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미세조류를 이용한 바이오디젤 생산

◇ 미세조류를 이용한 바이오디젤 생산과목 :교수 :학과 :학번 :이름 :목차1. 미세조류2. 바이오디젤2.1. 바이오디젤 생산공정2.1.1. 고효율 미세조류 개발2.1.2. 미세조류 대량배양2.1.3. 수확2.1.4. 오일 추출2.1.5. 바이오디젤 전환2.1.6. 부산물 활용2.2. 바이오디젤 국내외 동향2.2.1. 바이오디젤 국내 동향2.2.2. 바이오디젤 국외 동향3. 결론4. 참고문헌1. 미세조류조류(algae)는 뿌리, 줄기, 잎의 구조가 명확하게 구분되어있지 않은 단순한 구조의 식물체로 엽록소를 이용하여 광합성하는 해양식물이다. 조류는 크기에 따라 대형조류(Macroalgae), 미세조류(Microalgae)로 구분된다. 대형조류는 다세포성 조류이며 종류는 녹조류(green algae), 갈조류(brown algae), 홍조류(red algae)가 있다. 미세조류는 식물플랑크톤으로도 불리는 단세포성 조류로 규조류(Diatom), 와편모조류(Dinophyta), 유글레나류(Euglenozoa), 기타 편모조류로 구분된다. 미세조류는 전 세계적으로 약 25,000여 종이 존재하고 국내에는 약 1,300여 종이 존재한다고 보고된다. 미세조류는 육상 식물보다 영양분과 이산화탄소 흡수율이 높고 먹이사슬에 직접적으로 관여하지 않으며 해안가, 황무지 등 배양장소에 구애받지 않고 높은 생장률로 1년 내내 경작이 가능하다는 장점을 가지고 있어 에너지, 화학, 환경 등 다양한 분야에서 널리 이용가능하다. 미세조류를 활용한 에너지 분야에는 바이오 디젤, 바이오 항공유, 바이오 메탄올 등 바이오 연료생산이 있으며, 화학분야는 건강기능성식품, 바이오케미컬 제품, 어류 양식용 조류, 바이오 플라스틱 제품 등이 있다. 환경분야에는 이산화탄소 절감 및 폐수처리가 있다. 해당 보고서는 미세조류를 활용한 바이오디젤 생산을 중점으로 살펴볼 것이다.2. 바이오디젤바이오디젤은 동식물의 지방 또는 재생 유지를 원료로 하며 알킬 에스테르화 공정을 통해 만들어진다. 바이오디젤은 열량, 세탄가지를 이용해 대량 배양이 가능하여 식용작물과의 상호경쟁이 불필요하다는 장점을 갖는다. 또한 물, 이산화탄소, 태양광을 이용하여 성장하기 때문에 물 자원으로 하수, 해수, 폐수 등을 이용할 수 있고 이산화탄소 자원으로 대기 및 연소배가스 내 존재하는 고농도의 이산화탄소를 처리 할 수 있다. 미세조류는 종류와 배양조건에 따라 생체 내에 최대 70%까지 오일 축적이 가능하며, 식물보다 단위 면적당 높은 오일 생산량을 가지고 있어 대체 생물원유로서의 가능성이 높다. 뿐만 아니라 이용목적에 따라 오일 외에도 바이오에탄올, 바이오가스, 바이오수소 등 다양한 에너지를 생성할 수 있다.2.1. 바이오디젤 생산 공정2.1.1. 고효율 미세조류 개발미세조류 바이오디젤의 생산성을 높이기 위해 뛰어난 미세조류 균주를 탐색하여 채택하거나 유전학적으로 균주를 개량할 필요성이 있다. 바이오디젤에 사용되는 주요 미세조류는 Chlamydomonas, Tetraselmis, Chlorella, Euglena gracilis, Prymnesium 등이 있다.그림 1. 바이오 연료용 미세조류 특성바이오 연료용 균주가 가져야할 첫 번째 특성은 높은 세기의 빛에너지를 효율적으로 바이오매스로 전환해야한다. 미세조류의 빛 에너지 전환 효율은 평균 5% 이하이며, 과도한 빛은 광저해(photoinhibition)효과를 일으켜 오히려 성장을 저해할 수 있다. 두 번째 특성은 높은 산소 부분압력(partial pressure)에 민감하지 않은 균주를 개발해야한다. 세 번째로 외부 생물의 오염으로부터 안정적인 균주의 개발이 필요하다. 바이오연료용 미세조류는 경제 측면에서 주로 대규모 배양을 수행하므로 단일 종 또는 멸균 상태의 배양시스템을 유지하여 생물 안정성을 높이는 것이 중요하다. 네 번째로 균체로부터 오일 생산량을 높이고자 한다면 높은 생장률과 많은 지질을 축적할 수 있는 균주를 개발해야한다. 일반적으로 균체를 최적의 성장조건에서 배양한 후 고농도 염, 질소원고갈 등의 스트레스 조건을 통해 균체 내 오일(photobioreactor)가 있다.그림 2. 개방형 연못배양시스템개방형 연못배양시스템은 초기 투자비용 및 운영비가 적고 유지·보수가 용이하다는 장점이 있다. 그러나 외부환경 노출로 인한 온도 및 생산성 관리가 어렵다는 단점이 있다. 또한 고농도 이산화탄소를 공급하여도 대기 중으로 손실되는 부분이 상당하며 다른 미생물 또는 미세조류로부터 오염을 받을 가능성이 높다.그림 3. 광생물반응기 배양시스템광생물반응기 배양시스템은 외부로부터 물리적으로 격리되어있어 바이오매스 생산성이 높고 안정적인 관리가 가능하다. 하지만 개방형 연못 배양시스템과 비해 초기 투자비용 및 운영비가 높다. 따라서 태양광을 이용하거나 이산화타소 대량 배출 산업의 배기가스를 활용, 생활폐수 또는 하수를 이용하여 조류에 필요한 영양원을 공급하는 등을 통해 비용을 절감할 수 있다. 최근에는 두 개의 배양시스템의 장점과 단점을 보완하는 하이브리드 배양시스템이 연구되고 있다.2.1.3 수확화분식 공정을 통해 미세조류를 수확하는 경우 종에 따른 편차가 존재하지만 일반적으로 7~10일에 한번, 연속식 공정의 경우 매일 수확이 가능하다. 그러나 배양 특성상 후처리 공정을 위한 회수가 어렵다. 미세조류는 크기가 매우 작고, 배양액 내에서 낮은 농도로 존재하며 세포 사이의 정전기적 척력으로 인해 안정적인 분산 상태로 유지된다. 무게 기준으로 미세조류 배양액 중 물이 99.9%를 차지하고 0.1%정도만 미세조류이다. 또한 세포의 밀도가 물과 비슷해 세포 침전도 쉽지 않다. 따라서 식용작물에서 식물성 기름을 추출하는 1세대 바이오연료 기술과는 다른 접근 방식으로 수확이 시도돼야 한다.표 1. 미세조류 수확기술미세조류 수확은 원심분리(centrifugation), 여과 (filtration), 침강(sedimentation), 화학응집(chemical flocculation), 기포 부유선별(Air flotation) 등의 기술을 이용할 수 있다. 원심분리와 여과기술은 의약품 생산 또는 건강식품의 원료로 미세조류를 이용한 기술이 연구되고 있다. 이 기술은 관능기가 탑재된 자성 나노입자를 이용하여 미세조류 바이오매스를 응집시키고 자력을 이용해 응집된 미세조류와 나노입자를 빠르게 회수할 수 있다. 회수한 미세조류는 후속공정에 이용하고, 나노입자는 응집에 재사용 가능하다.2.1.4. 오일 추출미세조류는 탄수화물, 단백질, 지질, 엽록소 등 다양한 생체 구성성분을 가지고 있다. 바이오디젤의 원료가 되는 미세조류 지질은 두꺼운 세포벽 안에 droplet 형태로 존재한다. 따라서 지질을 추출하기 위해서 효과적인 세포벽 파쇄와 선택적 추출이 필요하다. 식물 종자로부터 오일 추출 방법에 사용되는 유기용매추출법을 미세조류 바이오매스에도 적용가능하며 이용매 시스템(co-solvent mixture)을 사용하여 수용성 물질과의 분리성능을 더욱 향상시킬 수 있다. 현재 압착, 효소 분해, 삼투압 처리, 초임계 지원추출, 초음파 추출, 이온성 액체 및 계면활성제 이용 등 다양한 지질추출방법들이 연구되고 있으나 아직까지 미세조류를 대상으로 한 표준화된 공정이 개발되지 않았다.2.1.5. 바이오디젤 전환그림 4. 미세조류 지질로부터 바이오디젤 전환 공정미세조류로부터 추출한 지질을 흡착제를 이용하여 지질 내 불순물 제거한 후 전이에스테르화 반응(transecterification reaction)을 통해 바이오디젤을 생산한다. 전이에스테르화 공정은 원활한 전이에스테르화 반응을 위해 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH) 등 알칼리 촉매와 생촉매, 고체산 촉매 등이 사용되며 촉매 반응을 통해 미세조류의 지질을 바이오디젤과 글리세롤로 전환한다. 이 반응은 용매와 유지비율, 반응조건, 촉매량, 온도, 반응시간, 순도 등에 의해 수율이 결정된다. 이후 바이오디젤과 글리세롤을 분리하고 증류를 통해 바이오디젤을 고순화한다.2.1.6 부산물 활용바이오디젤의 부산물은 환경문제 해결 또는 유용 자원으로 활용되어 경제성을 향상시킬 수 있다. 부산물 종류에는 글리세롤, 탄수화물, 단백질, 색소 등이 있고 증류하는 파리협정이 2015년에 채택되었다. 파리협정은 산업화 이전과 대비하여 지구 평균 온도 상승폭을 2°℃이하로 유지하고, 더 나아가 온도 상승폭을 1.5℃ 이하로 제한하도록 목표를 두고 있다. 파리협정은 2020년까지 각 당국에게 장기 저탄소 발전전략(LEDS, Long-term Low greenhouse gas Emission Development Strategy)을 수립하도록 권고하였다. 이에 한국은 2016년 11월 3일 파리협정을 비준한 후 LEDS를 수립하기로 결정했으며 ‘2050년 장기저탄소발전전략’을 수립하였다. 이 전략은 산업, 발전, 수송, 에너지 등 여러 부문에 걸쳐 2050년까지 탄소 중립을 달성하기 위한 장기 비전이다. 2050년 탄소중립의 기본방향은 깨끗하게 생산된 전기 및 수소의 활용 확대, 혁신적인 에너지효율 향상, 탄소 제거 등과 이에 사용되는 미래기술 상용화, 순환 경제를 확대하여 산업의 지속가능성을 제고하고 탄소 흡수할 수 있는 수단을 강화하는 것이다. 2017년 기준 한국 수송 부분에서 국가 온실가스 총 배출량이 약 14%를 차지하여 온실가스 감축수단으로 친환경차 보급 확대 및 수송용 연료(경유 등)에 일정 비율 이상의 바이오연료(바이오디젤) 혼합할 것이 제시되었다. 미세조류를 통해 생산된 바이오연료는 연료 연소 시 발생하는 이산화탄소를 미세조류 배양 시 재사용 가능하기 때문에 탄소 중립 연료 중 하나다. 때문에 미세조류 유래 바이오연료가 가장 효율적이고 지속 가능한 연료로 인식되고 있으며 많은 연구가 수행되고 있다.표 2. 신재생 연료혼합 의무화(RFS) 제도한국 정부는 2007년 수송용 연료에 바이오연료 0.5% 비율 혼합사용 권고를 시작으로 현재 3.5% 이상 혼합을 의무화하고 있다. 뿐만 아니라 3년 단위로 혼합비율을 0.5%씩 늘려 2030년에는 혼합의무비율을 5.0%까지 확대할 것을 목표로 두고 있다.2.2.2. 바이오디젤 국외 동향신재생 연료혼합 의무화(RFS) 비율은 미국 2~10%, EU 7%, 캐나다 2~4되었다.

자연과학| 2022.12.26| 14페이지| 4,000원| 조회(456)

바이오디젤, 미세조류, 해양생명공학, 바이오디젤 국내외 동향

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오가노이드를 이용한 질병 치료

오가노이드를 이용한 질병 치료목차1. 서론1.1. 오가노이드1.2. 오가노이드 종류2. 사례2.1 뇌 오가노이드를 이용한 질환 모델링2.2 오가노이드를 이용하여 SARS-CoV-2 치료제 개발3. 오가노이드 한계점 및 해결방안4. 오가노이드 활용참고 문헌1. 서론1. 1. 오가노이드오가노이드(organoid)란 배아줄기세포(embryonic stem cell, ESC), 성체줄기세포(adult stem cell, ASC), 유도만능줄기세포(induced pluripotent stem cell, iPSC)로부터 3차원 구조 배양법을 이용하여 자가재생(self-renewal)과 자가조직화(self-organization)를 가진 생리적으로 유사한 장기를 배양하는 시스템이다. 오가노이드는 2D 배양 분석 기법을 이용하여 쉽게 조작할 수 있고, 자가재생이 가능하며, 무제한 증식가능성과 바이오뱅크로 동결보존 할 수 있다는 장점이 있다. 오가노이드 기술의 장점장점1. 생체 모델 시스템으로서 다양한 상황에서 연구 가능하다2. 오가노이드를 이용하여 성체 줄기 세포를 증식할 수 있다.3. 특정 조직 계통의 섬유아세포, 내피세포 등의 세포유형을 최소화하면서 고순도로 배양가능하다.4. 유전적 변이가 발생하지 않으며 오랜 기간 증식이 가능하다.5. 오가노이드 기술은 기존에 존재하는 다양한 기술과 호환 가능하다.6. 다양한 공급원 (성인이나 태아 조직, 배아줄기세포, 유도만능줄기세포 등)으로부터 생성이 가능하다.7. 다양한 조직의 오가노이드 생성이 가능하다.8. 동물 모델을 이용하여 연구하기 어려운 인간 질환 연구가 가능하다.9. 조직 재생을 목적으로 환자에게 이식할 성인 조직을 생성할 수 있다.1. 2. 오가노이드 종류오가노이드 종류에는 혀 장기유사체, 간 장기유사체, 뇌 장기유사체 등이 있다.혀 장기유사체는 성체줄기세포 마커인 BMI1을 발현하는 세포를 이용하여 만들어졌다. 이는 WNT, EGF, TGF-β를 조작한 후 3차원 세포 배양 조건에서 진행하였으며 여러 층의 각화성 상피(keratinized epithelium)와 각질층(stratum corneum)으로 이루어져있다. 간 장기유사체는 성숙한 mouse의 간에서 단일 Lgr5+세포를 분리하여 생성하였고 구형 단층 상피로 이루어져 있다. 뇌 장기유사체는 2013년 영국 Cambridge University의 Madeline Lancaster박사 팀에 의해 처음 개발되었다. 이는 신호전달물질이 함유된 배지에 NSC, ASC, ESC, iPSC을 배양하여 자가증식, 자가조직화, 조직 특이적 분화를 통해 만들어졌다. 이러한 다양한 오가노이드는 맞춤의학, 정밀의학, 재생의학 등 다양한 분야의 연구에서 안정적인 세포 집단을 제공한다.2. 사례2. 1. 뇌 오가노이드를 이용한 질환 모델링 오가노이드를 이용한 다운증후군과 레트증후군 치료 모델링 사람의 뇌는 다양한 기능을 가진 세포들 사이의 복잡한 network로 구성되어있고, 유전형, 환경 등의 여러 요인이 상호작용하여 뇌-신경 질환을 발생시킨다. 이전까지 유전적 돌연변이에 의해 발생하는 뇌-신경질환의 모델로 동물모델을 사용해왔으나. 동물 모델은 인간과 다른 뇌-신경 네크워크 구조와 발달과정을 가지고 있어 정확한 인간 뇌-신경 질환 표현형을 재현하는데 무리가 있다. 따라서 최근에는 동물 모델의 대안으로 환자 특이적 유도만능줄기세포(iPSCs)를 기반으로 하는 2D 뉴런 분화 및 뇌 오가노이드가 뇌-신경 질환 연구에 사용되고 있다.첫 번째 사례는 2001년 Thomson 그룹에서 인간의 iPSC를 사용하여 뉴런 분화 연구가 진행되었다. 해당 연구에서 iPSC로부터 embryonic body(EB)를 제작한 후 fibroblast growth factor 2를 처리하여 neural resette가 생성되는 것을 관찰하였다. 이후 다양한 연구를 통해 rosette가 intermediate progenitor, ventricular radial glial cell, outer radial glial cell 등으로 둘러싸인 상피 구조를 형성할 수 있음이 밝혀졌고, 이는 뇌의 뇌실대 및 뇌실하대와 구조적으로 유사하다. 이러한 분화는 점차 세분화 되어 도파민성 뉴런, 세로토닌 뉴런, GABA성 뉴런, 운동 뉴런, 감각 뉴런 등의 특정 세포로 분화되었다. 이와 같이 2D 배양을 기반으로 한 다양한 분화기술은 뇌-신경질환의 메커니증을 이해하는데 많은 기여를 하였지만 인간 뇌의 특정 영역만 재현할 수 있으며, 다양한 신경세포들의 네트워크 등 뇌의 복잡성을 파악하기엔 어려움이 남아있다. 이를 해결하기 위해 현재 뇌 오가노이드 기술이 개발되고 있다. 뇌 오가노이드 분화방법에는 self-guided 오가노이드 방법과 외인성 페터닝 방법이 있다. self-guided 오가노이드 방법은 외부 조절 인자를 최소화하는 방법이며 메트리젤에 3D neuroepithelial spheroids를 추가한 후 hypoxia-spinning에서 제작되는 방식으로 인간 뇌 발달 과정을 모방한다. 외인성 패터닝 방법은 다양한 외인성 인자를 이용하여 뇌의 특정 영역을 제작하는 방법이다. 이러한 뇌 오가노이드 기술은 다운증후군, 레트증후군 등과 같은 다양한 뇌-신경 질환을 환자 특이적으로 치료할 수 있을 것이라고 기대된다.2. 1. 오가노이드를 이용하여 SARS-CoV-2 치료제 개발 SARS-Cov-2 감염 경로와 hrsACE2의 기작 SARS-CoV-2 바이러스는 표면의 스파이크 단백질이 숙주 세포 표면의 ACE2 수용체와 강하게 결합한 후 세포 내로 침투하여 감염시키는 것으로 알려져 있다. ACE2 수용체는 인간의 폐뿐만 아니라 심장, 신장, 혈관, 장 등의 다양한 조직에서 발견되고 그에 따라 바이러스에 감염된 인간은 다양한 장기 기능 손상을 유발된다.최근 Josef Penninger가 속해있는 팀은 동물 모델대신 인간 오가노이드를 이용하여 SARS-Cov-2 바이러스 치료제 개발을 진행하고 있다. SARS-CoV-2에 감염된 오가노이드에 인공 단백질 hrsACE2를 주입하면 hrsACE2와 결합한 SARS-CoV-2 spike protein은 세포막의 ACE2와의 결합하지 못하게 되어 숙주세포를 감염시키는 효율이 떨어지게 된다. 해당연구의 연구팀은 동물모델을 사용하지 않고 신체장기와 동일한 세포로 이루어진 오가노이드를 사용하여 연구를 진행하였기 때문에 보다 적합한 치료제를 개발할 수 있다는 기대를 표현했다. 현재 hrsACE2를 이용한 약물은 이미 임상 1상 및 2상 테스트를 거쳤고 이는 조기에 상용화될 것으로 기대된다.3. 오가노이드 한계점 및 해결방안 오가노이드 기술의 한계점과 그에 따른 해결책한계점해결책1. 줄기세포와 주변 미세 환경, 면역세포 등 상호작용에 관한 연구에 어려움이 발생한다.배양 시스템을 보완한다.2. 면역세포는 배양시스템에 없어 염증 반응 또는 감염 모델링 사용에 제한적이다.기질세포나 면역세포 등 다른 세포와 공동 배양을 진행한다.3. matrigel metrix에서 생체 내 신호 입자나 성장인자의 농도 구배를 모방하지 못한다.microfluidic technologies을 적용한다.4. in vivo에서 생체역학의 힘을 모방하지 못한다.이러한 상호작용 모델링을 연구하기 위해 현재 시험관에서 새로운 기질/ECM인자를 스크리닝 중이다.5. ECM가 오가노이드를 빽빽하게 둘러싸고 있어 약물 침투에 제한이 생긴다.ECM 물리적 속성 (porosity, stiffness, composition등)을 변경한다.6. 난소와 같이 분화요인이 잘 알려지지 않은 조직은 배양에 어려움을 겪는다.잠재적 배양 성분인 주요 신호 전달 경로 조절자 및 조직-특이적 호르몬을 스크리닝 한다.7. 조직은 이질성(크기, 모양 등)을 가지고 있어 표현형 스크리닝에 어려움을 겪는다.저속 촬영이나 실시간 imaging으로 개별적 추적 가능하다.8. matrigel은 오가노이드 배양에 주로 사용되지만 이는 사람에게 사용할 수 없다.임상적으로는 사용가능하며 defined ECM가 개발 중에 있다.4. 오가노이드 활용오가노이드는 신약개발, 암 연구, 재생치료제 개발 등에 활용될 수 있다.연구 목적에 적합한 동물모델을 선택하기 위해서는 동물의 종, 성별, 나이뿐만 아니라 약물 표적, 작용 기전, 윤리적 문제 등을 고려하여 선택해야 한다. 하지만 연구에 적합한 동물 모델을 선정하였어도 인간의 조직과 100% 일치하지 않기 때문에 연구의 한계점이 존재한다. 이러한 문제점은 오가노이드를 이용하여 해결이 가능하다. 오가노이드는 생체 내, 외의 특성을 가지고 있고 관찰 및 측정, 조작이 용이하다는 장점이 있어 연구를 진행하는데 유용하게 사용된다. 즉, 환자 유도만능줄기세포(iPSCs)에서 유래된 오가노이드는 질환 특정 표현형을 나타낼 수 있어 적합한 질환 모델 플랫폼을 제공할 수 있을 뿐만 아니라 표적 발굴, 표적의 유효성 평가, 유효물질 검색, 선도 물질 발굴을 위한 독성 평가 등 전 임상 과정에서 활용이 가능하여 의생명공학 분야에서 유용하게 사용된다. 그리고 암 생리학 연구에서의 유전자 조작을 통해 만들어진 오가노이드는 생리학적 환경과 유사한 조건을 가지는 질병 모델을 만들 수 있으며 환자 특이적 약물 테스트가 가능하여 환자 맞춤형 치료법을 개발할 수 있다는 장점이 있다. 뿐만 아니라 종양원성이 낮고 자기재생 능력이 뛰어난 오가노이드를 손상된 장기에 이식해 손상 부위를 재생시키는 재생의학에 활용할 수 있다.

자연과학| 2022.12.26| 6페이지| 3,000원| 조회(276)

사례, 오가노이드 종류, 뇌 오가노이드, 질병 모델링

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바이오산업과 지식정보기술의 융합

4차 산업혁명 시대에 부합하는 생명공학 분야의 최근 동향요약제 4차 산업혁명이 도래하면서 생명공학 분야의 중요도가 높아지고 있다. 바이오산업과 지식정보기술의 융합을 통해서 실생활의 사물을 지능화시킬 것으로 예상된다. 사물의 지능화를 통하여 환경, 식량, 에너지 등 산업 구조의 변화를 초래할 것으로 예상되고, 바이오 및 의료산업의 융합을 통해 난치질병과 유전자질병의 새로운 치료제를 발견할 수 있는 가능성을 기대하고 있다. 또한 제 4차 산업혁명이 진행되면서 기업들은 신기술을 개발하여 시장을 독점하도록 치열한 경쟁이 발생하고 있다.제 1차 산업혁명은 18세기 소비재와 경공업 기반의 기계화 혁명이었다. 제 2차 산업혁명은 19부터 20세기 초반까지 전기 에너지를 바탕으로 한 대량생산의 혁명이었다. 제 3차 산업혁명은 인터넷 중심의 지식정보 혁명이고, 21세기 초반부터 인공지능 · 사물 인터넷 등과 같은 첨단 정보통신기술이 사회와 경제에 전반적으로 융합되어 혁신적인 변화를 일으키는 것을 제 4차 산업혁명으로 정의하고 있다.제 4차 산업혁명은 사물 인터넷, 인공지능과 같은 지능정보기술이 기존산업의 서비스에 융합되거나 3D프린팅, 생명공학, 나노기술 등의 과학 발전으로 인한 신기술과 융합되어 실생활의 제품 및 서비스를 네트워크로 연결하여 사물을 지능화하는 것이다. (1)여기서 생명공학은 제 4차 산업혁명에 큰 영향을 미칠 것으로 예상되는데 박상대 국가과학기술자문회의 부의장은 생명과학의 분자생물학이 현재 생명현상의 신비를 밝히는 일에 공헌하고 있으며, 21세기 의료, 환경, 식량, 에너지 등 산업 구조가 생명공학으로 연결되고 나아가 정보기술, 나노기술과 융합하여 대략 2030년경에는 지금의 IT시대를 대체하는 바이오 경제 시대가 도달할 것이라고 전망하였다. (2)유전학, 합성생물학, 유전자가위(Genome Editing, 유전체 편집)등의 생물학적인 기술이 제 4차 산업혁명을 이끌어 갈 것이라고 예상한다. 사물인터넷, 빅 데이터, 인공지능 등 지능정보기술이 바이오 및 의료산업과 융합되면서 신기술을 창출하여 세계 패러다임의 변화를 가져올 것이다. 특히 첨단 기술인 3D프린팅과 유전공학이 융합하여 생체조직프린팅이 발명되고, 물리학 디지털 생물학적 기술이 혁신을 가져올 것으로 기대된다. (3)최근 2진법 디지털 기술을 활용하여 4진법 생물의 유전체에 있는 생명정보를 분석하는 생물정보학이 발전하였으며 이를 활용하여 질병 진단과 치료에 큰 영향을 미칠게 될 것이라는 기대를 낳고 있다.그 중 유전자가위 기술은 세포가 살아있는 상태에서 세포내 위치해있는 유전자를 원하는 염기서열로 교정하거나 첨삭할 수 있는 기술이다. 현재까지 유전자가위 기술은 제 1세대 Zinc Finger Nuclease, 2세대 TALEN, 3세대 CRISPR기술로 발전해왔다. 3세대 기술 중 하나인 CRISPR/Cas9은 정교하고 효율이 높은 유전자교정, 편집기술로 유전자치료제 개발하고 다양한 동식물 유전자변형 제작에 활용되고 있다.유전자치료제 개발과 관련하여 지금까지 치료할 수 없었던 질환인 유전질환에 대한 해결책을 제시할 것으로 기대된다. 향후 유전자가위 기술이 급속도록 팽창하는 데에는 생체정보의 축적량이 중심이 될 것으로 보인다. 생체정보의 축적량이 많아지면 사물과 사람이 디지털로 연결되어 유기적으로 돌아가는 4차 산업혁명 시대가 열릴 것이다. 유전자가위를 통한 유전자치료제 개발에 있어 이미 시장 주도권을 가져오기 위해 주요 제약사 및 벤처기업의 치열한 경쟁이 진행되고 있다.(4)제 4차 산업혁명이 도래하면서 기술융합에 대한 생명공학의 영향력이 높아지고 있다. 그에 대해 많은 전문가들이 바이오와 지능정보기술을 융합하여 난치질환과 유전질환의 치료제를 개발될 기대를 가지고 더욱 노력하고 있다.제 4차 산업혁명에 기여하는 생명공학의 동향을 알아보면서 향후 세계적으로 생명공학의 중요성이 더욱 높아질 것이라는 예상이 들었다. 대학교 졸업 후 기업에 취업을 했을 때 기업이 이익을 창출할 수 있는 바이오산업을 중점적으로 연구할 것으로 보인다. 기업이 4차 산업혁명에서 뒤처지지 않는 기술을 보유하기 위해선 기업에선 전문성이 높은 인재를 채용할 것으로 예상되고, 그에 발맞추기 위해 학기 중에 생명공학 전공공부를 성실히 하여 학점을 쌓고 자격증 취득을 하여 기업에서 채용하기 원하는 인재가 되어야겠다고 생각했다. 거시적으로 한국 바이오산업이 전 세계 바이오시장에 큰 획을 그을 수 있도록 많은 생명공학 전문가들이 노력해야하며, 본인 또한 학업에 열중하고 4차 산업혁명에 기여하는 많은 논문들을 찾아보면서 향후 발생 가능한 신기술에 대해 연구해보고, 그 분야에 전문성을 가지도록 노력해야겠다는 생각이 들었다.

공학/기술| 2022.12.26| 3페이지| 2,000원| 조회(160)

4차 산업, 생명공학 분야의 동향, 바이오 및 의료산업 융합, 난치성 질병

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통제가 불가능한 미생물

[당신이 결정하라] 통제가 불가능한 미생물수평적 유전자 이동 (horizontal gene transfer, HGT)는 생식에 의하지 않고 개체간의 유전형질이 이동하는 현상을 말한다. 이는 부모 세대로부터 생식에 의해 유전형질을 물려받는 수직진화 (vertical evolution)의 반대이다. 수평적 유전자 이동은 진핵생물보다 원핵생물에서 주로 일어나는 것을 관찰할 수 있는데, 그 이유는 진핵생물은 유성생식과정에서 유전자 재조합을 통해 종내 유전적 다양성을 확보하기 때문이다. 하지만 원핵생물은 하나의 모세포에서 분열을 통해 생식하기 때문에 부모세대와 자식세대 사이에 유전적 변이가 거의 생성되지 않아 유전적 다양성이 낮아지게 된다. 결국, 원핵생물은 환경 변화에 적응하고 생존율을 높이기 위해 수평적 유전자 이동 (HGT)을 통하여 유전적 다양성을 높이고 있다[1].원핵생물의 수평적 유전자 이동 (HGT) 종류에는 conjugation, transduction, transformation이 있다. conjugation은 서로 다른 두 세포 간에 직접적인 물리적 접촉이 필요하다. 따라서 세포들이 공간적으로 밀접해 있는 환경에서 주로 발생하는 것을 관찰 할 수 있다. transduction은 conjugation과 달리 세포 간의 직접적인 물리적 접촉을 필요로 하지 않고, 바이러스를 매개로한다. 따라서 상대적으로 세포 밀도가 낮은 환경에 서식하는 미생물에게 유용한 수평적 유전자 이동 발생 기작이다. transformation은 donor 세포가 생장하기 적합하지 않은 환경에 있거나 바이러스 감염 등으로 인해 용해되어, 외부 환경으로 노출된 유전자 (naked DNA)가 recipient 세포에 직접 삽입되어 들어가는 것이다. 이는 conjugation, transduction의 비해 발생빈도가 적다. 위 방법들을 통해 수평적 유전자 이동을 한 유전자가 recipient 세포의 생존력과 번식력을 높이게 되면, 세대가 흘러 이 유전자는 집단 안에서 고정된다. 반면 수평적 이동을 한 유전자가 recipient 세포의 생존력과 번식력을 감소시키면, 세대가 흘러 이 유전자는 집단에서 사라지게 된다[2].유전적으로 조작된 미생물들이 통제된 실험조건에서 방출되는 것은 불가능하다고 생각한다. 실험실이 아닌 환경실험에서 유전자 조작된 미생물들을 방출하게 되면, 비나 바람 등의 기상요소에 따라 미생물이 번져나가 다른 생명체에게 막대한 피해를 줄 수 있기 때문이다. 한 가지 사례를 살펴보면, 살충성 GM작물의 Bt독소가 번져나가 나비에게 피해를 입힌 사례를 들 수 있다. GM작물은 유전자재조합기술을 이용하여 개발된 작물이며, 옥수수를 포함한 다양한 작물을 형질 전환시켜 해충에 대한 저항성을 증가시키고 특정 영양성분을 함유시킨다. 이는 세계적으로 널리 이용되는 유전자재조합작물이다. 코넬대학 연구팀은 유전자재조합작물의 Bt독소가 얼룩반점제왕나비 유충이 섭취하는 작물에 확산되어 얼룩반점제왕나비의 개체수가 75% 감소하였다는 연구결과를 발표하였다. 이 사례는 인간이 GM작물을 사용한 것은 경제적 측면과 환경에 강한 식물을 개발을 위함이었지만 의도치 않게 다른 생명체에게 피해를 낳았다. 따라서 미생물이 통제된 실험조건에서 방출되는 것은 불가능하다고 본다[3][4].유전자 조작된 미생물을 활용하는 것은 사람에게 경제적인 이익을 제공하지만, 변형된 유전자로 인해 다른 생명체가 위험을 받고 환경에 큰 변화를 가져올 것이다. 유전자 조작된 미생물이 환경에서 어떠한 결과를 가져올지 모르는 상황에서 유전자 조작된 미생물을 환경에 투입시킨다면 환경에 시한폭탄을 던지는 것과 다름이 없을 것이다. 환경에 이미 많이 퍼져나간 유전자 조작된 미생물은 환경에 방출하기 이전상태로 돌아가지 못할 것이며, 이미 환경은 망가지고, 생태계가 변형되며, 많은 생명체가 피해를 받은 상태일 것이다. 결국, 인간은 변화한 환경을 이전상태로 되돌리기 위해 많은 연구를 하게 될 것이지만 유전자 조작된 미생물을 투입하기 전 보다 더 좋은 대책은 찾기 힘들 것이다.

공학/기술| 2022.12.26| 3페이지| 1,000원| 조회(121)

미생물, 유전자 조작, 수평적 유전자 이동

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항암제 개발을 위한 해양 생물 소재 활용

목차서론본론암항암제 종류면역항암제한계점 및 극복방향결론3.1. 항암제 연구 동향3.2. 해양생물로부터 항암 소재 개발3.2.1. staurosporine3.2.2. 독도리피드(Dokdolipids)3.3.3. 3. 이뮤글루(ImuGlue)참고문헌서론의학기술의 발전으로 인해 인간의 평균 수명은 지속적으로 증가하고 있다. 하지만 아직까지 다양한 질병에 대한 적절한 치료제가 개발되지 않거나 혹은 임상 중에 있어 질병으로 인한 사망률은 여전히 높은 비중을 차지한다. 가장 치료하기 어렵고 재발 가능성이 높은 질병인 암(cancer)은 2020년 국내 사망원인 통계에 따르면 국내 사망원인 1위를 차지하고 있다. 때문에 과거부터 현재까지 암 치료를 위한 높은 효능과 낮은 부작용을 가진 항암제 개발 필요성이 꾸준히 대두되고 있다. 해당 보고서는 암을 치료하기 위한 사용되는 항암제 종류와 각 약물 그리고 항암제로 활용 가능한 해양생물 소재에 무엇이 있는지에 관해 논의하고자 한다.그림 1. 2020년 국내 사망원인 통계(통계청,2021)와 같이 당년도9월에 보고된 2020년 국내 사망원인 통계 결과에 따르면 10대 사망원인은 악성신생물(암), 적 자해(자살), 당뇨병, 알츠하이머병, 간질환, 고혈압성 질환, 패혈증 순으로 암에 의한 사망률이 가장 높은 것으로 보고되었다. 국내 10만명당 약 160명이 암에 의해 사망하며 암 사망률은 전년대비 약 1.2% 증가하는 추이를 보였다[1]. 그 중 가장 높은 사망률을 보이는 것은 폐암이다. 폐암으로 인한 사망자는 인구 10만 명당 36.2명으로 암 중에서 가장 높은 사망률을 보이며 암 판정으로부터 5년 이상 생존할 확률은 23.5%에 미친다. 이는 폐암 특성상 초기 판정이 어려워 빠른 시일내 치료가 불가능하고 치료를 하더라도 치료제의 약효가 높지 않아 환자의 생존율을 낮추는 것으로 보여진다[2].순위Rank암종Site발생자수Cases백분율%조발생률CR모든 암All cancers243,837100.0475.31위Stomach29,2791는 발견하지 못했던 암이 발견되어 암 발생률을 높였다[6].2. 본론2.1. 암정상세포는 세포내 조절기능에 의해 성장(Growth), 분화(Differentiation), 사멸(Apoptosis) 과정을 거치면서 세포 수 균형을 맞춘다. 정상세포는 손상되면 치료를 통해 세포를 회복시키거나 회복이 불가능하다고 판단되면 스스로 사멸한다. 하지만 암세포는 다양한 원인으로 인해 정상세포에 유전적 변이가 발생하고 이는 단백질의 구조 및 기능을 바꿔 세포의 정상적인 성장 조절을 불가능하게 한다. 비정상 세포성장 조절은 세포 증식 및 억제가 정상적으로 조절되지 않아 세포들이 비 통제되어 과다하게 증식하게 만든다. 뿐만 아니라 주위 장기 및 조직에 암세포가 침입하여 정상조직을 파괴하거나 종괴 형성을 초래한다. 이러한 상태를 암이라고 정의하는데 암은 국가, 인종, 성별, 나이, 생활습관, 식이습관 등에 따라 인체의 다양한 부위에서 발생가능하다[7].종양(Neoplasia)은 비정상적인 세포 덩어리로 세균감염, 유전자 변이 등 다양한 원인에 의해 세포가 정상적으로 분화하지 않고 과잉 성장으로 인한 덩어리이다. 종양은 크게 양성종양과 악성 종양으로 구분된다. 는 양성종양과 악성종양의 특징을 정리한 것이다. 양성종양은 비교적 천천히 성장하며 신체 다른 부위에 전이 또는 확산되지 않아 제거 가능하고 치료 가능한 종양을 말한다. 따라서 대게 양성종양은 생명을 위협하지 않는다. 반면에 악성 종양은 빠른 속도로 성장하며 신체 다른 부위로 전이 및 확산하여 퍼져나가고 이는 치료가 쉽지 않아 생명에 위험을 초래한다.표 SEQ 표 * ARABIC 2. 양성 종양과 악성 종양 특징 비교(충북지역암센터)종양구분양성 종양악성 종양성장 속도천천히 자람성장이 멈추는 휴지기를 가질 수 있음빨리 자람저절로 없어지는 경우는 매우 드뭄성장 양식점점 커지면서 성장하나 범위가 한정되어 있음주위 조직에 대한 침윤은 없음주위 조직으로 침윤하면서 성장함피막 형성 여부피막이 있어 종양이 주위 조직으로 침윤하는 것을 방왔다. 1세대 화학항암제는 암세포는 정상세포보다 빠르게 증식한다는 특징을 고려하여 빠르게 분화하는 세포를 무분별하게 공격하도록 만든 약제이다. 하지만 이 약물은 암세포뿐만 아니라 정상세포까지 공격한다는 단점을 지니고 있다. 정상세포 중 모근세포, 골수의 조혈모세포, 구강과 장내 점막의 상피세포 등은 빠르게 증식하는 특징을 가지고 있기 때문에 화학항암제를 사용하여 암을 치료하면 암세포뿐만 아니라 정상세포도 공격하여 식욕저하, 피로감, 탈모, 구토 등 다양한 부작용을 일으킨다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 2세대 표적 항암제가 개발되었다. 표적항암제는 암세포 생장에 관여하는 특정 표적인자(유전자, 단백질)들을 공격함으로써 암세포가 증식하지 못하도록 막는 방법이다. 이는 암세포만 특이적으로 공격하기 때문에 항암제로 인해 정상세포들이 공격받는 부작용을 줄일 수 있었다. 하지만 유전자 변이를 가지고 있는 환자에게만 특이적으로 사용가능하여 다양한 암을 치료할 수 없고 약제내성으로 인해 효과가 감소한다는 단점이 있다[10]. 그래서 1세대와 2세대 항암제로부터 발생하는 단점을 줄이기 위해 3세대 면역항암제가 개발되었다.2.3. 면역항암제3세대 면역항암제는 암세포 또는 원인 물질을 직접 공격하는 방법이 아닌 인체의 면역체계를 강화시켜 암세포를 사멸하는 방법이다. 면역항암제의 이점에는 첫번째로 장기간 효과지속이 있다 환자가 약제를 중단하여도 인체의 면역체계가 기억하고 있어 암세포를 계속적으로 공격하므로 2~4년이 지나도 약물반응이 지속된다. 때문에 다른 기관으로 암세포가 전이되었거나 암 말기 환자들 치료에 유의한 효과를 지닌다. 두번째로 환자의 생존률을 높인다. 면역항암제는 초기보다 중기 이후로 암세포가 진화했을 때 더 높은 효능을 보이며, 이는 환자의 생존률을 높일 수 있다. 세번째로 폭넓은 항암효과를 지닌다. 표적항암제가 특정 유전자 돌연변이에만 효과적인 점에 비해 면역항암제는 돌연변이 유무와 관련 없이 효과적으로 다양한 암을 치료할 수 있다. 이는 면역세포의 암세포 식라는 의견에 비해 현재 허가된 면역관문억제제는 CTLA-4, PD-1, PD-L1에 불과하다. 따라서 더 효능 좋은 면역관문억제제 연구를 위한 많은 노력이 필요하다. 두번째로 병용치료법 개발이다. 병용치료법이란 면역항암제의 낮은 반응률을 제고하기 위해 기존 항암 치료법들과의 병용함으로써 암 치료 효과와 반응률을 높이도록 하는 방법이다. 현재 병용치료법 개발은 매우 활발하게 연구되고 있으며 면역관문억제제와 병용 투여하는 약물에는 사이토카인, 세포치료제, 항암백신, 항암 바이러스 등 다른 면역항암제와 표적항암제, 화학요법, 방사선 치료 등이 있다. 사이토카인은 과거 면역반응을 과도하게 유도하는 부작용과 체내 활성 유지의 어려움 때문에 사용이 중지되었지만 면역관문억제제가 개발된 후 이 약제의 효능을 강화하기 위해 사이토카인 병용 치료법이 다시 연구되고 있다. 세번째로 약제에 반응을 보이는 환자만 사전에 구분해주는 바이오마커 개발이 필요하다. 면역관문억제제에 반응하는 환자의 수가 제한적인 것을 고려하면 어떠한 차이가 환자의 약물반응에 기여하는지를 알기 위한 바이오마커 개발이 필요하다. Merck가 키트루다를 허가 받을 때 바이오마커로 PD-L1을 사용하여 효과를 입증했지만 다른 임상시험에서는 PD-L1가 발현하는 정도와 약물 효과에 대해 상이한 결과가 나왔다. 따라서 해당 물질을 바이오마커로 사용하기엔 어려움이 존재한다. 적절한 바이오마커 진단 없이 면역관문억제제를 비반응 환자에게 투여하게 되면 환자는 불필요한 비용을 지불하여 치료를 하게 되고 다른 치료법을 시도할 수 있는 기회를 놓쳐 환자의 몸 상태가 악화될 수 있기 때문에 적합한 환자를 사전에 선별하는데 도움을 줄 수 있는 바이오마커의 개발이 필요하다[13].3.결론3.1. 항암제 연구 동향면역항암제 후보물질에는 T세포 면역조절제, 기타 면역조절제, 세포치료제, 항암백신, 항암 바이러스 CD3 타겟 이중항체로 6가지로 구분된다. 2020년 기준, 글로벌 면역항암제 후보물질은 4,720개로 이전 년도에 비해 22%량생산하기 위한 배양법을 개발했다고 밝혔다. 해당 연구소는 최적의 배양조건에서 배양된 해양방선균으로부터 93%의 staurosporine를 추출할 수 있으며, 이 양은 70mg/L로 높은 생산성을 가지고 있다고 보고했다. 이는 기존에 보고된 방법과 비교하여 4배 이상의 높은 생산량으로 staurosporine 의 유통가격을 낮아져 항암소재로 이용 가능성을 내포하고 있다[15].3.2.2 독도리피드(Dokdolipids)그림 5. 독도리피드(Dokdolipids A-C)(The Kbeauty science, 2019)한국해양과학기술원과 해양수산부는 독도 주변해역에서 서식하는 해양미생물에서 항암효과가 있는 독도리피드(Dokdolipids) 3종을 발견했다. 독도리피드는 Rhamnolipids계열의 생물계면활성제(Biosurfactant)이다. 생물계면활성제는 합성계면활성제과 달리 친환경적이며 부작용 위험을 감소시킬 수 있는 물질로 최근 각광받고있다. 이 믈질이 대장암, 폐암, 위암, 신장암, 전립선암, 유방암에 대해 항암 활성을 보유하고 있음을 확인하고 2019년 국내외 특허 출원도 마친 상태이다. 현재 독도리피드를 화장품, 식품, 의약품 등에 활용하여 상용화시키기 위한 연구가 지속적으로 추진되고 있다[16].3.2.3. 이뮤글루(ImuGlue)그림 6. 홍합단백질 기반의 국소적 항체전달 플랫폼 이뮤글루(포스텍)2020년 포스텍 연구팀에 따르면 홍합의 접착단백질을 면역항암제 중 면역관문억제제로 사용되는 항체에 연결하여 표적부위에서 효과적으로 항체를 전달할 수 있도록 하는 항암면역치료물질 ‘이뮤글루’를 개발했다고 발표했다. 이뮤글루는 체내에서 표적 부위에 치료용항체가 장기간 머무를 수 있도록 하고, 암세포가 존재하는 환경에 선택적으로 반응해 항체를 방출할 수 있도록 함으로써 치료 효율을 극대화시키고 부작용도 현저히 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 또한 기존 항암치료법들과 병용요법을 사용함으로써 높은 효율의 항암치료가 가능할 것이라고 기대된다[17][18].4. 참고서울신문

자연과학| 2022.12.26| 12페이지| 3,500원| 조회(306)

항암제, 면역항암제, 해양생물소재

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