의생명 소재에서 저탄소 바이오 에너지, 생분해성 소재에서 인공 합성 전분에 이르기까지. 바이오 제조가 개념 단계를 넘어 현실로 빠르게 다가오고 있다. 합성생물학의 급속한 발전에 힘입어 바이오 제조는 식품, 의약, 에너지 등 다양한 분야에서 이미 전통 제조업에 견줄 만한 경쟁력을 보여주고 있으며, 친환경·저탄소, 고효율·지속 가능성이라는 강점을 바탕으로 신질생산력(新質生產力) 발전을 이끄는 핵심 동력으로 부상하고 있다.

베이징(北京)에 있는 웨이거우공장(微構工場)의 PHA 스마트 유연 생산라인은 균주 연구개발부터 양산, 응용까지 전 과정을 아우르는 생산 체계를 구축했다. 사진은 직원이 균주를 발효조에 투입하는 모습으로, 미생물은 이곳에서 영양분을 흡수하며 성장한다. 사진/인터뷰이 제공

바이오 제조 전략적 고지 구축

생명공학과 첨단 제조 기술이 깊이 융합된 바이오 제조는 오늘날 글로벌 과학기술 혁신과 산업 패러다임 대전환의 승부처로 떠올랐다. 이는 농업 경제, 산업 경제, 디지털 경제에 이은 ‘제4의 물결’이라 평가받는다.

맥킨지 글로벌 연구소에 따르면, 현재 세계 경제에서 생산되는 물질 제품의 최대 60%가 생물학적 경로를 통해 제조 가능한 것으로 나타났다. 또한 2030년부터 2040년 사이 생물 합성 기술이 창출할 직접적인 경제 효과는 연간 약 2~4조 달러에 이를 것으로 전망되며, 의료·보건, 농업, 소비재, 소재, 화학 제품 및 에너지 등 다양한 분야가 수혜를 입을 것으로 보인다.

중국은 2007년 발표한 <바이오 산업 발전 제11차 5개년 규획>에서 이미 ‘바이오 제조’를 중점 육성 분야로 지정했다. 이어 2021년 발표된 <제14차 5개년 바이오 경제 발전 규획>에서는 바이오 제조의 고도화·규모화·클러스터화를 추진해야 한다고 강조했다. 중국이 바이오 제조를 바이오 경제 분야의 전략적 신흥 산업으로 명확히 규정한 것도 이때가 처음이었다.

2024년 바이오 제조가 처음으로 정부업무보고에 포함된 데 이어 올해는 <제15차 5개년 규획> 강령에 반영됐다. 제15차 5개년 규획 기간은 중국이 사회주의 현대화를 기본적으로 실현하기 위해 총력을 다하는 매우 중요한 시기다. 과거의 성과를 계승하고 미래로 나아가는 이 역사적 시점에 바이오 제조는 ‘성장의 황금기’를 맞을 것으로 전망된다.

우자오후이(吳朝暉) 중국 바이오 의약 기술협회 부이사장은 “바이오 제조는 관련 산업의 산업망을 재편할 것”이라며 “바이오 제조의 기술적 우위는 공급 문제를 해결하는 데 그치지 않고 국제 경쟁에서 중국의 주도권 확보에도 중요한 역할을 할 것”이라고 말했다. 그는 중국 바이오 의약 산업의 핵심 경쟁력으로 제도적 지원, 우수한 인재, 풍부한 임상 자원, 신속한 반복 개발과 공정화 역량이 결합한 ‘중국의 속도’와 비용 통제 능력을 꼽았다. 현재 중국 바이오 의약 산업은 이중항체, 항체약물접합체(ADC) 약물, 세포 치료 등 분야에서 세계 최상위권의 경쟁력을 확보한 상태다.

PHA 스마트 유연 생산라인에서 연구개발 엔지니어가 균주에 최적의 기능을 부여하기 위해 초기 단계의 미생물 개량 작업을 진행하고 있다. 사진/인터뷰이 제공

산업 발전의 근본 논리 재편

인류 산업 문명의 발전 과정에서 석유화학과 석탄화학 산업은 높은 효율성과 낮은 비용을 바탕으로 수백 년 동안 물질적 풍요를 뒷받침해 왔다. 그러나 화석 자원에 지나치게 의존하는 전통 모델은 산업망 비대화, 막대한 탄소 배출, 오염 위험 증대라는 구조적 문제를 낳았다.

플라스틱 오염은 이런 모순이 집약적으로 드러난 전 세계적 이슈다. 분해가 어려운 석유화학 플라스틱이 초래하는, 이른바 ‘백색 오염’을 해결하기 위해 과학자들은 생분해성 대체 소재를 지속적으로 연구했고, 바이오 제조는 그 핵심 방법으로 주목받고 있다.

다양한 바이오 기반 소재 가운데 폴리하이드록시알카노에이트(PHA)는 완전 생분해가 가능한 신형 바이오 소재로, 현재 가장 이상적인 탄소중립형 생분해 소재로 꼽힌다. 천궈창(陳國强) 칭화(淸華)대학 합성 및 시스템생물학센터 주임은 “PHA 제품은 토양과 해양 등 자연환경에 유입된 뒤 약 1~3년이면 완전히 자연 분해된다”며 “수백 년이 걸리는 일반 플라스틱에 비해 분해 속도가 압도적으로 빠르다”라고 설명했다. 그는 이어 “순수 PHA 제품은 해양 및 육상 동물에 무해하고 동물이 섭취해도 문제가 없다”며 “이 기술은 소재 개발과 환경 보호가 서로 대립한다는 산업계의 오랜 난제를 근본적으로 해결해 바이오 기반 소재의 대규모 상용화 가능성을 열어주고 있다”고 말했다.

PHA는 소재 분야에서 친환경 대체재 역할을 하는 데 그치지 않고, 독특한 생체적합성을 바탕으로 바이오 제조의 가치를 의학 등 더 넓은 산업 분야로 확장하고 있다. 천 주임 연구팀이 개발한 기술을 기반으로 제작된 P4HB 수술용 봉합사는 미국 FDA 승인을 획득하였으며, 현재 임상 분야에서 활용되고 있다. PHA는 다양한 구조적 특성을 지니고 있어 연골 재생 소재, 신경 유도관, 인공 식도 등 개발에도 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.

무엇보다 바이오 제조는 저탄소 특성이 뚜렷해 ‘쌍탄(雙碳, 탄소 배출량 정점 도달 및 탄소 중립)’ 목표 실현의 중요한 수단으로 주목받고 있다. 경제협력개발기구(OECD)가 6개 선진국을 대상으로 분석한 결과에 따르면, 바이오 제조 기술을 적용할 경우 산업 에너지 소비는 15~80%, 원자재 사용량은 35~75%를 줄일 수 있는 것으로 나타났다. 또한 대기 오염은 50~90%, 수질 오염은 33~80%, 생산 비용도 9~90%를 절감할 수 있는 것으로 분석됐다. 세계자연기금(WWF)은 산업 생명공학 기술이 2030년까지 매년 25억 t의 이산화탄소 배출량을 줄일 수 있을 것으로 전망했다.

다만 전망이 밝다고 해서 바이오 제조의 산업화 과정이 순탄한 것만은 아니다. 실험실 단계에서는 초기 성과를 거둘 수 있지만, 이를 산업화된 생산 규모로 확대하는 과정에서 복잡한 문제에 직면하는 경우가 많기 때문이다.

탄톈웨이(譚天偉) 중국공정원 원사는 “기회와 도전이 공존하는 현재의 발전 국면에서 중국 바이오 제조 산업은 보다 정교하게 역량을 집중해야 한다”고 강조했다. 그는 “정층설계(頂層設計， 최고 차원에서의 총체적 구상)를 강화하고 정부·기업·대학·연구 기관·사용자가 참여하는 협력 혁신 체계를 구축해 기술 연구개발 투자를 확대함으로써 핵심 기술 분야의 병목 현상을 해소해야 한다”며 “동시에 산업 생태계를 최적화하고 선도 기업을 육성하는 한편 중소기업을 지원해 바이오 제조와 의약·소재·에너지 영역의 융합을 더욱 심화해야 한다”고 제언했다.

실험실 단계의 성공이 산업화로 이어지는 데에는 여전히 많은 과제가 남아 있지만, 바이오 제조가 지닌 잠재력만큼은 의심할 여지가 없다. 친환경, 저탄소, 지속 가능성을 특징으로 하는 바이오 제조의 새로운 시대가 빠른 속도로 다가오고 있다.