으로 단위 부피당 수율이 높은 것이 장점이지만 외부와 철저히 격리된 무균시설이 필요하고, 시설 규모의 확정이 제한적이며, 백신 생산을 위한 닭, 유정란 관리가 어렵다는 단점이 있습니다.

기존 백신을 생산하는 방법 중 두 번째는 동물백신입니다.

동물백신이라고 동물에게 주사하는 백신이라는 뜻은 아닙니다.

동물 또는 동물세포를 숙주로 해서 바이러스를 배양하기 때문에 동물백신이라고 합니다.

앞서 언급한 제너가 발견한 최초의 백신인 천연두백신이 소의 우두를 매개로 했으니 동물백신의 첫 사례라고 할 수 있겠죠.

동물백신은 동물세포를 대량으로 배양한 후 바이러스를 감염시켜 생산하는 방식입니다.

간단하게 이야기했습니다만  아주 복잡하고 어려운 과정을 통해 생산되는 것입니다.

동물백신의 경우 유정란에 비해 규모의 확장이 가능하지만 생독이 가지는 독성에 대한 안전성 문제와 생산 비용 및 기간 수요가 매우 크다는 단점이 있습니다.

유정란 백신이나 동물백신에 비해 식물백신이 가지는 장점은 상당이 많습니다.

첫 번째는 경제성에 큰 장점을 가지고 있습니다.

식물백신은 바이러스 유전자를 삽입한 식물체 또는 식물세포를 만드는 것이 어려울 뿐 그 이후 재배 또는 배양이 용이해 대량생산이 편합니다.

기존의 유정란 백신이나 동물백신의 생산방식과 비교했을 때 식물백신은 10% 정도의 비용으로 백신을 생산할 수 있습니다.

유정란 1개에 0.5 dose의 백신을 생산할 수 있는데 반해 식물백신은 식물체 1개에 50 dose의 백신을 생산할 수 있습니다.

곤충세포 유래 돼지열병 마커백신의 판매가격이 1 dose당 2불이라면 식물백신은 1 dose당 1불입니다.

두 번째는 신속성입니다.

식물백신은 발견에서부터 제품화에 걸리는 시간이 짧아 신속한 감염병 대처가 가능합니다. 그래서 빠르고 널리 퍼지는 전염병에 유리합니다.

신종플루(H1N1) 백신개발에 유정란 백신은 6개월, 동물백신은 3개월, 식물백신은 1개월 정도 걸렸다고 합니다.

세 번째는 안전성입니다.

동물백신의 경우 생독이나 사독을 사용하여 백신을 맞고 진짜 병으로 진행될 가능성에 노출되어 있습니다.

유정란 백신은 계란알레르기와 같은 부작용이 있을 수 있습니다. 그러나 식물백신은 바이러스의 유전자를 가지고 있지만 병원성 및 전파력이 없어 안전합니다.

동일 형태의 단백질이라고 하더라도 식물 바이러스는 인체에 무해해서 식물 백신은 병원체 오염사고로부터 원천 차단된다는 점에서 안전성을 기반으로 하고 있습니다.

네 번째는 뛰어난 항원성입니다.

항원성이라는 것은 바이러스에 대항하는 항체를 만들어내는 성질이라고 생각하시면 됩니다. 항원성이 뛰어나다는 것은 백신의 효과가 높다고 생각하시면 될 것 같습니다.

최근 개발된 돼지열병 식물백신은 돼지 바이러스 단백질이 식물에서 생산되어 종간의 이종성(異種性)으로 항원성이 매우 뛰어나다고 합니다.

다섯 번째는 식물백신은 일반적인 식물을 재배하는 것에 비해 부가가치가 매우 높다는 것입니다.

이것이 스마트팜으 연구하고 업으로 하는 제가 식물백신에 대해 이야기하는 이유입니다.

스마트팜이 가지는 특성을 극대화하면서 부가가치를 극대화할 수 있는 방법 중 하나가 식물백신을 생산하는 것입니다.

식물을 이용해 식물백신을 생산하는 경우 최대 50배 이상의 부가가치 창출이 가능하다고 합니다.

2016년에 식물백신을 연구하는 모업체에서 연구하는 결과 식물공장 재배 적상추 4kg 가격을 4만 원이라고 할 때 식물공장 재배 담배 4kg을 이용한 돼지 열병 백신 가격은 200만 원 정도 계산이 된다고 합니다.

마지막 여섯 번째는 이 식물백신이 이제 초기단계로 앞으로 폭발적인 성장 가능성이 있다는 것입니다.

식물백신을 생산하기 위해서는 밀폐형 스마트팜 즉 식물공장은 필수적입니다.

앞서 언급한 것과 같이 식물백신이라는 것이 일종의 단백질이고 식물에서 단백질을 생산하기 위해서는 유전자변형이나 유전자 편집이 수반되어야 하기 때문에 외부와 완전히 차단된 상태에서 재배되고 관리되어야 하기 때문에 밀폐형 스마트팜(식물공장)이 필수적입니다. 그리고 스마트팜 입장에서 기존 관행농업이 진입할 수 없는 곳에서 고부가가치의 작물을 재배할 수 있기 때문에 꼭 진출해야 할 분야이기도 합니다.     

GMO tomato as edible COVID vaccine? Mexican scientists woork to make it a reality, by DANIEL NORERO,

[그림]에서 보시는 것은 바이러스의 유전자를 주입한 박테리아를 식물체에 주입해서 백신을 생산하는 공정입니다.

이것은 식물체에 바이러스 유전자를 삽입해 형질전환 식물체를 만드는 것이 아니라 형질전환된 박테리아를 식물체에 오염시켜 바이러스 유전자가 담긴 백신을 대량 생산하는 것입니다. 간단하게 설명드리면 먼저 A단계에서 식물체를 재배합니다. 그리고 동시에 바이러스 유전자가  삽입된 형질전환 박테리아도 같이 키웁니다.

여기서 키우는 박테리아를 우리는 아그로박테리움( Agrobacterium)이라고 합니다.

식물체가 어느 정도 성장하면 B단계에서 별도의 공간에서 바이러스 유전자가 삽입된 형질전환 박테리아를 식물체에 삽입합니다.

이때는 보통 압력을 이용해 식물체의 잎으로 대량의 박테리아가 들어가도록 합니다.

바이러스 유전자가 삽입된 형질전환 박테리아가 식물체에 들어가면 사람으로 치면 일종의 암과 같은 식물종양 발생하는데 이것을 통해 식물체의 세포에 바이러스 유전자가 포함된 자신의 유전자를 전달합니다.

이것은 바이러스 유전자가 삽입된 형질전환 박테리아의 특징입니다.

이 아그로박테리움이라는 박테리아는 식물의 뿌리나 줄기의 상처를 통해 수평유전자 전달로 식물의 종양을 유발하는 토양세균입니다.

아그로박테리움은 자신이 가진 유전자를 변환 없이 그대로 식물세포에 전달하는 수평유전자 전달이라는 특징을 가지고 있어서 식물세포에 재조합 유전자를 주입할 때 많이 사용되는 박테리아입니다.

이렇게 식물체에 형질전환 아그로박테리움을 주입하는 것을 침윤(infiltration)이라고 합니다.

침윤은 대부분 아그로박테리움이 자라고 있는 액체를 압력을 통해 식물체의 기공을 통해 주입하는 것입니다.

침윤을 통해 식물체에 삽입된 아그로박테리움은 바이러스 유전자를 식물세포에 전달하며 식물종양을 만들게 됩니다.

밀폐형 스마트팜(식물공장)의 중요한 역할 중 또 하나가 바로  아그로박테리움이 식물종양을 많이 만들도록 C단계에서 정밀환경제어를 통해 최적화된 재배를 하는 것입니다.

이렇게 재배된 식물체는 D단계에서 수확되고 E단계에서 추출되어 F단계에서 아그로박테리움이 식물세포로 전달한 바이러스 단백질을 정제해서 백신으로 활용하게 됩니다.

이렇게 생산된 백신은 입으로 먹는 경구백신이나 주사백신으로 활용됩니다. 

    

GMO tomato as edible COVID vaccine? Mexican scientists woork to make it a reality, by DANIEL NORERO,

[그림]에서 보시는 사진은 COVID-19의 예방 또는 치료효과를 보기 위해 식물백신을 활용하는 방법에 대해 대략적으로 정리한 것입니다.

간단하게 설명하면 경구백신의 경우 바이러스 단백질의 추출정제 단계를 거치지 않고 동결건조 분말을 만들고 이것을 알약으로 만들어서 복용을 하도록 합니다. 다만 이때는 위와 장을 거치며 흡수될 수 있도록 안정적인 발현 기술이 필요하죠.

대신 주사백신의 경우는 식물체에 포함된 바이러스 단백질을 추출정제를 해서 주사를 하는데 이때는 바로 효과를 발휘할 수 있는 일시적 발현 기술을 활용합니다.

식물백신은 특히 이런 체내 발현에 대한 기술이 중요합니다.

식물 백신이 전 세계적으로 관심을 받고 시작하는 것은 에볼라 바이러스 치료제인 지맵을 담뱃잎을 통해 생산하면서부터입니다.

물론 지맵 자체는 예방에 초점을 둔 백신이라기보다는 에볼라바이러스에 대항하는 항체 단백질로 치료에 초점을 두고 있는 치료제입니다.

에볼라바이러스는 치사율이 90%에 이르는 그 치명성 때문에 많이 알려졌습니다.

에볼라바이러스의 치명률 때문에 단기간 내에 생산이 가능한 식물 단백질의 장점을 활용해 지맵이 만들어졌고 활용이 되었습니다만 최근에는 다른 에볼라바이러스 치료제가 나오면 지맵의 활용이 줄어들었다고 합니다.     

네이버(naver) 지식백과

[그림]은 에볼라바이러스 치료제가 되는 항체 단백질을 식물을 이용해 생산하는 공정에 대한 설명입니다.

간단하게 설명하면 먼저 쥐에게 에볼라 바이러스를 감염시킵니다.

그러면 쥐가 살아남기 위해 에볼라바이러스에 대항하는 항체를 몸에 만들게 됩니다. 그리고 이 항체를 뽑아서 아그로박테리움에 옮기기 위한 준비를 합니다.

저희들은 식물 단백질과 식물백신의 가능성에 대해 이야기하는 것이기 때문에 장표에 나온 어려운 단어들은 그냥 넘기셔도 됩니다.

네이버(naver) 지식백과

이번 [그림]에서 이야기하는 것은 앞서 이야기한 식물백신의 생산절차와 동일합니다.

앞서 설명한 것과 같이 쥐가 만든 에볼라바이러스의 항체를 아그로박테리움으로  옮기기 위해 준비된 유전자를 아그로박테리움에 유전자조작을 통해 삽입합니다. 그리고 이것을 이 아그로박테리움을 식물체에 침윤시킵니다.

침윤시킨다는 것은 앞서 언급한 것과 같이 식물체를 수조에 넣고 수조를 진공상태로 만들어 아그로박테리움이 담뱃잎의 기공을 통해 세포 안으로 이동하도록 하는 것입니다.

담백 잎 세포 안으로 이동한 아그로박테리움은 자신의 유전자를 담뱃잎에 전달하여 담뱃잎에 식물종양을 만들게 됩니다.

이렇게 되면 유전자조작된 항체 단백질이 아그로박테리움이 만든 식물종양속에서 계속 만들어지게 됩니다.

식물종양이 커지면 커질수록 많은 항체 단백질이 만들어지게 되는 것이죠.

결국 담뱃잎이 에볼라바이러스의 항체를 계속 만들게 되는 것입니다.

담뱃잎이 성장하고 아그로박테리움으로 인한 식물종양에 성장하며 항체가 충분히 만들어지면 담뱃잎을 수확해서 추출하고 정제하면 에볼라바이러스 치료제가 되는 것입니다.     

에볼라바이러스를 시작으로 관심을 받기 시작한 식물백신은 [그림]에서 보시는 것과 같은 성과를 얻고 있습니다.

캐나다의 메디카고라는 업체는 식물을 이용해 COVID-19 백신을 개발하고 승인을 받았습니다.

그 외 전 세계적으로 많은 기업에서 이 식물백신을 포함한 식물단백질 생산에 관심을 가지고 연구를 하고 있습니다.     

우리나라 역시 포항공대에 그린백신산업화센터가 구축되고 바이오앱이라는 업체가 돼지열병 백신을 만들었습니다.

아직 식물백신에 규제 등이 부족해 인체용 백신이나 치료제 개발은 어렵지만 빠르게 발전하고 있습니다.

아직은 초기단계입니다만 식물백신을 포함한 식물을 이용한 단백질 생산은 스마트팜을 통해  농업의 새로운 길을 개척할 수 있는 분야인 것은 확실합니다.

현재 전 세계적으로 식물백신 분야에 기술개발 및 인프라 관련 투자가 이루어지고 있습니다. 특히 미국, 일본을 중심으로 계속 강화되고 있습니다.

일본의 경우 밀폐형 스마트팜 즉 식물공장을 이용한 식물바이오실용화 추진전략을 포함하는 ‘홋카이도 바이오산업 클로스터 조성’을 추진하고 있다고 합니다.

우리나라도 스마트팜에서 단순한 먹거리의 생산해서 기존 농업과 경쟁하기보다는 농업의 범위를 바이오로 더욱 확대해서 새로운 시장을 개척하는 것이 좋은 선택이라고 생각합니다.