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개념, 범위, 특징, 발달사

정의

생명공학

Biotechnology. 전통 생물학에 공학적인 개념과 기술을 적용하여 동식물을 포함한 모든 생명체의 생명현상을 밝히고, 그 정보와 기능 및 물질을 인류에게 유용하게 활용하기 위한 연구 및 산업분야이다.

<생명공학(Biotechnology)에 대한 다양한 정의>

  • “문제해결 혹은 유용제품 생산을 위한 세포 및 생물분자적 과정의 이용”으로 정의함 (생명공학산업기구, BIO)
  • 재조합 DNA를 세포나 생물체내로 직접 주입하거나 전통육종에서 불가능한 분류학적으로 과(科, Family) 범위를 벗어나 세포융합으로 생식장벽을 극복하는 기술을 일컬음 (OECD)
  • 법적으로는 기술적, 산업적 공정에 생물학적 기구를 응용하여 인간에 유익한 것을 생산하는 기술 내지 학문이며 생물의 기능은 생물이 갖는 유전, 생존, 성장, 자기제어, 물질대사, 정보인식 및 처리 기능을 의미함 (특허법인 원전)

출처 : 인터러뱅 13호

범위

생명공학의 범위

생명공학의 범위는 다양하게 분류될 수 있으나, 최근에 정리된 2가지 범위의 분류는 다음과 같다.

[분류1] 제2차 생명공학육성기본계획(Bio-Vision 2016)에서 분류한 범위

1) 생명공학 2) 보건의료 3) 농축산·식품 4) 산업공정/환경·해양수산 5) 바이오 융합의 총 5개 분야로 대분류하고 “국가과학기술표준분류”에 따라 세부적으로 객관적 기준을 적용함 (제2차 생명공학육성기본계획(Bio-Vision 2016))
  • 인구증가
  • [제2차 생명공학육성기본계획(Bio-Vision 2016)에서 분류한 생명공학기술]

출처 : 제2차 생명공학육성기본계획(Bio-Vision 2016), 과학기술부, 2006

분야 기본계획 분류 과학기술 표준 분류상의 범위
생명과학 ◦ 유전체, 단백체
◦ 세포체, 대사체
◦ 뇌과학, 생체기능
◦ 생체네트워크
O06 생화학, E01분자세포생물학, E02유전학/유전공학, E03발생/신경생물학, E04면역학/생리학, E05분류/생태/환경생물학, E06생화학/구조생물학 등 기타(B0901, C0107, O0201, C0207 등)
보건의료 ◦ 기초의과학
◦ 임상의과학
◦ 제품화기술
◦ 인허가
G01 의생명과학, G02 임상의학, G03 의학품/의학품개발기술, G04 치료/진단기기, G06 의료정보/시스템, G07 한의과학, G08 보건학, G09 간호과학, G10 치의과학, G15 독성/안전성관리 기반기술 등
기타 (G1206 등)
농림수축산·식품 ◦ 농림수축산 생명연구지원 확보 및 오믹스 활용 기술
◦ 농림수축산 자원 활용 바이오에너지 개발
◦ 기능성 식품 및 소재 개발
◦ 신품종 육종기술 및 유전자변경 농림수축산 생물개발
◦ 안정성 평가 기반
F01 식량작물과학, F02 원예작물과학, F03 농생물학, F06 동물자원과학, F07 수의과학, F13 수산양식, F17 식품과학, F18 식품영양과학
기타(F0401, F0506 등)
산업공정/환경·해양 ◦ 생물산업공정
◦ 환경생명공학
◦ 해양생명공학
E05 분류/생태/환경생물학,E08 생물공학, E09 산업바이오, E10 바이오공정/기기, J04 생물화학공정기술, D10 해양생명, O04 생태계 복원/관리, O06 해양환경, E11 생물위해성 등
기타 (C1002, D0803, D1109, M0603 등)
바이오 융합 ◦ BT-IT 융합기술
◦ BT-NT 융합기술
◦ BT-IT-NT 융합기술
◦ BT-타기술(BT-RT, GT, CS)
E07 융합바이오
기타 (C1006, E1002 등)

[제2차 생명공학육성기본계획(Bio-Vision 2016)에서 분류한 생명공학기술]

출처 : 제2차 생명공학육성기본계획(Bio-Vision 2016), 교육과학기술부, 2008



[분류2] 제7회 과학기술관계장관회의에서 분류한 범위

1) 생명의학/의학 2) 농림축산/식품 3) 생물전자/정보 4) 생물공정/화학으로 분류하고 있다. (제7회 과학기술관계장관회의)
  • 제7회 과학기술관계장관회의에서의 생명공학의 범위
  • [제7회 과학기술관계장관회의에서의 생명공학의 범위]

출처 : 바이오 연구개발의 효율적 추진방향(제7회 과학기술관계장관회의), 과학기술혁신본부, 2005

특징

생명공학산업의 특징

분자생물학 등 기초연구에 대한 의존도와 기술의 난이도가 높으나 상업화 성공 시 장기간에 걸쳐 수익 창출이 가능함
미래에 대비하여 타 산업분야와 차별화된 연구개발 전략이 필요함

2030년경에는 생명공학 산업이 IT혁명을 넘어서 글로벌시장을 주도하는 ‘바이오 경제시대’가 도래할 것으로 예측함
(2009년 OECD보고서)

  • 자연자원과 생명공학기술을 결합한 생명산업
  • [자연자원과 생명공학기술을 결합한 생명산업]

출처 : 생명산업 2020+ 발전전략(농식품부) / 출처 : 인터레벵 13호 (농촌진흥청)



세계경제포럼(WEF) 세계경제포럼 선정 2015 떠오르는 10대 기술

1. Fuel cell vehicles
2. Next-generation robotics
3. Recyclable thermoset plastics
4. Precise genetic engineering techniques
    (정밀한 유전공학기술)
5. Additive manufacturing
6. Emergent artificial intelligence
7. Distributed manufacturing
8. ‘Sense and avoid’ drones
9. Neuromorphic technology
10. Digital genome

[2015 세계경제포럼(WEF)이 선정한 사회, 경제, 환경에 영향을 미칠 세계 10대 첨단기술]

기술발달사

생명공학(유전공학) 핵심기술로는 DNA 재조합, 핵치환, 세포융합 등이 있으며, 이중 현재 가장 널리 사용되고 있는 기술이 DNA재조합(유전자변형)기술이다. 이러한 생명공학기술은 오래전부터 사용되어왔고 현재도 계속적으로 새로운 기술이 발달되고 있다. 아래의 표는 생명공학기술의 발달사와 함께 유전자재조합기술의 발달사를 소개하고 있다.

생명공학기술 발달사

생명공학기술의 발전 자세히 보기 >

생명공학기술들은 이미 오래전부터 사람들이 이용해 왔으며 지금의 생명공학기술들이 완전히 새롭게 개발되었던 것은 아니다. 수천 년 전부터 농민들은 품질이 좋은 작물들을 고르고 키워와 농작물의 유전자를 알맞게 변형해왔다. 또한, 빵이나 치즈, 요플레, 맥주와 같이 미생물에 의한 발효와 곡류 증가를 위해 사용해온 선택적 교배법(selective breeding)과 같이 유전학적 원리를 이용한 고전적 생명공학기술이라고 볼 수 있으며 식물과 동물들의 유전형질을 선발하여 유용한 유전자를 갖는 개체를 육성하여 이용해왔다.

출처: 최신 생명공학의 이해 2판


년도 내용
기원전4000∼2000년 이집트에서 효모를 사용해 빵과 맥주의 발효 시작
수메리아, 중국, 이집트에서 치즈를 생산하고 포도주를 발효시킴
1663년 Hooke, 세포의 존재를 발견
1675년 Leeuwenhoek, 박테리아를 발견
1761년 Koelreuter, 다른 종의 농작물의 성공적인 이종교배를 보고
1830년 단백질 발견
1833년 최초로 효소가 발견되고 분리됨
1835∼1855년 Schleiden와 Schwann, 모든 유기체는 세포들로 구성되어 있다고 제안
Virchow, 모든 세포는 세포에서 생겼다고 선언
1857년 Pasteur, 미생물들이 발효를 유발한다고 제안
1859년 찰스 Darwin, 자연 도태의 진화론을 발표
1865년 Mendel, 완두를 연구하여 유전법칙에 의해 유전적 특징이 부모로부터 자손에게 물려진다는 점을 발견함
1870∼1890년 Darwin의 이론을 이용하여 면화를 이종교배하고 우성의 수 백 가지의 품종을 개발함
최초로 농부들이 수확량을 늘리기 위해 농지에 질소고정 박테리아 미생물을 섞어 넣음
1877년 Koch, 박테리아를 염색하고 동종확인을 위한 기술 개발
1879년 Fleming, 후에 염색체라 불려지는 세포핵 안쪽의 봉모양의 염색질을 발견
1900년 초파리가 유전연구 초기에 사용됨
1911년 Rous, 최초로 암을 유발하는 바이러스 발견
1920년 Evans와 Long, 인간성장 호르몬이 발견
1928년 Alexander Fleming, 항생물질인 페니실린 발견
1933년 1920년대 Henry Wallace에 의해 개발된 잡종옥수수가 상업화됨
1942년 전자 현미경이 박테리아를 감염시키는 bacteriophage를 규명하고 확인하기 위해 사용됨
1944년 Avery와 그 외 다른 사람들에 의해 DNA가 유전정보를 운반한다는 점이 입증됨
1947년 McClintock, 옥수수에서 소위 움직이는 유전자(jumping genes)이라 불리는 전이요소를 발견
1951년 냉동정액을 사용한 가축의 인공수정이 성공적으로 수행됨
1953년 Nature는 DNA의 이중나선구조를 묘사한 James Watson과 Francis Crick의 원고를 출판함
1956년 Kornberg, DNA 복제의 이해를 이끄는 효소 DNA 폴리메라아제(polymerase)를 발견
1963년 노르만인 Borlaug에 의하여 개발된 신품종 밀에 의해 생산량이 70% 상승함
1964년 필리핀의 국제 쌀 연구소는 새로운 품종을 통해 녹색 혁명을 시작
1966년 유전정보가 해석되고 일련의 3개의 뉴클리오티드가 20개의 아미노산 각각을 결정한다고 밝힘
1973년 Stanley Cohen와 Herbert Boyer, 제한효소와 리가제(ligases)를 사용해서 DNA를 자르고 붙이는 기술과 박테리아에서 새로운 DNA를 복제하는 기술을 완성함
1981년 중국의 과학자가 최초의 복제 물고기 금잉어를 만듬
1982년 가축을 위한 유전자 재조합 DNA 백신 개발 및 최초의 유전자재조합식물인 피튜니아 생산
1983년 폴리메라아제(polymerase) 연쇄반응(PCR) 기술이 소개
1984년 HIV 바이러스의 전체 게놈이 복제되고 나열됨
1985년 최초로 곤충과 박테리아, 바이러스에 저항력이 있는 유전자 이식 식물이 시험됨
1987년 최초로 실제실험을 거친 항바이러스 토마토가 승인됨
1989년 최초로 유전자재조합 해충방지 면화의 실지실험 승인하였으며, 식물 게놈 프로젝트 시작
1990년 해충에 강한 옥수수인 Bt 옥수수 생산
1994년 미국 FDA, 생명공학으로 만들어진 FLAVRSAVRTM tomato를 승인
1995년 암정복을 위해 병원에 면역시스템 모듈, 유전자 재조합 항체형성과 같은 유전자 치료가 도입됨
1997년 해충방지 농작물 Roundup ReadyTM 콩과 BollgardTM 해충방지 면화와 같은 작물이 상업화됨
1998년 30,000개의 이상의 유전자 위치를 보여주는 인간 게놈지도의 초안 완성
2000년 최초로 애기장대(학명 Arabidopsis thaliana)의 게놈지도가 개발됨
2001년 최초로 쌀의 게놈지도와 땅콩의 종합적 분자지도가 완성됨
2003년 46개 염색체의 위치와 서열 정보를 제공하는 인간게놈프로젝트 완성
2004년 ‘쓸모없는 DNA(junk DNA)’ 규명
2005년 Z 나선형 DNA와 B 나선형 DNA의 결합구조 규명, 네이처지 게재
2006년 오메가-3 지방산을 생산하는 형질전환 돼지 개발
2007년 암 발병을 억제하는 유전자의 기능 규명
2008년 탈모유발 유전자 발견, 새 탈모약 개발기대(출처: Nature Genetics)
2009년 마이크로 RNA 메카니즘 규명(출처: Cell)
2010년 혈관치료용 마이크로 로봇 개발
2011년 식물광합성 촉매 구조 규명: 물 분해 촉매가 되는 막단백질 복합체의 구조 규명
2012년 한국 식약청서 동종(타가) 줄기세포 치료제 판매를 세계최초로 승인
2013년 인간 배아줄기세포 복제 성공

출처: 2013 생명공학백서

유전자재조합기술 발달

유전자와 DNA의 구조가 밝혀지면서 유용한 유전자를 선발하여 다른 생물체의 유전자에 결합시키고 증식시키는 기술을 개발하게 되었다. 유전자재조합기술의 역사는 매우 짧으며, 미생물, 식물, 동물 등 모든 생물체에 원하는 유전자를 찾아내어 여러 방면에 응용할 수 있다. 유전자재조합기술은 유전자변형기술(recombinant DNA technology), 유전공학기술(genetic engineering)으로 명명하기도 한다.

왓슨(James Dewey Watson)과 크릭(Francis Harry Compton Crick)이 DNA의 이중나선 구조를 최초로 밝힘으로서 유전자를 분리 활용할 수 있는 생명공학 시대가 개막

1953년

폴 버그(Paul berg)는 DNA를 절단하는 제한효소와 DNA를 연결하는 연결효소(ligases)를 이용해서 최초의 재조합 DNA를 제작

유전자재조합기술의 안전성에 대한 중요성을 제기

→ 유전자재조합기술의 안전수칙 정립(Asilomar Meeting)
1972년

스탠리 코헨(Stanley Cohen)과 허버트 보이어(Herbert Boyer)는 재조합 DNA를 대장균에 삽입하여 최초로 고등동물의 단백질을 합성하는데 성공시킴으로서 최초의 유전자재조합 생물체를 만듦

1973년

프레더릭 생어(Frederick Sanger)가 DNA 염기서열 분석법을 개발하여 보다 효율적인 유전자재조합기술 발전에 기여

1977년

제네텍(Genetech)이라는 생명공학회사가 사람 인슐린 DNA를 대장균의 DNA에 심어 넣어 대장균이 사람의 인슐린을 생산하게 하는데 성공

→ 1980년에 유전자 재조합 기술로 만들어진 인슐린 즉 휴물린을 사람에게 처음으로 주사함
1978년

인간의 성장호르몬 유전자 삽입하여 2배로 커진 유전자재조합 슈퍼마우스 생산에 성공

1981년

캐리 멀리스(Kary Mullis)는 원하는 DNA를 획기적으로 증폭시킬 수 있는 중합 효소연쇄반응(PCR: Polymerase Chain Reaction)을 개발

1983년

아그로박테리움에 의해 최초로 유전자재조합 식물체인 페튜니아 개발에 성공

1983년

유전자재조합 백신 Hepatitis B 개발

유전자재조합 제초제내성 담배의 야외 재배 실험 실시

1986년

키모신(Chy MaxⓇ)생산

소의 키모신 유전자가 삽입된 유전자재조합 미생물로부터 치즈 제조 시 사용되는 효소 생산

1989년

유전자재조합 소 성장호르몬(규호) 개발 (몬산토)

소 성장호르몬 유전자를 박테리아에 삽입하여 생산한 호르몬

1993년

생명공학회사인 칼젠이 최초로 유전자재조합 작물인 무르지 않는 토마토(Flavr SavrⓇ)의 상업화 성공

1994년

제초제내성 콩, 해충저항성 옥수수, 해충저항성 면화 상품화 승인

1995년

생명공학작물(제초제내성 콩, 해충저항성 옥수수)의 상업적 재배 시작

1996년

비타민A가 함유되어 있는 노란색 빛이 도는 황금쌀(Golden RiceⓇ)개발

2000년

최초의 유전자재조합 형광물고기(GloFishⓇ) 시장 출시

산호초의 형광 단백질 유전자를 삽입하여 어두운 곳에서 빛이 나는 물고기

2003년

파란장미 개발

팬지의 청색 유전자를 삽입하여 파란색을 갖는 장미

2004년

동물 유래 의약품 최초 상업화

유전자재조합 염소 유래 Atryn FDA 승인 유통

2009년

최초의 동물의약품 생산 유전자재조합작물 개발 및 상업화(일본)

→ 개의 치주염 치료제인 항바이러스 인터페론 생산 딸기
2013년

유전자재조합작물 전 세계 1억 8,150만 헥타르에서 재배

2014년