보라빛 소를 만나기 위한 도약

※ 아래 글은 정보통신기술진흥센터(IITP)가 발간하는 주간기술동향 1802호(2017. 6. 28 발행)에 기고한 원고입니다.

▶ IITP에서 PDF 포맷으로 퍼블리싱한 파일을 첨부합니다. 가독성이 좋으니 참고하시기 바랍니다.

식물로 만드는 햄버거, 생물학과 인공지능을 결합한 합성생물학의 혁신.pdf

ž 소고기 사용 없이 식물로만 만든 햄버거는 최근 생물학과 인공지능(AI)을 결합한 ‘합성생물학(Synthetic Biology)’을 통해 벌어지고 있는 혁신의 한 사례임

Ø 실리콘밸리에서는 지금 첨단 기술을 이용한 차세대 식품의 제조에도 큰 관심이 쏠리고 있는데, 실제 소고기와 맛을 분간 할 수 없을 정도라는 식물로만 만든 고기 패티가 대표적

Ø 스탠퍼드 대학의 생물학 교수 패트릭 브라운이 실리콘밸리에 창업한 스타트업 ‘임파서블 푸드(Impossible Foods)’는 합성생물학을 통해 식물에서 육류를 생산하는 연구를 하고 있음

Ø 아몬드와 마카다미아 오일 등 오직 식물성 원료만으로 제조한 패티와 치즈를 사용해 버거를 만들고 있는 이 기업은 차세대 식량 개발을 미션으로 내세우고 있으며, 구글 벤처스와 빌 게이츠 등으로부터 1억 달러 이상의 투자를 유치한 것으로도 유명함

Ø 이 기업이 만든 햄버거의 이름은 ‘임파서블 버거(Impossible Burger)’로 연구 단계를 거쳐 이미 샌프란시스코 지역의 레스토랑에 제공되기 시작하였음

Ø 외형은 보통 햄버거와 동일하고 패티에서도 붉은 육즙이 나오는데, 외형뿐만 아니라 맛도 실제 소고기와 거의 흡사하다는 평가를 받고 있으며, 고기 맛이 약간 덜하다는 반응도 있긴 하지만 식물로만 만들었다고는 믿을 수 없을 정도라는 반응이 주를 이루고 있음

ž 임파서블 푸드는 리버스 엔지니어링을 통해 실제 햄버거의 구성 요소를 분석한 후, 버거의의 맛을 결정하는 소재를 찾아낸 다음 임파서블 버거를 개발하였음

Ø 임파서블 버거는 밀에서 추출한 단백질을 사용해 패티의 모양과 식감을 만들어 내는데, 패티의 표면은 감자의 단백질로 덮어 그릴에서 구우면 고소한 맛을 내게 하였고, 패티 안에는 코코넛 오일 입자를 넣어 지방이 희끗희끗하게 들어 있는 것처럼 보이게 하는 동시에 그릴에 구우면 기름이 탁탁 튀게 만들었음

Ø 리버스 엔지니어링을 통해 알아낸 햄버거의 맛을 결정하는 소재는 ‘힘(Heme)’인데, 이는 혈액의 헤모글로빈의 색소를 구성하는 물질로 진한 붉은색의 액체임

Ø 힘을 패티에 추가하면 소고기 색깔처럼 되고 구우면 옅은 붉은색의 육즙으로 나오는데, 힘은 산소와 결합하여 고기 특유의 철분을 포함한 향기와 맛을 내는 요소로 햄버거의 맛을 결정하는 가장 중요한 재료가 됨

Ø [그림 1]는 패티를 만드는 모습인데, 붉은색 부분이 밀 단백질에 힘을 더한 것이고, 흰색 알갱이가 코코넛 입자임

ž 임파서블 푸드는 핵심 소재인 힘을 생물학적 기법으로 생성하는데, 이처럼 식물로 육류를생산하려는 것은 현재 방식으로 가축을 사육하는 데는 한계가 있다고 보기 때문

Ø 콩에는 힘에 포함되어 있는 단백질인 렉헤모글로빈이 들어 있는데, 임파서블 푸드는 콩에서 렉헤모글로빈(Leghemoglobin)의 유전자를 뽑아 효모 분자에 주입한 후 효모를 발효시켜 렉헤모글로빈을 생성한 다음 이를 여과해 힘을 추출하는 합성생물학의 방법을 쓰고 있음

Ø 콩과 식물의 뿌리에는 렉헤모글로빈이 포함되어 있고 산소와 결합하여 힘을 운반 역할을 담당하고 있지만, 음식에서 힘을 채취하는 방식은 대량생산이 불가능하고 이 과정에서 이산화탄소가 방출되므로 합성생물학의 방법으로 생성하지 않으면 사업 타당성이 성립하지 않기 때문

Ø UN에 따르면 2050년경 세계 인구는 약 95억 명에 달하며 육류 소비량은 연간 약 1천억 마리로 현재의 2배에 달할 것으로 전망되는데, 이러한 규모의 가축을 사육하는데 필요한 엄청난 양의 건초와 물을 마련하지 못한다면 고기 공급은 한계가 발생할 수 있음

Ø 사료 문제보다 심각한 것은 수질과 대기오염 등 환경문제로, 현재의 가축 규모로도 문제가 심각한데 향후 더 많은 가축을 사육해야 한다면 환경문제는 재앙 수준이 될 수도 있음

Ø 임파서블 푸드는 이런 문제를 해결하여 인류의 육류 섭취 문화를 지속시키기 위해 합성생물학의 기법을 이용한 육류 생산 기술을 개발하고 있는 것임

Ø 이 기업은 현재 콩으로 만든 소고기인 '비욘드 미트(Beyond Meat)’뿐만 아니라 인공계란 '햄튼 크릭(Hampton Creek)', 영양음료 '소이렌트(Soylent)', 건강한 캔디 '언리얼 브랜드(Unreal Brands)' 등 다양한 대체식품들을 연이어 출시하고 있음

Ø 임파서블 푸드의 등장에는 소비자 인식의 변화도 한몫을 하는데, 공장에서 인공적으로 생산된 육류에 대한 이미지는 매우 좋지 않아 그 동안 소비자들은 이를 섭취하는 것에 거부감을 가지고 있었지만 최근 수용 태도에 변화가 감지되고 있음

Ø 한 조사 결과에 따르면 밀레니얼 세대들은 공장에서 제조되는 육류에 대해 큰 거부감이 없으며, 이를 건강식품인 동시에 환경친화적인 제품으로 생각한다고 함

ž 합성생물학은 생물로 이루어지는 부품이나 시스템을 설계·제조하는 기술을 가리키는데, 최근에는 합성생물학에 의해 자연계에는 없는 기능을 가진 식품들이 등장하고 있음

Ø 합성생물학은 ‘유전자 엔지니어링 2.0(Genetic Engineering 2.0)’이라고 불리는 유전 공학의 최신 기술을 사용하고 있는데, 특정 단백질을 생성하는 프로그램인 유전자 코드(Genetic Code)를 형성하는 염기(A, T, C, G)를 편집하고 미생물의 DNA에 내장된 단백질을 생성하며, 이런 기술을 응용해 의료, 농업, 생활에 도움이 되는 물질을 생성하고 있음

Ø 합성생물학을 통해 자연계에는 없는 기능을 가진 제품들이 등장하고 있는데, 이들은 ‘불가능한 물질들(Impossible Materials)’이라 불리며 말 그대로 믿을 수 없는 기능을 제공함

Ø 임파서블 버거의 사례 외에도, 식물에서 우유를 생산하는 연구도 진행되고 있으며, 특수 소재로 과일을 코팅하여 저장성을 크게 향상시킨 썩지 않는 과일도 등장하고 있음

Ø 비단 음식 분야에서 활용뿐만 아니라 해파리와 오징어 등의 생물이 가진 발광 메커니즘을 유전자 조작으로 만들어 이를 건물의 조명에 응용하려는 연구나, 금속보다 가볍고 튼튼한 ‘플라스틱 엔진’을 만들려는 연구도 진행되고 있음

Ø 의료 분야에서는 CRISPR/Cas9이라는 고급 유전자 편집 기술을 사용한 암 치료제의 개발이 진행되고 있는데, 이 역시 합성생물학의 한 응용 사례임

ž 합성생물학을 통해 물질을 개발하는 기술이 급진전하게 된 배경에는 인공지능과 로보틱스의 발전에 있는데, 스티브 잡스는 생전에 이 합성생물학을 21세기 최대 혁신이라 지칭

Ø 합성생물학을 기반으로 새로운 물질을 개발하는 방법을 ‘마이크로우브 엔지니어링(Microbe Engineering)’이라고도 하는데, 말 그대로 미생물을 대상으로 엔지니어링을 하여 DNA 구조를 설계하고 이를 시험을 통해 검증하는 작업을 반복하는 것임

Ø 합성생물학은 아직 개척 중인 분야로 시행착오를 통해 연구가 진행되고 있는데, DNA 구조와 분자 반응 패턴의 수가 너무 방대해 AI와 기계학습 기술이 없다면 진행할 수 있으며, 실제 검증도 모든 프로세스를 자동화 해 로봇이 실험을 수행하고 AI가 그 결과를 확인할 필요가 있음

Ø 이런 이유로 합성생물학은 AI와 로보틱스 기술의 급진전에 힘입어 연구가 가속화되고 있는 것이며, ‘21세기 최대의 혁신은 생물학과 기술의 교차점에서 태어난다’는 말을 낳고 있음

Ø 이는 생물학자들의 발언이 아니라 스티브 잡스가 죽기 직전에 한 말이며, 과연 그의 통찰대로 양자의 교차점인 합성생물학을 통해 놀라운 기능을 가진 제품들이 등장하고 있음

Ø 임파서블 푸드가 보여주고 있는 놀라운 성과물들은 왜 구글이 이 기업을 3억 달러에 인수하려 했는지, 그리고 임파서블 푸드는 그런 제안을 왜 거부했는지를 잘 설명해 주고 있음