스마트팜과 천연물의약품

Smart Farm and Botanical Drug

전 세계적으로 태풍, 폭설, 폭염, 폭우 등 예측할 수 없는 기후환경의 변화가 많이 나타나고 있고 이런 기후환경의 변화는 농업에 큰 위기요인이 되고 있습니다.

저는 그동안 이 기후환경 변화에 영향을 받지 않고 작물을 생산할 수 있는 것이 스마트팜의 큰 장점 중 하나라고 말씀드렸습니다.

그러나 이 장점은 외부의 기후환경이 작물이 자라기에 적절한 수준이 되는 특정한 지역에서는 그 필요성이 줄어들게 됩니다.

물론 현재의 기후환경 변화가 어떤 경우에는 정상적으로 작물을 생산할 수 없을 정도로 극단적인 방향으로 변화하고 있습니다.

그래서 더욱더 스마트팜의 필요성이 높아지고 있습니다.

현재 국내외의 많은 기업들이 스마트팜에 관심을 가지는 것도 이런 기후변화에 대응하기 위해 꼭 필요한 산업이라는 것을 인식하기 때문입니다.

문제는 앞서 언급한 작물을 생산할 수 없을 정도로 극단으로 변화하는 기후환경변화는 위기감을 불러일으킬 정도는 맞지만 전체적으로 보면 아직은 작물의 생산에 문제가 없을 정도라는 것입니다.

기후라는 것이 긴 시간 동안 천천히 변화하는 것이고 또 기후가 변화하더라도 농업의 적응을 해나가기 때문에 스마트팜의 필요성이 극대화되는 시점은 예측하기 어렵습니다.

외부환경과 차단이 된 밀폐형 스마트팜의 경우에 병충해를 차단해 무농약, 무해충으로 우수한 품질의 작물을 키울 수 있는 장점도 있습니다만 이것 역시 친환경, 유기농 작물들과 겹치는 것이 생겨 같은 가격이라면 몰라도 투자비용이 높아 가격이 높은 스마트팜에서 생산된 작물보다는 친환경, 유기농 작물이 소비자의 선택을 받게 됩니다.

이렇게 현재 상황에서 스마트팜의 필요성을 느끼는 위기감은 있지만 아직은 외부의 기후환경이 작물이 자라기에 적절한 수준이 되어 스마트팜의 차별화된 장점이 줄어들 어수 있습니다.

이런 상황에서 스마트팜의 필요성을 강조할 수 있는 근본적인 장점은 어떤 것일까요.

저는 스마트팜이 가지는 가장 큰 장점은 작물에 필요한 온도, 습도, 이산화탄소 농도, 비료성분의 구성, PH, EC 등 모든 환경요인을 제어할 수 있는 것이라고 생각합니다.

이 장점은 생각보다 큽니다.

작물재배에 필요한 모든 환경요인을 제어할 수 있다는 이 장점을 활용하면 첫 번째는 외부환경조건에서 재배가 불가능한 작물도 환경을 극복해 스마트팜에서는 재배할 수 있습니다.

예를 들어 원래는 9월에 모종을 정식해서 11월에서부터 다음 해 4월, 5월까지 수확할 수 있는 설향과 같은 겨울딸기를 외부에서는 도저히 재배가 불가능한 시기인 6월부터 10월까지 수확할 수 있도록 할 수 있습니다.

모든 환경요인을 조절하게 되며 얻는 장점의 두 번째는 작물이 가지는 특별한 특성이나 기능성 성분을 우리가 원하는 대로 조절하는 것이 가능하다는 것입니다.

이 두 가지 장점을 활용해 외부에서 재배하기 힘든 특별한 특성이나 기능성 성분을 가진 작물을 재배하고, 이 작물의 특별한 특성이나 기능성 성분을 극대화한다면 농산물로서 가장 부가가치 높은 천연물의약품 원료의약품으로써 활용할 수 있습니다.

저는 작물 재배에 필요한 모든 환경요인을 조절할 수 있다는 스마트팜의 근원적인 장점을 가장 완벽하게 활용하는 것이 바로 이 천연물의약품 원료의약품을 생산하는 것이라고 생각합니다.

농업에서 스마트팜의 가치를 높이는 것은 앞서 언급한 정밀환경제어라는 특성을 이용해 작물의 특별한 특성이나 기능성 성분을 조절해 전방농업의 고부가가치 산업인 의약품, 화장품 소재를 생산하는 것입니다.

천연물 의약품이라고 하면 사실 범위가 좀 큽니다.

천연물이라는 것에 포함되는 범위가 식물뿐만 아니라 동물이나 광물 등도 포함되기 때문입니다.

여기서는 식물에 한정하겠습니다.

정확히 식물기반 천연물의약품인 것이죠.

천연물의약품이라고 하면 여러분도 떠올리는 것이 있을 겁니다.

바로 [한약]이죠.

각 국가나 문화권에는 개별적으로 발달해 온 전통의학이 있습니다.

우리나라에선 한의학이라고 하고 중국에서는 중의학, 일본에서는 캄포의학, 인도에서는 아유르베다라고 하는 것이죠.

이들 문화권의 전통의학을 포함해서 유럽을 포함한 서구권에서도 오랜 시간 동안의 사용경험에 근거해서 다양한 질환이나 증상에 대한 치료제로서 여러 가지 식물을 다양하게 활용해 왔습니다.

앞서 언급한 것과 같이 우리가 한약이라고 하는 것이죠.

다양한 질환이나 증상에 대한 치료제로서 여러 가지 식물을 활용한 경험 즉 임상경험이 기록으로 남겨져 한국, 중국, 일본의 전통의학이 된 것입니다.

이런 전통의학은 워낙 많은 임상경험의 축적으로 만들어진 것이라 현대의학이 발달하기 전에 상당한 효과를 발휘했고 그것은 지금도 마찬가지입니다.

다만 보험급여 인정 등 국가적 차원의 적극적 지원을 하고 있는 중국을 제외하고는 대부분의 국가에서 건강보조식품이나 일반의약품 형태로 보조적 치료제로서 많이 사용되고 있습니다.

그 많은 임상경험이 축적된 전통의학의 약제들이 주요 질환의 치료제로서 인정을 받지 못하는 것은 무엇 때문일까요?

그것은 그동안 한약으로 사용되는 한약재에 포함한 기능성 성분의 균질성과 안정성을 확보하기 어렵기 때문입니다.

한약을 먹어보신 분은 아실 겁니다.

어떤 때는 효과가 정말 좋다가 어떤 때는 전혀 효과가 없는 경우가 있습니다.

이것은 한약을 제조한 한의사의 잘 못이 아닙니다.

한의사는 수많은 임상경험으로 축적된 기준에 따라 한약을 제조했기 때문에 효과가 없을 수 없습니다.

문제는 그 한약을 구성하는 식물 즉 약초에 있습니다.

한약서에 보면 약초를 채취할 때 어떤 곳에서 자라야 하고 어떤 식으로 건조하거나 가공해야 하는지에 대해 꼼꼼히 기록되어 있습니다.

그 이유는 식물이라는 것이 환경변화에 따라 몸 안에 만드는 대사체 즉 기능성 성분의 종류와 량이 변화할 수 있기 때문입니다.

이것은 아이를 키우는 것을 상상해 보시면 됩니다.

같은 부모에서 난 아이라도 키워지는 환경에 따라 180도 다른 성격과 능력을 가진 아이가 되는 것처럼 식물도 성장하는 환경에 따라 식물이 가지는 특성이나 기능성 성분이 달라집니다.

그것을 알았기 때문에 한의약을 했던 선조님들도 약초가 성장하는 환경과 가공방법까지 세심하게 기록했던 것입니다.

앞서 언급한 균질성이라는 것은 한약 안에 들어 있는 식물이 가지는 특성이나 기능성 성분이 고루 같이 유지되는 것이라고 할 수 있습니다.

안정성이라는 것은 이런 균질성이 반복적으로 생산을 해도 똑 같이 유지되는 것을 말합니다.

이런 균질성과 안정성을 가진 약초를 생산하기 위해서는 약초가 재배되는 환경을 지속적으로 똑같이 관리를 해야 합니다.

여러분도 아시겠지만 식물이 재배되는 환경이 반복적으로 똑 같이 재배되는 것은 작물의 재배환경을 정밀하게 제어할 수 있는 스마트팜이 아니면 불가능한 일입니다.

앞서 언급한 것과 같이 식물재배에 필요한 모든 재배환경요인을 관리할 수 있는 스마트팜의 근원적인 특성이 약초의 균질성과 안정성을 달성할 수 있는 것입니다.

현대의 천연물의약품은 그동안 의약품개발과정에 필수적으로 활용된 약물동태, 안전성 평가기술, 제제화 및 생산기술 외에 원료의약품재배기술, 생산기술 및 다중 성분에 의한 약효평가 기술이 추가적으로 요구된다고 합니다.

여기서 중요한 것은 원료의약품재배기술입니다.

다른 기술들은 제약회사들이 그동안 의약품 개발을 하며 해온 기술이지만 원료의약품재배기술은 목표로 하는 특성이나 기능성 성분에 대한 균질성과 안정성을 가진 약초를 재배하는 기술입니다.

이 원료의약품재배기술을 만들고 적용해서 재배하는 것에 스마트팜의 정밀환경제어라는 특성이 가장 적합한 것입니다.

천연물의약품 개발에 꼭 필요한 약효성분을 극대화하는 연구, 극대화된 성분을 균질하게 반복생산할 수 있는 연구 등은 스마트팜만이 가능할 수 있습니다.

스마트팜에서 천연물의약품 개발을 위한 원료의약품 재배를 이야기하는 이유가 무엇일까요?

[그림]은 인삼이 농가에서 생산되어 의약품이 될 때까지의 부가가치 변화를 알 수 있습니다.

처음 농가에서 인삼을 원료상태 그대로 판매하는 가격의 부가가치를 1이라고 하면 가공과정을 거치며 천연물의약품이 되었을 때 부가가치는 1,000이 됩니다.

그만큼 부가가치의 격차가 크다는 것이죠.

스마트팜에서 천연물의약품을 이야기하는 첫 번째는 이유는 스마트팜의 구축 및 운영에 들어가는 투자비용이 일반 노지농업에 들어가는 비용에 비해 상당히 높기 때문입니다.

투자비용이 높다는 것은 일반적인 작물을 재배해서는 경제성을 달성하기 어렵다는 것입니다.

결국 투자비용을 상쇄할 정도로 부가가치가 높은 일을 해야 하는데 그중의 하나가 원료의약품의 재배기술을 확보하고 원료의약품으로 사용 가능한 균질성과 안정성을 갖춘 식물을 생산하는 것입니다.

스마트팜에서 천연물의약품을 이야기하는 두 번째는 기존 농업과의 공생과 지원을 위한 부분입니다.

모든 농업이 스마트팜으로 대체될 수는 없습니다.

앞서 언급한 것과 같이 기후변화는 스마트팜의 필요성을 불러일으킬 위기감은 줄 수 있지만 모든 농업이 스마트팜으로 대체될 수 있을 정도의 필요성을 극대화하고 있지는 않습니다.

그래서 현재는 스마트팜에서 재배할 수 없는 작물도 있고, 재배는 할 수 있지만 경제성이 없는 작물도 있습니다.

작물의 재배와 생산이라는 측면에서 일반 관행농업과 스마트팜은 같이 갈 수밖에 없습니다.

그렇다면 각자의 특성에 맞게 가장 잘하는 부분을 하는 것이 서로에게 도움이 됩니다.

관행농업은 저비용으로 대량생산이 가능하지만 앞서 언급한 것과 같이 식물하나하나의 균질성과 안정성을 고려한 재배는 불가능합니다.

스마트팜은 고비용으로 관행농업과 같은 대량생산 농업은 불가능하지만 각자 식물의 특성이나 기능성 성분을 극대화하고 균질성과 안정성을 고려한 재배가 가능합니다.

결국 관행농업과 스마트팜은 각자의 특성에 맞는 작물과 분야에서 겹치지 않도록 작물을 재배해야 합니다.

그리고 그중에 천연물의약품에 필요한 원료의약품생산은 스마트팜만이 가능합니다.

식물 기반 천연물의약품이 개발하기 어려운 이유는 크게 3가지로 정리할 수 있습니다.

첫 번째는 천연물 즉 식물은 품질보증이 어렵다는 것입니다.

간단히 말씀드리면 이 식물은 언제 어디서 어떤 샘플을 분석해도 건조물 1g에는 어떤 성분이 몇% 이상 들어있습니다라는 것을 보증하기 어렵다는 것입니다.

이것은 앞서 이야기드렸지만 식물이라는 것이 재배환경에 따라 지표물질 즉 기능성 성분이 계속 변화하기 때문입니다.

두 번째는 지속적인 원료공급이 어렵습니다.

올해 잘 재배되었더라도 다음 해에는 어떤 천재지변으로 얼마만큼 생산할 수 있을지 예측하기 어렵다는 것이죠.

마지막은 앞서 언급한 첫 번째와 연결된 부분이기도 한데 원료에서 소재까지 일관화된 유효성 검증 플랫폼이 없다는 것입니다.

품질보증이 안되기 때문에 이 식물은 수확 시 어떤 성분이 1g당 몇% 이상 있고 건조 시 건조물 1g당 몇% 또는 몇 mg이상이 포함되어 있고, 추출정제 시 1g당 몇 mg이상이 있으니 약효를 보장하는 유효농도에 도달하기 위해서는 얼마 정도가 필요하다와 같은 것이죠.

이런 어려움을 극복하기 가장 좋은 방법이 바로 스마트팜입니다.

앞서도 언급했지만 스마트팜의 근원적인 장점, 식물 재배에 필요한 환경요인 모두를 정밀제어가 가능하다는 것은 재배환경에 따라 변화하는 식물의 지표물질을 균질화하고 안정화해 품질보증이 가능하도록 합니다.

외부 환경에 영향을 받고 계획생산이 가능한 스마트팜의 장점은 지속적이고 안정적인 원료공급이 가능하도록 합니다.

이렇게 품질보증과 지속적인 원료공급은 원료에서 소재까지 일관화된 유효성검증 플랫폼의 형성이 가능하도록 합니다.

천연물 의약품 개발이 어려운 3가지 요인을 스마트팜이 해결할 수 있습니다.

LED광원, 온도, 습도, 영양성분, 수분스트레스 등 정밀환경제어를 통해 동일한 생리활성물질 분포를 가진 천연물의 반복생산이 가능합니다.

동일한 생리활성물질 분포를 가진 천연물의 반복생산이 가능한 환경제어조건과 관리요인들을 체계화하면 그 천연물의 재배매뉴얼 구축이 가능하고 이것을 바탕으로 천연물 소재 품질보증시스템의 구축이 가능합니다.

또한 정밀환경제어 데이터와 재배과정에서 생물학적, 비생물학적 자극데이터로 구성된 첨단 기능성소재용 천연물 생산매뉴얼을 만들고 이것을 적용해 품질보증(QA) 가능한 대량의 천연물을 반복생산이 가능합니다.

여기서 첨단 기능성 소재용 천연물 생산매뉴얼이 바로 천연물의약품에서 이야기하는 원료의약품 생산기술이라고 할 수 있습니다.

외부 환경과 차단되어 정밀환경제어가 가능하다는 스마트팜의 장점은 노지에서는 적용하기 어려운 기술의 적용이 가능합니다.

노지에서는 조절할 수 없는 광량, 광질, UV, 온도, 습도, 영양성분과 같은 비생물학적 자극을 정밀하게 조절하며 할 수 있습니다.

노지에서는 통제할 수 없어서 시도 조차 할 수 없는 박테리아, 식물호르몬, 곰팡이, 바이러스 와 같은 생물학적 자극을 조절하며 할 수 있습니다.

이런 비생물학적 자극과 생물학적 자극으로 발생하는 유전자 발현과 대사물질 변화와 같은 현상을 통해 천연물의 지표성분 증대와 같이 생리활성물질의 분포 조절이 가능하다.

이런 비생물학적 자극과 생물학적 자극을 통해 식물의 생리활성물질 즉 대사물질을 조절하는 것을 대사체 농업이라고 합니다.

대사체 농업은 노지에서 통제할 수 없이 변화하는 환경에 따라 예측할 수 없이 달라지는 지표물질로 인한 문제를 환경제어를 할 수 있는 스마트팜을 통해 해결한 것이다.

즉 식물의 대사물질 생산에 영향을 미치는 자극요인들 즉 식물재배에 필요한 환경요인을 정밀하게 제어함으로써 지표물질을 내가 원하고 예측할 수 있는 방향으로 조절하는 것입니다.

이것은 우리가 헬스장에서 운동을 통해 근육을 만드는 것과 비슷합니다.

각자 개인이 가지는 체질을 식물의 종류나 품종이 가지는 특징이라고 보면 운동을 통해 각자의 근육이 강해지고 운동능력이 강해지는 것과 같이 식물도 환경요인의 변화에 따른 자극에 따라 식물의 종류나 품종에 따라 가지는 특징이 정확히 발현되거나 원래 가지고 있던 대사물질의 양이 늘어나거나 조성이 변화하도록 하는 것입니다.

이 대사체 농업은 노지에서도 적용을 할 수 있지만 관리할 수 없는 변수가 너무 많아 원하는 결과를 예측할 수 없고 반복적으로 얻기가 어렵습니다.

이 대사체 농업을 적용할 수 있는 가장 좋은 환경을 제공할 수 있는 것이 모든 환경요인을 관리할 수 있는 스마트팜입니다.     

[그림]에서 보시는 것은 밀폐형 스마트팜에서 케일을 대사체 농업을 통해 재배하는 재배하는 내용입니다.

우리가 보통 케일은 샐러드나 녹즙 정도로 생각합니다만 케일이 가지고 있는 설포라판이라는 성분은 노화억제, 염증성 질병 억제, 면역력 제고, 치매, 알츠하이머, 기타 퇴행성 신경질환에 대한 약리효과 가능성이 제시되며 다양한 질병의 치료제 개발을 위한 후보물질의 하나가 되고 있습니다.

사진에서 보시는 것은 저희들이 밀폐형 스마트팜에서 케일을 재배하는 것입니다.

재배에 필요한 기본조건을 설정하고 대사체 농업기술을 적용해 재배환경요인 중 몇 가지를 조절하는 것으로 설포라판 성분의 함량을 높이는 연구를 진행했습니다.    

      

[그림]에서 보시는 것과 같이 여러 가지 재배환경 요인 중에서 3가지 정도가 설포라판 함량증가에 영향을 미치는 것으로 확인되었습니다.

첫 번째는 수분스트레스입니다.

이것은 노지에서는 흙이 마르는 것과 같이 케일에 필요한 물을 적정한 시간보다 적게 주거나 많이 주는 방식으로 스트레스를 주었습니다.

사람으로 치면 헬스장에서 아령이나 운동기구를 드는 것이 되겠죠?

두 번째와 세 번째는 설포라판의 생성에 영향을 미치는 특정한 물질을 케일에 공급했습니다.

사람으로 치면 근육을 만들기 위한 단백질 파우더를 복용하거나 비타민을 복용하는 것이 되겠죠.

이런 식으로 실험을 한 결과 저희들은 일반적으로 재배된 설포라판보다 2배 이상의 설포라판을 함유도록 케일을 재배하는 방법을 만들고 이것을 특허로 등록할 수 있었습니다.

이것처럼 정밀환경제어라는 스마트팜의 근원적인 특성을 활용하면 천연물의약품의 개발에서 필요한 원료의약품재배기술을 빠르게 개발할 수 있습니다.

식물기반 천연물의약품의 개발은 고령화와 더불어 만성질환이 점차 늘어나면서 확대되고 있는 추세입니다.

만성질환이라는 것이 예방적인 측면에서 증상이 아주 작을 때 복용을 하거나 병이 깊어지면 오랫동안 복용해야 하기 때문에 아무래도 수많은 임상경험을 통해 안전성 즉 부작용이 적은 것으로 확인이 된 천연물에 관심에 더 관심을 가지게 되는 것입니다.

우리나라는 한의학을 통해 통해 만들어진 한약의 성분을 기본으로 천연물의약품을 개발하기 위해 별도의 천연물신약허가 규정을 만들기도 하는 등 천연물 신약개발에 많은 노력을 기울였습니다.

동아에스티에서 쑥잎으로 위장약을 만드는 등 성과도 있었습니다만 기대한 만큼 성과를 얻지 못했습니다.

그 이유는 앞서 천연물의약품개발의 어려움에서 언급한 것과 같이 천연물의약품 원료의약품으로 사용되는 식물의 기능성 성분에 대한 품질보증(QA) 이 어렵기 때문이었습니다.

즉 식물 원료 의약품이 균질성과 안정성을 갖추지 못하고 있기 때문입니다.

이렇게 균질성과 안정성에 대한 품질보증 가능한 천연물의약품 원료의 공급이 안되기 때문에 천연물의약품개발에 어려움을 겪었습니다만 이제 스마트팜을 통해 이문제를 해결할 수 있다는 것을 알았습니다.

현재 개발되는 있는 천연물의약품 신약개발 후보물질은 물론 계획하고 있는 후보물질이 있다면 제약회사나 바이오벤처기업에서 천연물의약품 개발 초기단계부터 스마트팜을 통한 원료의약품생산기술을 연구를 같이 진행하는 것을 권하고 싶습니다.