01. 생명공정공학이란?

안녕하세요,

로얄블루입니다. 

오늘부터 장마 시작이라 그런지

매우 무덥고, 습해서 공부하기 매우 힘든 날인데, 다들 고생하십니다!

 

오늘은 일명 '노란책'이라 부르는 

'생물공정공학' 혹은 'Bioprocess Engineering' 책을 공부하기 전, 

간략하게 무엇을 배우는 것인가에 대해서 소개하려고 합니다. 

01. 생물공정공학이란?

생물공정(Bioprocess engineering)은

생화학공정(Biochemistry engineering)이라고도 부르며,

생물학적 혹은 화학적 공정의 한 카테고리 안에 속해있습니다.

생물공정은

바로 이 'bioreactor'를 통해

흔히 식품 (맥주 등)이나 의약품 등과 같이

생산품을 제조하는데 필요한 지식을 다루는 영역이라고 할 수 있습니다.

또한 바이오소재의 합성 및 분해 영역도 다루기 때문에

수처리같은 환경 쪽에서도 이 분야를 다루고 있습니다.

생물공정이 이루어지는 차트의 대표적인 예는 다음과 같습니다.

세포를 Fermentation 작업을 통해 키운 후에

세포를 죽이는 Lysis 공정을 거친 후,

채로 치거나 (Sieving) 필터로 거른 후에

생산품(Product)의 순도를 높이게 되는 것이죠.

실험실에 주로하는 세포를 배양하는 일은 

'Cell cultivation' 혹은 'Cell culture'라 하며

Molecular biology나 Biochemistry 학문에서 이를 다루고 있습니다.

이에 대한 지식 혹은 결과를 바탕으로 'Products'을 생산하는 일은

'Fermentation' 혹은 발효라고 부르며,

Bioprocess engineering 학문에서 다루고 있습니다.

두 영역의 가장 큰 차이점은 'Product'에 있습니다.

모두 세포를 키운다는 점에서 같습니다만,

유용한 무엇인가를 생산하는 데 초점이 맞춰져 있으면

Fermentation (product를 염두해두고 배양)이라 부릅니다.

반면 product와 상관이 없으면 

cell cultivation 혹은 cell culture라 부르게 되는 거죠.

그리고 나온 배양액을 분리하여 

순도를 높이는 Purification 과정을 진행하는 것 또한

생물공정 학문에 속해있는 영역입니다.

다루는 Reactor의 크기로는 

실험실 수준에서 사용하는 5L reactor부터

약간 더 큰 사이즈인 30L가 있습니다.

이 사이즈까지는 판매가 목적이기보다는 

연구 혹은 시험운행용으로 사용되는게 더 많습니다. 

'pilot'라 부르는 300L에서 500L 규모,

여기서부터는 공장 규모라고 부르게 됩니다.

더 나아가 10000L 이상의 Bioreactor도 존재합니다. 

(물론 4000L 정도 규모의 Bioreactor도 있습니다.)

이 Bioreactor을 다루는 것들은 모두

어떻게 product(생산품)을 최대로 생산할 것인가에 초점을 맞추는

생물공정공학의 영역에 속해있다고 보시면 됩니다. 

다루는 세포의 종류에 대해서도

어떤 생산품을 생산할 것인가에 따라 다릅니다. 

가장 많이 다루는 세포는

아무래도 Microbial cell (Microorganisms, 미생물) 세포라 할 수 있습니다.

Bacteria(세균), 효모(Yeast), 곰팡이(Fungi)나 이끼류(mold)가

이에 속해있다고 보시면 됩니다. 

또한 식물세포(Plant cell)를 다루는 경우도 있습니다.

식물세포 배양에서 빠지지 않고 나오는 물질은 바로 택솔(Taxol)입니다.

위의 복잡한 구조를 가지고 있는게

'Taxol'이라는 브랜드이름을 가지고 있는 'Paclitaxel'이라는 물질입니다.

항암효과를 가지고 있어서 화학항암요법에 사용되고 있는 약물이기도 하죠.

원래는 주목나무의 잎, 줄기 뿌리나 종자에서 존재하는 천연물질입니다.

줄기나 껍질 부위에 가장 많이 함유돼 있다고 알려져 있고,

성장 속도가 매우 느려서 이 껍질을 채취하면 

사실 더 이상 주목나무가 생장하기 어렵다고 하기도 합니다. 

그리고 어느 나라에서는 (특히 동남아) 천연기념물이기도 합니다.

이러한 Taxol을 사용하는 의약계 쪽에서 필요한 만큼

주목나무에서 얻어낸다면,

몇 십년에서 몇 만그루가 필요하다고 하기 때문에

사실상 나무에서 이를 채취하는 것을 불가능합니다. 

그래서 대체 방법으로 사용된 것이 바로 식물세포를 

배양해서 Taxol을 얻어내는 방법인거죠.

Taxol을 생산하는 방법은 

식물 자체를 만드는 데 사용하는 캘러스와는 조금 다릅니다.

캘러스는 배양 후에 배지에서 어린 식물을 자라게 하는 방법이라면,

Taxol 생산은 동물세포 배양하는 것처럼 Reactor에 넣고 키우는 것입니다. 

(그림처럼 식물세포가 아니라 E.coli을 사용해서 배양하는 경우도 있습니다.)

여기서 잠깐,

우리들은 이미 식물이 광합성을 하는 것을 알고 있습니다.

그렇다면, 발효기를 운영할 때 햇빛이 필요할까요?

전혀 그렇지 않습니다.

이유는 크게 2가지입니다. 

첫째, 

식물세포가 광합성을 하는 것은 맞지만,

기공이라고 부르는 세포에서 광합성이 일어나는 것이지

모든 식물세포가 광합성을 하지는 않습니다.

둘째, 

식물세포 또한 호흡을 통해

산소를 소비해서 에너지를 대사합니다. 

그러므로 

식물세포만을 배양하는 경우에는

광합성을 하지 않고, 

동물세포처럼 배지 속 영양분을 먹고 산소를 소비합니다. 

따라서 동물세포와 비슷하게 배양한다는 점 알아두셨으면 합니다. 

여기서 잠깐,

Callus(캘러스)와 Spore(포자)에 대해서 언급하고 가겠습니다.

 

캘러스(Callus)란

분화되지 않은 부정형의 세포 덩어리를 의미하며,

식물체에 상처가 났을 때, 

상처 주변에 생기는 분열조직이 형성한 종양조직이 대표적입니다.

이 캘러스를 배지에서 자라게하면

어린 식물을 자라게 만들 수 있습니다.

(이를 식물의 전분화능(totipotency)라고 합니다.)

우리는 사진과 같이

버섯 종균을 나무에 심으면 버섯이 난다고 알고 있습니다.

이를 종균접종이라 부르지요.

저 하얀색의 종균은 사실 버섯의 '포자'입니다.

버섯에서 포자를 추출해서 배양해서 종균을 생산하는 것이지요.

포자를 접종하게 되면 버섯이라는 한 개체를 만들 수 있는데,

이것 또한 식물의 전분화능의 한 예라고 할 수 있습니다.

이렇듯

생물공정공학도는 다음 3가지 영역을 다루게 됩니다.

1. 원하는 생산물과, 배양균주 선택

2. 유전학적 기술을 이용하여 균주의 생산성 향상

3. 최종 선택된 균주에 맞는 생산 과정 최적화 및 생산 

오늘은 생물공정공학에 대해서 소개를 해드렸습니다.

다들 즐거운 일이 가득하셨으면 좋겠습니다.

이상으로 오늘의 포스팅을 마치도록 하겠습니다. 

출처 : 생물공정공학 2판