생명공학

생명공학(生命工學, biotechnology)은 자연과학과 공학을 통합하여 생물과 그 일부를 제품 및 서비스에 응용하는 것을 목표로 하는 다학제적 분야이다. 이 분야의 전문가는 생명공학자로 불린다.

생명공학이라는 용어는 1919년 커로이 에레키(Károly Ereky)가 살아있는 생물의 도움을 받아 원료로부터 제품을 생산하는 것을 지칭하기 위해 처음 사용하였다. 생명공학의 핵심 원리는 박테리아, 효모, 식물과 같은 생물학적 시스템과 생물을 활용하여 특정 작업을 수행하거나 가치 있는 물질을 생산하는 데 있다.

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생명공학은 의학에서 농업, 환경 과학에 이르기까지 사회의 여러 영역에 큰 영향을 미쳐왔다. 생명공학에서 사용되는 핵심 기법 중 하나는 유전공학으로, 이를 통해 과학자들은 원하는 결과를 얻기 위해 생물의 유전적 구성을 변형할 수 있다. 이는 한 생물의 유전자를 다른 생물에 삽입하여 결과적으로 새로운 형질을 만들거나 기존 형질을 변형하는 것을 포함할 수 있다.

생명공학에서 사용되는 다른 중요한 기법으로는 연구 및 의료 목적으로 실험실에서 세포와 조직을 배양할 수 있게 하는 조직 배양, 그리고 맥주, 와인, 치즈와 같은 다양한 제품을 생산하는 데 사용되는 발효가 있다.

생명공학의 응용 분야는 다양하며, 의약품, 바이오연료, 유전자 변형 작물, 혁신적 소재와 같은 제품의 개발로 이어졌다. 또한 생분해성 플라스틱 개발이나 미생물을 이용한 오염 지역 정화와 같은 환경 문제 해결에도 활용되어 왔다.

생명공학은 시급한 글로벌 과제를 해결하고 전 세계 사람들의 삶의 질을 향상시킬 상당한 잠재력을 지닌 빠르게 진화하는 분야이다. 그러나 수많은 이점에도 불구하고, 유전자 변형이나 지적재산권을 둘러싼 문제와 같은 윤리적·사회적 과제도 제기한다. 그 결과 다양한 산업과 분야에서 생명공학의 사용과 응용을 둘러싼 논쟁과 규제가 계속되고 있다.

생명공학은 인간의 목적을 위해 생물을 변형하는 광범위한 절차를 포괄하며, 그 역사는 동물의 가축화, 식물의 재배, 그리고 인공 선택과 교배를 활용한 육종 프로그램을 통한 이들의 "개량"으로 거슬러 올라간다. 현대적 용법에는 유전공학뿐만 아니라 세포 및 조직 배양 기술도 포함된다. 미국화학회(American Chemical Society)는 생명공학을 다양한 산업이 생명 과학을 학습하고 의약품, 작물, 가축과 같은 물질 및 생물의 가치를 향상시키기 위해 생물학적 생물, 시스템 또는 공정을 응용하는 것으로 정의한다. 유럽생명공학연맹(European Federation of Biotechnology)에 따르면, 생명공학은 자연과학과 생물, 세포, 그 일부, 그리고 분자 유사체를 제품 및 서비스를 위해 통합하는 것이다. 생명공학은 기초 생물학(예: 분자생물학, 생화학, 세포생물학, 발생학, 유전학, 미생물학)에 기반을 두며, 반대로 생물학의 기초 연구를 지원하고 수행하는 방법을 제공한다.

생명공학은 생물정보학을 활용해 실험실에서 이루어지는 연구개발로서, 모든 생물과 모든 바이오매스 원천으로부터 탐사, 추출, 활용, 생산을 수행한다. 이는 생화학 공학을 통해 고부가가치 제품을 기획(예를 들어 생합성으로 재현)하고, 예측하고, 제형화하고, 개발하고, 제조하고, 시장에 내놓을 수 있게 하며, 그 목적은 지속가능한 운영(연구개발에 대한 막대한 초기 투자의 회수)과 영속적 특허권 확보(판매 독점권, 그리고 이에 앞서 특히 생명공학의 제약 분야에서 제품 사용으로 인한 감지되지 않은 부작용이나 안전성 문제를 방지하기 위해 동물 실험 및 인체 실험 결과에 대한 국내외 승인을 받는 것)에 있다. 인간의 삶을 개선할 것으로 기대되는 제품을 생산하기 위해 생물학적 공정, 생물 또는 시스템을 활용하는 것을 생명공학이라 부른다.

이와 대조적으로, 생물공학(bioengineering) 은 일반적으로 생명체와 상호작용하고 이를 활용하기 위해 (반드시 생물학적 물질을 직접 변형하거나 사용하는 것은 아니지만) 보다 상위 수준의 시스템적 접근을 강조하는 관련 분야로 여겨진다. 생물공학은 공학 및 자연과학의 원리를 조직, 세포, 분자에 응용하는 것이다. 이는 생물학을 다루고 조작하는 작업에서 얻은 지식을 활용하여 식물과 동물의 기능을 향상시킬 수 있는 결과를 달성하는 것으로 볼 수 있다. 이와 관련하여, 생체의학공학(biomedical engineering) 은 조직공학, 바이오의약품 공학, 유전공학과 같은 생체의학 또는 화학공학의 특정 하위 분야에서 (다양한 정의에 따른) 생명공학을 종종 끌어와 응용하는 중첩된 분야이다.

역사

인간이 만들어낸 여러 형태의 농업은 "제품을 만들기 위해 생명공학적 시스템을 활용한다"는 광의의 정의에 부합한다. 식물의 재배는 가장 초기의 생명공학적 활동으로 볼 수 있다.

농업은 신석기 혁명 이후 식량을 생산하는 지배적 방식이 되었다고 이론화된다. 초기 생명공학을 통해 최초의 농부들은 늘어나는 인구를 부양할 충분한 식량을 생산하기 위해 가장 적합한 작물(예: 가장 수확량이 높은 작물)을 선택하고 육종하였다. 작물과 경작지가 점점 커지고 관리하기 어려워지면서, 특정 생물과 그 부산물이 효과적으로 비료를 공급하고, 질소를 회복시키며, 해충을 방제할 수 있다는 것이 발견되었다. 농업의 역사를 통틀어, 농부들은 작물을 새로운 환경에 들이고 다른 식물과 교배함으로써 의도치 않게 작물의 유전적 특성을 변화시켜 왔는데, 이는 생명공학의 가장 초기 형태 중 하나이다.

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이러한 공정은 초기 맥주 발효에도 포함되었다. 이 공정들은 초기 메소포타미아, 이집트, 중국, 인도에서 도입되었으며, 오늘날에도 여전히 동일한 기본적 생물학적 방법을 사용한다. 양조에서는 (효소를 함유한) 맥아화된 곡물이 곡물의 녹말을 당으로 전환한 뒤 특정 효모를 첨가하여 맥주를 만든다. 이 과정에서 곡물의 탄수화물은 에탄올과 같은 알코올로 분해된다. 이후 다른 문화권에서는 젖산 발효 공정을 발전시켜 간장과 같은 또 다른 보존 식품을 생산하였다. 이 시기에 발효는 또한 발효 빵을 만드는 데에도 사용되었다. 발효 과정은 1857년 루이 파스퇴르의 연구가 있기 전까지 완전히 이해되지 못했지만, 식량 자원을 다른 형태로 전환하는 생명공학의 첫 사용으로 여전히 인정된다.

찰스 다윈의 연구와 생애 이전에, 동물 및 식물 과학자들은 이미 선택적 육종을 사용하고 있었다. 다윈은 과학이 종을 변화시킬 수 있는 능력에 관한 과학적 관찰을 통해 그 연구 성과에 기여하였다. 이러한 기록들은 다윈의 자연선택 이론에 일조하였다.

수천 년 동안 인간은 작물과 가축의 생산을 개선하여 식량으로 사용하기 위해 선택적 육종을 활용해 왔다. 선택적 육종에서는 바람직한 특성을 가진 생물끼리 교배하여 동일한 특성을 가진 자손을 생산한다. 예를 들어, 이 기법은 옥수수에 적용되어 가장 크고 가장 단 작물을 생산하는 데 사용되었다.

20세기 초 과학자들은 미생물학에 대한 이해를 한층 넓혔고 특정 제품을 제조하는 방법을 모색하였다. 1917년 하임 바이츠만(Chaim Weizmann)은 산업 공정에서 순수 미생물 배양을 처음으로 사용하였는데, 클로스트리디움 아세토부틸리쿰(Clostridium acetobutylicum)을 이용해 옥수수 녹말로 아세톤을 제조하는 것이었다. 아세톤은 제1차 세계대전 중 영국이 폭약을 제조하기 위해 절실히 필요로 하던 물질이었다.

생명공학은 또한 항생제의 개발로도 이어졌다. 1928년 알렉산더 플레밍은 곰팡이 페니실리움(Penicillium)을 발견하였다. 그의 연구는 하워드 플로리, 에른스트 보리스 체인에 의해 그 곰팡이가 형성한 항생제를 정제하는 작업으로 이어졌다.