효소 혁명: 자연의 촉매를 설계해 의학, 식품, 지구를 변화시키다

2019년 산업용 효소의 세계 시장은 약 90억 달러였으며, 2027년까지 138억 달러에 이를 것으로 예상됩니다.
1970년대 마이클 스미스가 발명한 부위특이적 돌연변이 유도 기술은 효소의 단일 아미노산을 정밀하게 변경할 수 있게 해주었으며, 그는 이 공로로 1993년 노벨 화학상을 수상했습니다.
1993년 프랜시스 아놀드는 무작위 돌연변이와 스크리닝을 통해 효소를 진화시키는 지향적 진화(directed evolution)를 시연했으며, 이 업적은 2018년 노벨 화학상으로 인정받았습니다.
머크와 코덱시스는 2007~2010년경 시타글립틴 제조를 위해 진화된 효소를 개발하여 99.95%의 선택성, 13% 더 높은 수율, 19% 적은 화학 폐기물을 달성했습니다.
2010년 그린 케미스트리 상은 머크/코덱시스의 시타글립틴 효소를 포함한, 더 친환경적인 의약품 제조를 가능하게 한 지향적 진화 연구를 기렸습니다.
2018년 프랜시스 아놀드, 그레고리 윈터, 조지 스미스는 의약품, 바이오연료, 촉매를 만들어내는 지향적 진화 및 파지 디스플레이(phage display) 기법으로 노벨 화학상을 수상했습니다.
2023년 Nature 논문 De novo design of luciferases using deep learning에서는 AI로 설계된 효소가 빛을 내며, 실험실에서 정제된 후 일부 천연 효소보다 더 뛰어난 성능을 보일 수 있음을 보여주었습니다.
2022~2023년 연구자들은 딥러닝을 이용해 루시퍼레이스 등 새로운 효소를 처음부터 설계하며, AI 기반 효소 설계 시대로의 전환을 알렸습니다.
2022년 UT 오스틴 연구진은 기계학습 알고리즘으로 설계된 PETase 변이체인 FAST-PETase를 개발하여, 플라스틱 폐기물을 온화한 조건에서 24시간 만에 분해할 수 있게 했습니다.
2024년 말 과학자들은 매우 낮은 비표적 활성(off-target activity)을 가진 고도로 진화된 CRISPR-Cas 효소 변이체를 보고하여 유전자 편집의 안전성을 높였습니다.

만약 우리가 자연의 미세한 기계들을 인간의 문제 해결을 위해 재프로그래밍할 수 있다면 어떨까요? 효소 공학은 효소를 새롭게 설계하는 과학입니다. 효소는 생명 화학 반응을 촉매하는 단백질로, 새로운 기능이나 향상된 기능을 갖도록 재설계할 수 있습니다. 쉽게 말해, 효소의 유전 암호를 조정해 효소가 더 잘 작동하거나 다르게 작동하도록 만드는 것입니다. 왜 이런 노력을 할까요? 효소는 탁월한 촉매제이기 때문입니다. 효소는 온화한 조건에서 화학 반응을 빠르게 일으키지만, 많은 산업 공정은 고온이나 유독성 화학물질을 필요로 합니다 newsroom.uw.edu. 생화학자 David Baker는 “생명체는 놀라운 화학자입니다… 그들은 효소를 이용해 필요한 것을 온화한 조건에서 분해하거나 합성합니다. 새로운 효소는 재생 가능한 화학물질과 바이오연료를 실현 가능하게 할 수 있습니다”라고 설명합니다 newsroom.uw.edu. 즉, 우리가 효소를 공학적으로 설계할 수 있다면, 제조, 에너지, 의학 등 다양한 분야를 혁신할 친환경 도구를 얻게 되는 것입니다.

효소 공학의 중요성은 그 폭발적인 성장에서 드러납니다. 산업용 효소의 세계 시장은 2019년 약 90억 달러였으며, 2027년에는 138억 달러에 이를 것으로 예상됩니다 pmc.ncbi.nlm.nih.gov. 이 “기적의 분자”들은 이미 세탁 세제부터 식품 가공에 이르기까지 모든 곳에 사용되고 있으며, 수요는 계속 증가하고 있습니다. 효소 공학은 우리가 효소를 자연적인 한계 이상으로 밀어붙일 수 있게 해줍니다 – 즉, 효소를 더 효율적이고, 강인하며, 맞춤화하여 새로운 일을 하도록 만드는 것입니다. 이는 의약품 생산, 친환경 플라스틱, 오염 정화에 이르기까지 막대한 영향을 미칩니다. 2018년 노벨 화학상을 수여하며 스웨덴 왕립과학원은 “과학자들이 동일한 원리 – 유전적 변화와 선택 – 를 이용해 인류의 화학적 문제를 해결하는 단백질을 개발했다”고 언급했습니다 businessinsider.com. 요약하자면, 진화와 생명공학을 활용함으로써 효소 공학자들은 전체 산업을 변화시키고, 전 세계적 과제에 도전하고 있습니다.

아래에서는 효소 공학이 무엇인지, 어떻게 작동하는지, 그 역사와 주요 기술, 그리고 의학, 농업, 식품, 생명공학, 환경과학 등 다양한 분야를 어떻게 변화시키고 있는지 살펴보겠습니다. 또한 최근의 돌파구(2024–2025년)와 이 혁명을 이끄는 전문가들의 인용문도 소개합니다.

효소 공학이란 무엇인가?

본질적으로, 효소 공학(단백질 공학의 한 분야)은 효소의 구조를 변형하여 그 기능이나 성능을 변화시키는 것을 의미합니다 khni.kerry.com. 효소는 아미노산이 사슬처럼 연결되어 복잡한 3차원 구조로 접힌 분자입니다. 이 구조와 화학적 특성이 어떤 반응을 촉매하는지 결정합니다 – 예를 들어, 전분을 당으로 분해하거나 DNA를 복제하는 것 등입니다. 효소 공학자는 효소의 아미노산 서열(즉, DNA 코드를 변경함으로써)을 바꿔 효소가 특정 작업에 더 적합하게 하거나, 심지어 새로운 반응을 촉매하도록 만듭니다. 이를 통해 활성(속도), 특이성(다른 것보다 한 대상을 선택하는 능력), 안정성(가혹한 조건에서 작동하는 능력) 등 다양한 특성을 개선할 수 있습니다. 또는 이 모든 특성을 동시에 개선할 수도 있습니다 khni.kerry.com.

과학자들은 효소를 어떻게 변형할까요? 두 가지 주요 전략이 있습니다:

합리적 설계(부위 특이적 돌연변이 유도법): 만약 효소의 어떤 부분이 그 기능에 영향을 미치는지 알고 있다면, 특정 아미노산을 의도적으로 변경할 수 있습니다. 이 기술은 1980년대 마이클 스미스(1993년 노벨상 수상자)에 의해 개척되었으며, 부위 특이적 돌연변이 유도법이라고 불립니다. 본질적으로 효소 유전자의 표적 유전적 편집입니다 nobelprize.org. 이는 효소의 DNA에 수술을 하는 것과 비슷합니다: 연구자들은 효소에서 “조정할 위치”를 식별하고, 그 DNA 염기(코돈)를 변이시켜 효소 내의 한 아미노산을 다른 것으로 대체합니다. 이 방법은 “유전 암호를 재프로그래밍”하여 새로운 특성을 가진 단백질을 만들 수 있게 해주었기 때문에 혁명적이었습니다 nobelprize.org. 초창기에는 과학자들이 효소의 구조와 기능을 탐구하는 데 이 방법을 사용했습니다 – 예를 들어, 효소를 더 안정적으로 만들어 산업 공정을 견딜 수 있게 하거나, 항체를 변형하여 암세포를 표적할 수 있게 하는 식입니다 nobelprize.org. 하지만 합리적 설계에는 상당한 지식이 필요합니다: 어떤 변화가 유익한 효과를 낼지 예측해야 하는데, 효소의 복잡성 때문에 이는 어렵습니다. 한 효소 엔지니어가 농담 삼아 말했듯, 오늘날에도 “돌연변이의 영향을 예측하는 것은… 거의 불가능하다”고 할 정도로 효소의 많은 부분이 정교하게 상호작용하기 때문입니다 aiche.org. 합리적 설계는 종종 많은 ‘교육받은 추측’에 의존했습니다.
지향적 진화: 추측이 실패할 때, 왜 자연의 알고리즘에 일을 맡기지 않을까요? 지향적 진화는 실험실에서 자연 선택을 모방하여 더 나은 효소를 진화시키는 기술입니다. 하나의 표적 변이를 만드는 대신, 과학자들은 효소 유전자에 무작위 변이를 일으켜 수천 개의 변이체로 이루어진 라이브러리를 만듭니다. 그런 다음 이 변이체들을 선별하거나 선택하여 주어진 작업에서 성능이 향상된 것을 찾습니다 sigmaaldrich.com, businessinsider.com. 이렇게 선별된 우수 변이체는 다시 변이를 일으켜, 진화가 더 적응된 생물을 만들어내듯이 이 과정을 반복합니다. 이 접근법은 1990년대에 프랜시스 아널드에 의해 개척되었으며, 그녀는 이 공로로 2018년 노벨 화학상을 수상했습니다. 프랜시스 아널드는 “대부분의 사람들이 단백질 공학을 시도하는 방식은 실패할 수밖에 없었다”고 인식하고, 다른 길을 택했습니다 – “자연의 설계 과정을 모방하는 것, 즉 진화” businessinsider.com. 수많은 무작위 돌연변이체들이 적자생존 실험에서 경쟁하게 함으로써, 연구자들은 인간이 결코 생각하지 못할 효소의 개선점을 발견할 수 있습니다. 아널드가 이 방법에 대해 내세운 유명한 신조는 “당신이 선별한 것이 곧 당신이 얻게 되는 것이다” aiche.org – 즉, 원하는 특성을 찾기 위한 좋은 테스트를 설계하는 것이 핵심이라는 의미입니다. 지향적 진화는 효소에서 “변화의 속도를 극적으로 증가시켰으며”, 자연에서 수백만 년이 걸릴 일을 실험실에서는 몇 주 또는 몇 달 만에 압축할 수 있게 했습니다 sigmaaldrich.com. 그 성과는 엄청나게 성공적이었습니다: 노벨 위원회가 강조했듯, 지향적 진화를 이용해 과학자들은 “친환경 세제와 바이오연료에서부터 항암제에 이르기까지 모든 것”에 사용되는 효소를 개발했습니다. businessinsider.com

실제로, 효소 엔지니어들은 종종 이러한 접근법을 결합합니다. 그들은 몇 가지 신중한 수정을 위해 부위 특이적 돌연변이 유도(“합리적” 접근법)를 사용한 다음, 추가적인 개선을 놀랍게 가져다줄 지향적 진화 과정을 적용할 수 있습니다. 현대적 방법은 계산 도구도 통합합니다. 생물정보학 분석과 컴퓨터 지원 설계는 어떤 돌연변이를 시도할지 제안하거나 효소 구조를 모델링하는 데 도움을 줄 수 있습니다 만약 우리가 자연의 미세한 기계들을 인간의 문제 해결을 위해 재프로그래밍할 수 있다면 어떨까요? 효소 공학은 효소를 재설계하는 과학입니다. 효소란 생명 화학 반응을 촉매하는 단백질로, 새로운 기능이나 향상된 기능을 갖도록 만드는 것이죠. 쉽게 말해, 효소의 유전 암호를 조정해 효소가 더 잘 작동하거나 다르게 작동하도록 하는 것입니다. 왜 이런 노력을 할까요? 효소는 탁월한 촉매제이기 때문입니다. 효소는 부드러운 조건에서 화학 반응을 빠르게 진행시키지만, 많은 산업 공정은 고온이나 유독성 화학물질을 필요로 합니다 newsroom.uw.edu. 생화학자 David Baker는 “생명체는 놀라운 화학자입니다… 그들은 효소를 사용해 필요한 것을 부드러운 조건에서 분해하거나 합성합니다. 새로운 효소는 재생 가능한 화학물질과 바이오연료를 실현 가능하게 할 수 있습니다”라고 설명합니다 newsroom.uw.edu. 즉, 우리가 효소를 설계할 수 있다면, 제조, 에너지, 의학 등에서 혁신을 일으킬 친환경 도구를 얻게 되는 것입니다.

효소 공학의 중요성은 그 폭발적인 성장에서 잘 드러납니다. 산업용 효소의 세계 시장은 2019년 약 90억 달러에서 2027년 138억 달러에 이를 것으로 전망됩니다 pmc.ncbi.nlm.nih.gov. 이 “기적의 분자”들은 이미 세탁 세제부터 식품 가공까지 다양한 분야에 사용되고 있으며, 수요는 계속 증가하고 있습니다. 효소 공학은 효소가 자연의 한계를 넘어 더 효율적이고, 견고하며, 맞춤화된 새로운 역할을 하도록 만듭니다. 이는 의약품 생산, 친환경 플라스틱, 오염 정화 등 엄청난 영향을 미칩니다. 2018년 노벨 화학상 시상에서 스웨덴 왕립과학원은 “과학자들이 동일한 원리, 즉 유전적 변화와 선택을 이용해 인류의 화학적 문제를 해결하는 단백질을 개발했다”고 언급했습니다 businessinsider.com. 요약하자면, 진화와 생명공학을 활용해 효소 엔지니어들은 산업 전체를 변화시키고 글로벌 과제에 도전하고 있습니다.

아래에서는 효소 공학이 무엇인지, 어떻게 작동하는지, 그 역사와 주요 기술, 그리고 의학, 농업, 식품, 생명공학, 환경과학 등 다양한 분야를 어떻게 변화시키고 있는지 살펴봅니다. 또한 최근의 돌파구(2024–2025년)와 이 혁신을 이끄는 전문가들의 인용문도 소개합니다.

효소 공학이란 무엇인가?

본질적으로, 효소 공학(단백질 공학의 한 분야)은 효소의 구조를 변형하여 그 기능이나 성능을 변화시키는 것을 의미합니다 khni.kerry.com. 효소는 아미노산이 복잡한 3차원 구조로 접힌 사슬입니다. 이들의 형태와 화학적 특성이 어떤 반응을 촉매하는지를 결정합니다. 예를 들어, 전분을 당으로 분해하거나 DNA를 복제하는 반응 등입니다. 효소 공학자는 효소의 아미노산 서열(즉, DNA 코드를 변경함으로써)을 바꿔서 효소가 특정 작업에 더 적합해지거나, 심지어 새로운 반응을 촉매하도록 만듭니다. 이를 통해 활성(속도), 특이성(다른 것들 중 하나의 표적만 선택), 안정성(가혹한 조건에서 작동) 또는 이 모든 특성을 향상시킬 수 있습니다 khni.kerry.com.

과학자들은 효소를 어떻게 변형할까? 두 가지 주요 전략이 있습니다:

합리적 설계(부위 특이적 돌연변이 유도): 효소의 어떤 부분이 기능에 영향을 미치는지 알고 있다면, 특정 아미노산을 의도적으로 변경할 수 있습니다. 이 기술은 1980년대 마이클 스미스(1993년 노벨상 수상자)에 의해 개척되었으며, 부위 특이적 돌연변이 유도라고 불립니다. 본질적으로 효소 유전자의 표적 유전적 편집입니다 nobelprize.org, nobelprize.org. 이는 효소 DNA에 수술을 하는 것과 비슷합니다. 연구자들은 효소에서 “조정할 위치”를 찾아 그 DNA 염기(코돈)를 변이시켜 효소 내의 한 아미노산을 다른 것으로 교체합니다. 이 방법은 “유전 암호를 재프로그래밍”하여 새로운 특성을 가진 단백질을 만들 수 있게 해 혁신적이었습니다 nobelprize.org. 초기에는 효소의 구조와 기능을 탐구하는 데 사용되었습니다. 예를 들어, 효소를 더 안정적으로 만들어 산업 공정에서 견딜 수 있게 하거나, 항체를 변형해 암세포를 표적으로 삼게 하는 등입니다 nobelprize.org. 하지만 합리적 설계에는 상당한 지식이 필요합니다. 어떤 변화가 유익한 효과를 낼지 예측해야 하는데, 효소의 복잡성 때문에 이는 어렵습니다. 한 효소 공학자는 “돌연변이의 영향을 예측하는 것은… 거의 불가능하다”고 농담하기도 했습니다. 이는 효소의 많은 부분이 얼마나 복잡하게 상호작용하는지 때문입니다 aiche.org. 합리적 설계는 종종 많은 추측과 시행착오를 동반했습니다.
지향적 진화: 추측이 실패할 때, 왜 자연의 알고리즘에 일을 맡기지 않을까요? 지향적 진화는 실험실에서 자연 선택을 모방하여 더 나은 효소를 진화시키는 기술입니다. 하나의 표적 변이를 만드는 대신, 과학자들은 효소 유전자에 무작위 변이를 일으켜 수천 개의 변이체로 이루어진 라이브러리를 만듭니다. 그런 다음 이 변이체들을 선별하거나 선택하여 주어진 작업에서 성능이 향상된 것을 찾습니다 sigmaaldrich.com, businessinsider.com. 이렇게 선별된 우수 변이체는 다시 변이를 일으켜, 진화가 더 적응된 생물을 만들어내듯이 이 과정을 반복합니다. 이 접근법은 1990년대에 프랜시스 아널드에 의해 개척되었으며, 그녀는 이 공로로 2018년 노벨 화학상을 수상했습니다. 프랜시스 아널드는 “대부분의 사람들이 단백질 공학을 시도하는 방식은 실패할 수밖에 없었다”고 인식하고, 다른 길을 택했습니다 – “자연의 설계 과정을 복제하는 것, 즉 진화” businessinsider.com. 수많은 무작위 돌연변이체들이 적자생존 실험에서 경쟁하게 함으로써, 연구자들은 인간이 결코 생각하지 못할 효소의 개선점을 발견할 수 있습니다. 아널드가 이 방법에 대해 내세운 유명한 신조는 “당신이 선별한 것이 곧 당신이 얻게 되는 것이다” aiche.org – 즉, 원하는 특성을 찾기 위한 좋은 테스트를 설계하는 것이 핵심이라는 의미입니다. 지향적 진화는 효소에서 가능한 “변화의 속도를 극적으로 증가시켰으며”, 자연에서 수백만 년이 걸릴 일을 실험실에서는 몇 주 또는 몇 달 만에 압축할 수 있게 했습니다 sigmaaldrich.com. 이는 엄청나게 성공적이었습니다: 노벨 위원회가 강조했듯, 지향적 진화를 이용해 과학자들은 “친환경 세제와 바이오연료에서부터 항암제에 이르기까지 모든 것”businessinsider.com

실제로, 효소 엔지니어들은 종종 이러한 접근법을 결합합니다. 그들은 몇 가지 신중한 변형을 위해 부위 특이적 돌연변이 유도(“합리적” 접근법)를 사용한 다음, 추가적인 개선을 위해 지향적 진화 라운드를 적용할 수 있습니다. 현대적 방법은 계산 도구도 통합합니다: 생물정보학 분석과 컴퓨터 지원 설계는 어떤 돌연변이를 시도할지 제안하거나 효소 구조를 모델링하는 데 도움을 줄 수 있습니다 pmc.ncbi.nlm.nih.gov. 최근 몇 년간, 머신러닝과 AI의 발전은 새로운 전략을 가능하게 하고 있습니다: 완전히 처음부터 컴퓨터상에서 새로운 효소를 설계하는 것입니다. 예를 들어 2023년, 워싱턴 대학교 단백질 설계 연구소의 연구진은 딥러닝을 사용해 자연에 존재하지 않았던 새로운 효소(빛을 내는 루시퍼레이스)를 발명했습니다 newsroom.uw.edu. 수석 과학자 중 한 명인 Andy Hsien-Wei Yeh는 “우리는 컴퓨터상에서 완전히 처음부터 매우 효율적인 효소를 설계할 수 있었습니다… 이 돌파구는 거의 모든 화학 반응에 맞는 맞춤형 효소가 원칙적으로 설계될 수 있음을 의미합니다.” newsroom.uw.edu라고 말했습니다. 이러한 데노보(de novo) 효소 설계는 10년 전만 해도 먼 꿈이었으나, 이제 현실이 되어가고 있으며, AI 설계 효소의 시대를 여는 문을 열고 있습니다.

효소 공학의 간략한 역사

효소는 수천 년 동안 인간에 의해 사용되어 왔습니다 (비록 무의식적으로라도) – 고대의 양조, 치즈 제조, 빵 발효를 생각해보면, 미생물 내 자연 효소가 그 역할을 했습니다. 그러나 효소를 과학적으로 이해하기 시작한 것은 19세기 소화 및 발효 화학 연구에서였습니다 pmc.ncbi.nlm.nih.gov. 20세기 중반까지 과학자들은 효소가 단백질임을 밝혀내고, 그 기본 구조와 반응 촉매 작용 방식을 해독했습니다. 이것이 효소 공학의 이론적 토대를 마련했습니다 pmc.ncbi.nlm.nih.gov: 효소의 구조를 이해한다면, 우리의 필요에 맞게 바꿀 수 있을까?

이 분야는 20세기 후반 분자생물학의 획기적 발전 덕분에 본격적으로 발전했습니다. 1970~80년대 두 가지 노벨상 수상 업적이 기반을 마련했습니다:

재조합 DNA 기술(유전자 공학): DNA를 절단, 연결, 복제하는 도구(폴 버그, 허버트 보이어, 스탠리 코헨 등 선구자들에 의해 개발)는 과학자들이 효소 유전자를 분리하고 변형할 수 있게 했습니다. 1980년대에는 재조합 효소를 생산하는 것이 가능해졌습니다 – 예를 들어, 인간 인슐린이나 산업용 효소를 박테리아나 효모에서 생산함으로써, 효소를 실험 및 활용에 훨씬 더 쉽게 사용할 수 있게 되었습니다.
표적 돌연변이 유도: 1970년대 Michael Smith에 의해 발명된 이 방법은 DNA의 단일 염기를 의도적으로 변경할 수 있게 해주었습니다 nobelprize.org. 이 업적으로 Michael Smith는 1993년 노벨 화학상을 공동 수상했습니다. 이로 인해 생화학자들은 효소에 특정한 돌연변이를 만들어 그 효과를 관찰할 수 있게 되었고, 효소의 구조-기능 관계에 대한 이해가 크게 향상되었습니다. 1993년 노벨상 보도자료에서는 “Smith의 방법으로 유전 암호를 재프로그래밍하고… 단백질 내 특정 아미노산을 교체할 수 있게 되었다. …새로운 특성을 가진 단백질을 만드는 가능성이 근본적으로 변화했다.”고 언급했습니다. nobelprize.org 이것이 의도적인 단백질 설계의 시작이었습니다. 초기 성공 사례로는 효소를 더 높은 온도에서도 견딜 수 있도록 조정하거나 항체(결합 단백질)를 종양을 표적으로 하도록 설계하는 것 nobelprize.org 등이 있었으며, 이는 의학 및 산업을 위한 맞춤형 단백질의 원시적 형태였습니다.

하지만 당시의 합리적 설계는 우리의 불완전한 지식에 의해 한계가 있었습니다. 1980년대에는 많은 과학자들이 “진화를 단축”하기 위해 효소 구조를 분석하고 유익한 돌연변이를 예측하려 했지만, 종종 좌절을 겪었습니다 aiche.org. 효소는 매우 복잡한 것으로 드러났고, 한 부분을 바꾸면 전체에 예측할 수 없는 영향을 미치는 경우가 많았습니다. 한 리뷰에서는 연구자들이 “효소는 그렇게 쉽게 이해할 수 있는 것이 아니다”라는 것을 배웠다고 했으며, 활성 부위 주변의 “폴리펩타이드 사슬의 대부분”도 기능에 중요하다고 언급했습니다 aiche.org. 1980년대 후반까지 순수하게 합리적인 효소 조작으로는 오직 미미한 성과만이 이루어졌습니다.

획기적인 발전은 1990년대 초에 지향적 진화와 함께 찾아왔다. 1993년, Frances H. Arnold는 실패한 합리적 설계에 좌절한 끝에, 무작위 돌연변이와 스크리닝을 통해 효소를 더 잘 작동하도록 진화시키는 첫 번째 실험을 발표했다. 1990년대와 2000년대 내내, 오류 유발 PCR(무작위 돌연변이를 쉽게 도입하기 위해)과 DNA 셔플링(유익한 돌연변이를 섞기 위해 유전자의 조각을 재조합하는 방법) sigmaaldrich.com과 같은 발명 덕분에 지향적 진화 기술이 번성했다. 연구자들은 또한 고처리량 스크리닝 방법과 영리한 선택법을 개발하여 원하는 특성을 가진 효소 라이브러리를 선별했다. 지향적 진화는 효소의 활성, 특이성, 안정성 등 모든 면을 최적화하는 데 엄청난 힘을 발휘했다. 이 방법은 상세한 사전 지식이 필요하지 않았다 – 다양성을 만들어내고 우수한 것을 찾는 좋은 시스템만 있으면 됐다. 이후 20년 동안 이 접근법은 학계와 산업계 모두에서 효소 공학에 혁명을 일으켰다. 효소는 새로운 반응(자연계에 없는 반응까지도)을 수행하도록, 비자연적 환경(독성 용매나 극한 pH 등)에서 작동하도록, 그리고 산업 공정을 개선하도록 진화되었다. “진화는 돌연변이와 선택의 단순하면서도 매우 강력한 알고리즘이다,”라는 한 기사에서 언급했듯이, 이제 엔지니어들은 그 알고리즘을 마음대로 적용할 수 있게 되었다 aiche.org. 우리가 원하는 것을 위해 선택을 가함으로써, 본질적으로 자연이 우리를 위해 해답을 발명하도록 유도하는 것이다.

현실 세계에서의 획기적인 성과 중 하나는 머크가 약물 합성을 위해 진화된 효소를 개발한 것(약 2007~2010년)입니다. 머크는 바이오테크 기업 코덱시스와 협력하여, 당뇨병 치료제 시타글립틴을 제조하기 위해 효소를 지향적 진화(directed evolution)로 개선했습니다. 최종 효소(여러 차례의 진화 후)는 99.95%의 선택성과 높은 수율로 핵심 화학 반응 단계를 수행하여, 중금속 촉매를 대체하고 여러 단계를 생략했습니다 aiche.org. 이 효소 공정은 전체 수율을 13% 높이고, 화학 폐기물을 19% 줄였으며, 고압 수소 가스와 유독성 금속의 필요성을 없앴습니다 aiche.org. 이것은 이정표가 되는 성과로, 엔지니어링된 효소가 제약 생산을 더 친환경적이고 효율적으로 만들 수 있음을 보여주었으며, 이로 인해 아놀드와 동료들은 2010년 그린 케미스트리 상을 수상했습니다. 2018년 기준, 지향적 진화의 영향은 매우 커서 프랜시스 아놀드, 그레고리 윈터, 조지 스미스가 노벨 화학상을 수상했습니다. 윈터와 스미스는 파지 디스플레이(phage display)를 이용해 항체와 같은 단백질을 진화시키는 방법을 개발했고, 아놀드는 효소를 개발했습니다. 이들은 함께 “진화의 힘을 활용”하여 신약, 바이오연료, 촉매와 같은 발명을 이끌어낼 수 있음을 보여주었습니다businessinsider.com.

21세기로 접어들면서, 효소 공학은 더욱 가속화되었습니다. 2010년대 후반과 2020년대 초반에는 계산 기반 단백질 설계(Rosetta와 같은 소프트웨어를 사용해 특정 반응에 맞는 효소를 설계)와 단백질 공학에서의 AI의 부상이 두드러졌습니다. 방대한 단백질 데이터베이스와 머신러닝을 통해 과학자들은 효소 구조를 예측할 수 있게 되었고(AlphaFold와 같은 혁신 덕분), 원하는 기능을 가진 새로운 효소 서열을 생성할 수도 있게 되었습니다 newsroom.uw.edu. 2022~2023년에는 연구자들이 딥러닝을 이용해 완전히 새로운 효소를 처음부터 만들어내는 데 성공했다는 보고가 있었습니다(위에서 언급한 새로운 루시퍼레이스 효소 등) newsroom.uw.edu. 한편, 지속적 유도 진화 및 자동화된 고처리량 스크리닝과 같은 방법들이 진화 과정을 더욱 빠르고 자동화되게 만들고 있습니다 biorxiv.org, sciencedirect.com. 오늘날의 효소 공학은 생물학, 공학, 데이터 과학이 어우러진 풍부한 융합 분야로, 과거의 시행착오 방식과는 전혀 다릅니다. 2024년 한 업계 보고서에 따르면, 우리는 효소 활용에 있어 “빙산의 일각”만을 겨우 도달한 상태이며, 가능한 효소 중 극히 일부만이 탐구되었기 때문에 잠재력은 막대하다고 합니다 khni.kerry.com.

효소 공학의 주요 기술

효소 공학자들은 개선된 효소를 만들기 위한 다양한 도구를 가지고 있습니다. 여기 주요 기술과 그 작동 원리를 소개합니다:

부위 특이적 돌연변이 유도법: 효소 내 특정 아미노산을 정밀하게 바꾸는 방법입니다. 과학자들은 원하는 돌연변이가 포함된 짧은 DNA 프라이머를 설계해 유전자를 복제하면서 변이를 도입합니다. 이는 설계도에서 한 글자를 수정하는 것과 비슷합니다. 이 방법은 가설을 검증하거나(예: “이 글리신을 알라닌으로 바꾸면 효소가 더 안정적일까?”) 효소 활성 부위를 미세 조정하는 데 유용합니다. 부위 특이적 돌연변이 유도법은 최초의 단백질 공학 기법이었으며, 지금도 널리 사용되고 있습니다 nobelprize.org. 단점은 변이를 직접 선택해야 하므로, 성공 여부가 얼마나 잘 예측하느냐에 달려 있다는 점입니다.
지향적 진화(Directed Evolution): 앞서 설명한 강력한 방법입니다. 하나의 표적 변이 대신, 많은 무작위 돌연변이를 생성하고 더 나은 효소를 선별합니다. 주요 단계로는 변이 라이브러리(오류 유발 PCR, 관련 유전자의 DNA 셔플링, 기타 돌연변이 유도 기술 sigmaaldrich.com) 생성과, 향상된 변이를 찾기 위한 선별 또는 선택 시스템이 있습니다. 예를 들어, 더 빠른 효소를 원한다면 기질의 색이 더 빨리 변하는 콜로니를 선별하거나, 고온에서 작동하는 효소를 원한다면 가열 후 살아남은 것들을 선별할 수 있습니다. 지향적 진화는 놀라운 개선을 이끌어낼 수 있습니다. 예를 들어 효소의 활성이 100배 증가하거나, 끓는 물에서도 작동하도록 적응하는 등입니다. 진화의 맹목적 탐색에 의해 안내되는 시행착오 방식이지만, 매우 효과적입니다. 한 기사에서는 “지향적 진화는… 관심 유전자의 무작위 돌연변이를 생성하고… 엄격한 선택을 부과하여 최적화된 기능을 가진 단백질을 식별함으로써 자연 진화를 모방한다” sigmaaldrich.com라고 요약했습니다. 이 방법은 효소의 구조를 알 필요가 없다는 점이 큰 장점입니다.
고속(High-Throughput) 스크리닝 및 선택: 이들은 엄밀히 말해 엔지니어링 방법은 아니지만, 특히 지향적 진화에서 매우 중요한 요소입니다. 수천 개의 효소 변이를 빠르게 테스트하는 기술을 포함합니다. 예: 마이크로플레이트에서의 색 변화 분석(colorimetric assay), 효소가 활성인 세포를 분류하는 형광 활성 세포 분류(FACS), 단백질을 DNA와 연결해 선택하는 파지 디스플레이, 또는 특정 조건에서만 향상된 효소가 박테리아를 자라게 하는 성장 보완법 등이 있습니다 sigmaaldrich.com. 스크리닝 방법이 좋을수록(“당신이 선별한 것만큼 얻는다” aiche.org), 원하는 효소 변이를 찾을 가능성이 높아집니다.
고정화 및 화학적 변형: 때로는 효소를 엔지니어링하는 것이 아미노산을 바꾸는 것만이 아닙니다. 효소 고정화는 효소를 고체 지지체(비드나 수지 등)에 부착하는 기술로, 안정성을 높이고 산업용 반응기에서 재사용을 가능하게 합니다 labinsights.n l. 이는 효소의 서열을 바꾸지는 않지만, 효소가 더 실용적으로 되도록 하는 엔지니어링 접근법입니다(효소가 씻겨 나가지 않고, 고정화되면 종종 더 까다로운 조건도 잘 견딤). 폴리머(PEGylation) 부착이나 효소 분자 간 교차결합과 같은 화학적 변형도 안정성이나 약물 내 반감기 등 특성을 향상시킬 수 있습니다. 이러한 방법들은 1970년대부터 “2세대” 효소 기술로 불려왔으며 labinsights.nl, 유전적 변형을 보완합니다.
컴퓨터 기반(인 실리코) 설계: 최근 빠르게 성장하는 접근법은 컴퓨터 알고리즘을 이용해 새로운 효소를 설계하거나 기존 효소를 개선하는 것입니다. 효소 구조와 활성 부위의 물리적 특성을 시뮬레이션함으로써, 과학자들은 원하는 활성을 만들어낼 수 있는 돌연변이를 예측하려고 시도합니다. 2000년대 초반의 시도들은 종종 기대에 못 미쳤지만, 이 분야는 발전해왔습니다. 오늘날에는 특정 반응(예: 2010년 유명 연구의 Diels-Alder 반응)에 맞는 효소를 설계하고, 그 설계대로 실험실에서 효소를 만들어 테스트할 수 있습니다. 특히, 머신러닝이 이제는 가능한 단백질 변이체의 방대한 “탐색 공간”을 탐색하는 데 도움을 줍니다. 2022년에는 MutCompute라는 머신러닝 모델을 개발해 플라스틱 분해 효소의 돌연변이 유도를 성공적으로 성능을 크게 향상시켰습니다 molecularbiosci.utexas.edu. 그리고 앞서 언급했듯, 2023년에는 실제로 새로운 화학 반응을 수행하는 최초의 AI 설계 효소가 등장했습니다 newsroom.uw.edu. 컴퓨터 설계는 여전히 실제 진화/실험과 병행되는 경우가 많습니다 – AI가 후보를 제안하면, 실험실에서 테스트와 개선(심지어 진화) 과정을 거쳐 확정합니다. 그럼에도 불구하고, 빅데이터가 지원하는 “지능형” 효소 엔지니어링으로의 흐름이 뚜렷합니다. 전문가들은 미래에는 컴퓨터가 특정 작업에 “완벽한 효소”를 신뢰성 있게 설계할 수 있어, 대규모 스크리닝 라이브러리의 필요성이 줄어들 것이라고 예측합니다 aiche.org – 하지만 아직 그 단계에는 이르지 못했습니다.

이러한 기술들을 결합함으로써, 연구자들은 이제 효소를 예측 가능하고 반복적으로 최적화할 수 있게 되었습니다. 2021년의 한 리뷰에서는 “오늘날 효소 공학은 원하는 산물을 위한 촉매를 예측 가능하게 최적화할 수 있는 성숙한 분야이다… 산업용 효소 응용 범위를 확장하고 있다.”라고 결론지었습니다. aiche.org. 요약하자면, 과거에는 시행착오에 의존했던 실험이 점점 더 합리적이고 데이터 기반의 공학 분야로 변화하고 있습니다.

의학 및 제약 분야에서의 응용

효소 공학의 가장 흥미로운 영향 중 하나는 의학 및 신약 개발 분야에 있습니다. 효소는 우리 몸과 많은 현대 의약품의 제조에 중요한 역할을 합니다. 효소를 공학적으로 설계함으로써, 과학자들은 새로운 치료법을 만들고 의약품 생산 방식을 개선하고 있습니다:

더 친환경적인 의약품 제조: 많은 의약품은 전통적으로 다단계 유기 합성(종종 유독성 시약이나 고비용 조건 필요)을 필요로 하는 복잡한 유기 분자입니다. 공학적으로 설계된 효소는 이러한 변환을 더 깨끗하게 수행할 수 있습니다. 대표적인 예는 당뇨병 치료제 시타글립틴(Januvia)의 제조입니다: 머크는 생산 공정에서 화학 촉매를 대체하기 위해 효소를 지향적 진화로 최적화했습니다. 그 결과, 더 높은 수율과 더 적은 유해 폐기물을 발생시키는 효율적인 반응이 이루어졌습니다 aiche.org. 이 성공은 “효소 공학이 핵심”이었음을 보여주었으며, 진화된 효소를 사용함으로써 수율 13% 증가, 폐기물 19% 감소를 달성했습니다 aiche.org. 이후 많은 제약 회사들이 의약품 제조에 효소 촉매를 도입(예: 콜레스테롤 저하제 아토르바스타틴 등 제조)하여 환경 영향을 크게 줄이고 비용을 절감하고 있습니다.
효소 치료제: 일부 질병은 체내에 효소가 없거나 제대로 작동하지 않아 발생합니다(예: 특정 대사산물을 분해하는 효소가 결핍된 리소좀 저장 질환 등). 효소 공학은 효소 대체 치료제를 더 안전하고 효과적으로 설계할 수 있게 해줍니다. 기업들은 약물로 사용되는 효소를 변형(예: 효소에 PEG를 결합해 혈중 지속 시간을 늘리거나, 면역 반응을 줄이기 위해 아미노산을 변경)해왔습니다. 주목할 만한 사례로는 아스파라기나아제 효소가 있는데, 이는 백혈병 치료에 암세포의 아스파라긴 고갈을 통해 사용됩니다. 연구자들은 부작용이 줄고 안정성이 향상된 아스파라기나아제 변형체를 개발하여 치료 효과를 높였습니다 pmc.ncbi.nlm.nih.gov. 이와 유사하게, 락타아제 효소도 공학적으로 설계되어 유당불내증 환자가 유제품을 소화할 수 있도록 보충제로 판매되고 있습니다.
바이오의약품 및 생물학적 제제: 고전적 효소를 넘어서, 단백질 치료제(항체, 사이토카인 등)의 광범위한 분야 역시 단백질 공학 기술의 혜택을 받고 있습니다. 2018년 노벨상은 Sir Gregory Winter가 파지 디스플레이(phage display)를 이용해 항체를 진화시킨 업적을 기렸는데, 이는 본질적으로 효소/단백질 공학을 적용해 Humira와 같은 새로운 약물(자가면역 질환 세계 1위 매출 의약품)을 개발한 것입니다 businessinsider.com. 이 연구는 효소 공학과 매우 밀접한 분야입니다. 실제로 노벨상 보도자료에서는 이러한 방법들이 “암을 공격하는 항체” 및 기타 혁신적인 성과를 만들어냈다고 강조했습니다 nobelprize.org. 오늘날 연구실에서는 항체 의약품의 결합력과 특이성을 향상시키기 위해 지향적 진화(directed evolution)나 합리적 설계(rational design)를 일상적으로 사용합니다.
진단 및 바이오센서: 엔지니어링된 효소는 의료 진단에서도 핵심적 역할을 합니다. 당뇨병 환자를 위한 혈당 측정 스트립을 생각해보면, 이들은 효소인 글루코스 옥시다아제(glucose oxidase)를 사용합니다. 이러한 효소를 조정함으로써 과학자들은 진단 테스트의 민감도와 안정성을 향상시켰습니다. 효소는 ELISA 키트에서 항체와 결합하거나, 바이오센서에서 전극과 결합해 낮은 농도의 바이오마커도 감지할 수 있습니다. 예를 들어, 연구자들은 특정 대사산물이나 심지어 바이러스까지 현장 진단 테스트로 더 잘 감지할 수 있도록 효소를 엔지니어링했습니다 labinsights.nl. COVID-19 기간 동안 보았듯이, PCR 중합효소나 CRISPR 관련 효소 등도 바이러스 유전물질을 신속하게 검출하도록 최적화되었습니다. 이처럼 효소 공학은 더 빠르고 정확한 의료 검사에 기여하고 있습니다.
새로운 치료 전략: 일부 최첨단 치료법은 효소 자체를 “약물”로 사용해 새로운 일을 수행합니다. 한 예로, 투석기에서 박테리아 효소를 이용해 혈액에서 독소를 걸러내는 방법이 있습니다(과학자들은 신장 투석 중 요독성 물질을 분해하는 효소를 실험한 바 있습니다 labinsights.nl). 또 다른 예는 암 치료로, 효소를 이용해 항암제(화학요법 약물)를 종양 부위에서만 활성화시키는 방법입니다(효소가 무독성 전구약물을 암 조직 내에서 독성 약물로 전환시켜 건강한 세포는 보호함). 효소는 또한 종양 주위의 보호 매트릭스를 분해하거나, 종양에 영양분 공급을 차단하도록 설계되고 있습니다. 이 모두가 매우 표적화된 접근법으로 연구되고 있습니다.

요약하자면, 효소 공학은 의약품을 더 저렴하고 친환경적으로 생산할 수 있게 도와주고 있으며, 새로운 치료법과 진단법을 가능하게 하고 있습니다. 한 전문가의 말처럼, “가능성은 무한하다” – 제약 폐기물 관리부터 체내 약물 전달까지 news.utexas.edu. 그리고 효소는 매우 특이적이기 때문에, 의학에 효소를 사용하면 무딘 화학물질에 비해 부작용을 줄일 수 있습니다. 이는 보다 개인 맞춤형이고 지속 가능한 의료로 나아가는 중요한 단계입니다.

전문가 인사이트: 전체적인 관점에서, 노벨상 수상자인 프랜시스 아널드는 자연의 진화적 설계 과정을 모방하는 것이 새로운 의료 솔루션의 세계를 열었다고 언급했습니다. “생물학적 세계의 이 엄청난 아름다움과 복잡성은 하나의 단순하고 아름다운 설계 알고리즘을 통해 만들어집니다… 저는 그 알고리즘을 사용해 새로운 생물학적 것을 만듭니다,”라고 아널드는 말했습니다 businessinsider.com. 이러한 “새로운 생물학적 것들”에는 현재 생명을 구하고 있는 첨단 효소와 단백질이 포함됩니다.

농업 및 식품 분야의 응용

효소 공학은 우리가 식량을 재배하고, 생산하고, 심지어 먹는 방식까지 변화시키고 있습니다. 농업과 식품 산업에서 효소는 오랫동안 핵심 역할을 해왔습니다(치즈의 레닛, 빵 제조의 아밀라아제 등). 이제는 공학적으로 설계된 효소가 더 지속 가능하고, 효율적이며, 영양가 높은 식품 생산을 가능하게 하고 있습니다:

작물 성장 및 보호: 농부들과 농업기술 기업들은 토양과 식물 건강을 개선하기 위해 효소를 활용하고 있습니다. 예를 들어, 식물은 인이 필요하지만, 대부분의 인은 동물이 소화할 수 없는 피틴산 형태로 토양에 잠겨 있습니다. 피타아제는 피틴산에서 인을 방출하는 효소로, 과학자들은 동물 사료 펠릿에서 견딜 수 있도록 더 내열성이 높고 장내에서 활성이 높은 피타아제 효소를 개발했습니다. 이러한 공학적 효소를 가축 사료에 첨가하면 영양소 흡수가 크게 증가하고, 동물 배설물로 인한 인 오염이 줄어듭니다 link.springer.com, abvista.com. 또한, 이러한 효소를 씨앗에 발현하는 형질전환 작물을 만들어 동물과 인간 모두에게 더 영양가 있는 작물을 개발하려는 노력도 있습니다 pmc.ncbi.nlm.nih.gov. 추가로, 해충이나 질병을 막는 식물의 천연 효소나 미생물 효소도 최적화할 수 있습니다. 연구자들은 곰팡이 독소나 곤충 외골격을 분해하는 효소를 친환경 농약으로 실험해왔으나, 이는 아직 개발 초기 단계입니다.

전분 가공

aiche.org

유제품

키모신

락타아제

제빵

양조 산업

식품 영양 개선: 효소는 바람직하지 않은 화합물을 분해하고 유익한 화합물을 생성할 수 있습니다. 예를 들어, 일부 채소에는 쓴맛을 내는 글루코시놀레이트가 있는데, 엔지니어링된 효소가 이러한 화합물을 변형시켜 쓴맛을 줄일 수 있습니다(이는 가상의 예이지만 실현 가능한 미래 응용입니다). 실제 예로는 인간 모유 올리고당(HMO)이 있습니다. 이는 모유에 들어 있는 복합 당으로, 영아의 장 건강에 이롭습니다. 화학적으로 합성하기 어렵지만, 효소 엔지니어들은 여러 효소를 이용한 경로를 개발하여 분유용 HMO를 생산하고 있습니다 aiche.org. 경로 내 각 효소를(더 높은 활성과 안정성을 위해) 최적화함으로써, 기업들은 이제 모유에서만 얻을 수 있었던 HMO를 제조할 수 있게 되어, 분유를 먹는 아기들에게도 영양학적 이점을 제공하고 있습니다 aiche.org.
식품 폐기물 감소 및 안전한 식품: 효소는 식품 보존에도 도움을 줍니다. 엔지니어링된 효소는 빵이 곰팡이에 덜 쉽게 오염되도록 하거나 과일 주스의 탁도를 방지하는 데 사용됩니다. 예를 들어, 주스의 펙틴 혼탁을 분해하는 효소는 차가운 주스 가공에서도 빠르게 작용할 수 있도록 더 견고하게 만들 수 있습니다. 커피를 더 안전하게 만들기 위해, 2024년 보고서에 언급된 바와 같이, 아크릴아마이드 분해 효소를 추가할 수 있습니다. 아크릴아마이드는 커피 원두를 볶을 때 생성되는 잠재적 발암물질로, 맛에는 영향을 주지 않습니다 khni.kerry.com. 이러한 효소를 식품 등급으로 효율적으로 엔지니어링함으로써, 식품에서 유해 물질을 제거할 수 있습니다. 유통기한 연장도 또 다른 분야입니다. 지방의 산패를 방지하거나 미생물 성장을 억제하는 효소가 맞춤화되어 식품을 더 오래 신선하게 유지시켜 폐기물을 줄이고 있습니다.
신규 식품 제품: 효소 공학은 새로운 성분을 만드는 것을 가능하게 합니다. 예를 들어, 식물성 식품 산업에서는 효소를 사용하여 고기 및 유제품 대체품을 개발합니다. 효소는 단백질의 질감을 개선할 수 있습니다(예: 식물성 버거에서처럼) 또는 천연 향미를 합성할 수 있습니다. 공학적으로 설계된 트랜스글루타미나제(“미트 글루” 효소)는 식물성 단백질을 결합하여 고기 섬유를 모방하는 데 사용됩니다. 정밀 발효 – 미생물을 이용해 식품 성분을 생산하는 기술 – 역시 최적화된 효소와 경로에 크게 의존합니다. 이제는 공학적으로 설계된 효소와 유전자 덕분에 효모 발효로 만들어진 우유 단백질(카제인, 유청)이 있으며, 이를 통해 소 없이도 진짜 치즈를 만들 수 있습니다. 이와 유사하게, 효소는 감미료 생산에도 사용됩니다(예: 나한과 감미료 또는 스테비아 RebM을 더 저렴하게 만드는 효소 공정) khni.kerry.com. 이러한 공정들 중 다수는 효소 공학이 생촉매를 상업적으로 충분히 효율적으로 만들기 전까지는 실현 불가능했습니다.

전반적으로, 효소 공학은 더 지속 가능한 식품 시스템 구축에 기여하고 있습니다. 농장에서 식탁까지 수확량을 높이고 농업에서의 화학물질 사용을 줄이며, 더 적은 폐기물로 더 깨끗한 식품 가공을 가능하게 하고, 심지어 새로운 식품까지 열어줍니다. 2024년 식품 과학 전망에 따르면, 지향적 효소 진화는 생산자들이 “더 건강하고, 더 맛있으며, 환경에 미치는 영향이 적은 제품”을 만들 수 있도록 개선된 기능을 제공하고 있습니다 khni.kerry.com. 효소는 우리가 거친 산업 공정을 부드러운 바이오 기반 공정으로 대체할 수 있게 해줍니다. Kerry의 Dr. Niall Higgins는 효소는 자연의 생촉매이며 우리는 이제 그 잠재력을 활용하기 시작했다 – AI와 바이오테크와 결합하면 “더 효율적이고 지속 가능한 식품 체인을 구축함으로써 식품 시스템을 긍정적으로 변화시킬 것”이라고 말했습니다. khni.kerry.com.

그리고 네, 이것은 여러분의 일상에도 영향을 미칩니다: 세탁실에 있는 효소 세제(얼룩을 분해하는 프로테아제)나 주방의 육류 연화제 가루(파파인 효소) 역시 효소 공학의 산물로, 일상적인 작업을 더 쉽게 만들어줍니다 labinsights.nl. 그러니 다음에 맥주, 치즈, 또는 맑은 과일 주스를 즐길 때, 공학적으로 설계된 효소가 한몫했을 가능성이 높다는 점을 기억하세요!

산업 바이오테크놀로지 및 환경 응용

음식과 제약을 넘어, 효소 공학은 산업 공정을 혁신하고 환경 문제에 대한 해결책을 제시하고 있습니다. 산업 생명공학은 효소를 사용하여 화학, 소재, 연료 제조에서 기존의 화학 촉매를 대체합니다. 환경 과학 분야에서는, 공학적으로 설계된 효소가 오염물 분해, 폐기물 재활용, 심지어 온실가스 포집까지 새로운 방법을 제공합니다.

효소 공정을 통한 더 깨끗한 산업

전통적인 산업 화학은 오염을 유발할 수 있습니다 – 독성 부산물을 만들고, 많은 에너지를 사용하며, 비재생 촉매(예: 중금속)에 의존합니다. 효소는 물에서 온화한 온도에서 작동하고 생분해성이기 때문에 더 깨끗한 대안을 제공합니다. 효소 공학은 효소를 산업 환경과 새로운 기질에 맞게 적응시키는 데 도움을 줍니다:

섬유 및 세제: 효소는 세탁 및 섬유 산업에 큰 도움이 되었습니다. 공학적으로 설계된 프로테아제와 아밀라아제는 세탁 세제에서 얼룩 속 단백질과 전분을 분해하여, 낮은 세탁 온도와 다양한 pH 조건에서도 작동합니다. 기업들은 이러한 효소가 분말 세제와 표백제가 있는 환경에서도 안정적으로 작동하도록 개선했습니다. 그 결과: 찬물로도 옷을 세탁하고, 힘든 얼룩도 제거할 수 있어 에너지와 물을 절약할 수 있습니다. 섬유 산업에서는 효소가 청바지 “스톤워싱”(셀룰라아제 효소를 사용해 데님에 바랜 효과를 주는 것)과 바이오 폴리싱(보풀 방지) 등에서 강한 화학약품을 대체합니다. 이 효소들은 섬유 가공 환경(예: 강한 기계적 마찰, 특정 pH)에서도 견딜 수 있도록 공학적으로 설계되었습니다. 효소의 경공업 적용 – 가죽 탈모, 펄프 및 종이 표백, 농업 폐기물로부터의 바이오연료 생산 등 – 은 공학적으로 설계된 효소 덕분에 크게 확대되었습니다 labinsights.nl.
바이오연료 및 에너지: 효소는 바이오매스(농작물 잔재, 목재, 조류 등)를 바이오연료로 전환하는 데 핵심적입니다. 셀룰라아제는 셀룰로오스를 당으로 분해하여 셀룰로오스 에탄올(재생 가능 연료) 생산에 필수적입니다. 자연 상태의 셀룰라아제는 효율이 충분하지 않거나 50 °C 이상에서 분해되었습니다. 공학적 설계를 통해, 우리는 이제 고온과 산성 전처리 조건을 견디는 셀룰라아제 혼합물을 갖게 되었고, 바이오매스에서 당 수율을 두 배로 높였습니다. 이는 바이오연료 생산을 더욱 실현 가능하게 만듭니다. 한 연구에서는, 과학자들이 목재 분해 효소의 안정성을 높여 식물성 물질의 전처리 과정에서도 효소가 살아남아 계속 작동하도록 하여 비용을 크게 줄였습니다. 또한 바이오디젤 생산(식물성 기름을 바이오디젤로 전환하는 리파아제)용 효소 개발도 진행 중이며, 이 과정이 더 깨끗하고 효소를 재사용할 수 있도록 하고 있습니다. labinsights 요약에 따르면, 효소를 사용해 식물성 재료로부터 수소, 메탄, 에탄올, 메탄올 등 연료를 생산하는 것은 “사람들이 탐구 중인 새로운 방법”이라고 합니다 labinsights.nl. 공학적으로 설계된 극한미생물 효소(고온 미생물에서 유래)는 산업용 바이오연료 반응기가 종종 고온에서 작동하기 때문에 특히 가치가 있습니다.
화학 합성(“그린 케미스트리”): 시타글립틴 예시에서 본 것처럼, 효소는 금속 촉매를 대체할 수 있습니다. 많은 정밀 화학물질과 플라스틱 전구체도 효소가 충분히 우수하다면 생촉매를 통해 생산할 수 있습니다. 효소 공학을 통해 에스터레이스와 리파아제가 개발되어(부식성 산 촉매를 대체하여) 화장품 및 식품 향미 에스터를 만들고, 트랜스아미나제와 케토환원효소는 제약 분야에서 키랄 화학 합성(고순도의 단일 방향성 분자 생성)에 사용되며, 심지어 니트릴레이스는 위험한 산 없이 유기산을 생산하는 데 사용됩니다. 미국화학회의 한 리뷰에서는, 이제는 생물학적으로 불가능하다고 여겨졌던 화학 반응도 엔지니어링된 효소가 수행할 수 있게 되어, 기존에 여러 단계가 필요했던 화합물을 단일 단계로 합성할 수 있게 되었음을 강조했습니다 aiche.or g. 이러한 추세는 제조 공정을 더 친환경적으로 만들 뿐만 아니라, 정제 과정이 줄고 상온에서 반응이 진행되어 비용도 절감되는 효과가 있습니다.

환경 솔루션을 위한 효소 공학

아마도 가장 고무적인 점은 효소 공학이 오염을 줄이고 환경을 돕는 데 적용되고 있다는 것입니다:

플라스틱을 먹는 효소들: 2016년, 일본 과학자들은 PET 플라스틱(생수병에 흔히 쓰임)을 먹도록 진화한 박테리아(Ideonella sakaiensis)를 발견했다 theguardian.com. 이 박테리아는 PETase라는 효소를 만들어 PET를 그 구성 단위로 분해할 수 있다. 하지만 자연 상태의 효소는 느렸고, 작은 플라스틱 조각을 분해하는 데 몇 주가 걸렸다 theguardian.com. 여기서 효소 엔지니어들이 등장한다: 전 세계 여러 연구팀이 PETase를 변이시키고 진화시켜 더 빠르고 안정적으로 만들기 시작했다. 2020년까지 한 연구팀이 약 6배 더 빠른 변이체를 만들어냈다. 그리고 2022년, 텍사스 오스틴 대학교에서 PETase 변이체 FAST-PETase를 개발하는 돌파구가 마련되었고, 이 효소는 플라스틱 폐기물을 단 24시간 만에 온화한 조건에서 분해할 수 있었다 news.utexas.edu. 이 효소는 기계학습 알고리즘(유익한 돌연변이를 찾기 위해)을 사용해 설계되었고, 이후 실험실에서 테스트 및 개선되었다 news.utexas.edu. 프로젝트 책임자인 Hal Alper는 “산업 전반에 걸쳐 이를 활용할 수 있는 가능성은 무한하다… 이러한 더 지속가능한 효소 접근법을 통해 우리는 진정한 순환 플라스틱 경제를 상상할 수 있게 된다.”라고 말했다 news.utexas.edu. 즉, 효소를 이용하면 플라스틱을 원료로 분해하고 다시 합성함으로써 매립하거나 소각하는 대신 무한히 재활용할 수 있다. 이는 플라스틱 오염 문제에 있어 게임 체인저다. 또 다른 연구자인 Andy Pickford는 원래의 PETase 효소에 대해 이렇게 언급했다: “Ideonella 효소는 실제로 진화의 매우 초기 단계에 있다… 나머지 길을 완성하는 것이 인간 과학자들의 목표다.” theguardian.com 우리는 바로 그 현장을 목격하고 있다 – 인간이 이끄는 진화가 느린 플라스틱 갉아먹기를 왕성한 플라스틱 재활용자로 바꾸고 있다. (2023년 Forbes 보도에 따르면 Protein Evolution과 같은) 기업과 스타트업들은 이제 AI와 유도 진화를 활용해 다양한 플라스틱과 고분자를 분해하는 효소를 만들어 매립지와 해양 폐기물 문제를 해결하려 하고 있다 pmc.ncbi.nlm.nih.gov.
환경 정화: 플라스틱을 넘어서, 공학적으로 설계된 효소는 다른 오염물질도 분해할 수 있습니다. 예를 들어, 라카아제와 페록시다제(곰팡이와 박테리아에서 유래)는 섬유 폐수의 유독성 염료와 일부 농약까지 분해할 수 있습니다. 이러한 효소들은 오염물질이 존재하는 환경에서도 더 안정적이고, 산업 폐수의 높은 pH 수준에서도 작동할 수 있도록 개량되었습니다 phys.org. 또 다른 목표는 기름 유출입니다. 과학자들은 기름 속 탄화수소를 분해하는 알케인 하이드록실라제와 같은 효소를 개선하여 유출된 기름의 생물학적 정화에 도움을 주고 있습니다. PFAS(‘영원한 화학물질’)와 같이 매우 안정적인 화학 오염물질을 분해할 수 있는 효소 개발 연구도 진행 중입니다. 이는 유사한 결합을 공격하는 자연 효소를 공학적으로 개량하는 방식입니다. 도전적이지만, 일부 연구실에서는 특정 PFAS 화합물을 천천히 분해하는 효소를 공학적으로 개발하는 데 초기 성공을 보고했습니다(2025년 기준 최전선 분야).
탄소 포집과 기후: 효소는 기후 변화 대응에도 도움을 줄 수 있습니다. 한 가지 아이디어는 탄소 고정 효소(루비스코 또는 카보닉 안하이드레이스 등)를 이용해 CO₂를 더 효율적으로 포집하는 것입니다. 식물의 자연 루비스코는 속도가 느리기 때문에, 과학자들은 이를 개량하거나 박테리아의 더 효율적인 버전을 작물에 이식하려고 시도해왔습니다. 진전은 크지 않지만, CO₂ 고정의 효율이 조금만 높아져도 작물 수확량이나 바이오연료 생산이 개선될 수 있습니다. CO₂를 중탄산염으로 전환하는 카보닉 안하이드레이스는 산업용 탄소 포집 솔루션에서 작동하도록 개량되어, 발전소 배기가스에서 CO₂를 포집하는 데 도움을 줍니다. 2023년 리뷰에서는 탄소 포집 및 활용 개선을 위한 공학적 효소 사용이 지속가능성의 핵심 분야임을 강조했습니다 pmc.ncbi.nlm.nih.gov, longdom.org. 효소만으로 기후 변화를 해결할 수는 없지만, 탄소 관리와 CO₂를 화학물질로 재활용해 탄소 중립 연료를 만드는 데 중요한 도구입니다.
폐수 처리: 효소는 유기물과 독성 물질을 분해하여 하수 및 폐수 처리를 위해 사용됩니다. 예를 들어, 유기인 가수분해효소는 수중의 신경가스 및 농약을 분해하도록 개량되었습니다. 니트릴라제와 탈수소효소는 산업용 용제를 해독할 수 있습니다. 이러한 효소의 활성과 범위를 개선함으로써, 폐수 처리장은 방류 전 유해 화학물질을 더 효과적으로 중화할 수 있습니다. 한 사례에서는 연구진이 흔한 지하수 오염물질(1,2-디클로로에탄)을 분해하는 효소를 개발해 더 빠른 정화를 달성했습니다. 효소는 현장에서 효소 자체나 이를 생산하는 미생물을 투입하는 방식으로 생물학적 정화 접근법을 제공합니다.

산업 촉매에서 환경 정화에 이르기까지, 효소 공학은 더 깨끗하고, 더 안전하며, 종종 더 저렴한 솔루션을 제공합니다. 이는 지속 가능성의 원칙과 일치합니다. 즉, 가혹한 화학 물질을 대체하기 위해 재생 가능한 생물학적 촉매를 사용하는 것입니다. Royal Swedish Academy의 표현에 따르면, 2018년 노벨상 수상자들은 지향적 진화가 “인류의 화학적 문제를 해결하는 단백질”을 어떻게 만들어낼 수 있는지 보여주었습니다businessinsider.com. 우리는 다음과 같은 사례에서 이를 실제로 볼 수 있습니다. “화학적 문제”가 오염을 유발하는 공정이든, 독성 오염 물질이든, 엔지니어링된 효소가 문제 해결사로 나서고 있습니다.

강력한 최근 사례로, Andrew Ellington(FAST-PETase 연구에 참여한 생화학자)이 한 말을 들어보십시오: “이 연구는 합성 생물학부터 화학 공학, 인공지능에 이르기까지 다양한 분야가 모였을 때의 힘을 정말 잘 보여줍니다.” news.utexas.edu 효소 공학은 진정으로 여러 학문이 만나는 교차점에 있으며, 플라스틱 분해 효소와 같은 성공 사례는 그 협력의 힘을 입증합니다.

최근의 돌파구(2024–2025)와 미래 전망

2024–2025년 현재, 효소 공학은 새로운 기술 덕분에 눈부신 속도로 발전하고 있습니다. 다음은 지난 1~2년간의 주요 트렌드와 돌파구로, 이 분야가 어디로 향하고 있는지 보여줍니다:

AI가 설계한 효소들: 2023년 초, 연구자들이 완전히 AI 설계로 만들어진 최초의 효소가 천연 효소만큼 잘 작동한다는 사실을 보고하면서 중요한 이정표가 세워졌습니다 newsroom.uw.edu. 과학자들은 단백질 서열 데이터베이스를 딥러닝 모델로 학습시켜, 특정 분자에 결합하도록 맞춤화된 새로운 효소 구조를 생성할 수 있게 되었습니다. 네이처(Nature) 논문 “딥러닝을 이용한 루시퍼레이스의 데노보 설계”에서는 선택한 화학 기질에 대해 빛을 내는 효소(루시퍼레이스)를 실제로 만들어 보였습니다 newsroom.uw.edu. 이 AI 설계 효소들은 실험실에서 약간의 개선을 거친 후 실제로 일부 천연 효소보다 더 효율적이었습니다 newsroom.uw.edu. 이 돌파구는 가까운 미래에, 만약 특정 화학 반응이 필요하다면 AI에게 그 반응에 맞는 효소를 “상상해 달라”고 요청할 수 있음을 시사합니다. 데이비드 베이커 박사는 이것이 “생명공학, 의학, 환경 복원, 제조업” 등 거의 모든 반응에 맞는 맞춤형 효소를 가능하게 할 수 있다고 언급했습니다 newsroom.uw.edu. 현재 Catalyze, ProteinQure와 같은 여러 스타트업들이 이 분야에 진출하여 알고리즘을 이용해 효소 개발 주기를 단축하는 것을 목표로 하고 있습니다.
지속적 진화 시스템: 기존의 지향적 진화(directed evolution)는 단계별로 진행되며 많은 노동력이 필요합니다 – 변이, 발현, 선별, 반복. 새로운 방법들은 이를 자동화하고 있는데, 예를 들어 지속적 지향 진화 시스템에서는 박테리아나 파지가 복제되는 동안 실시간으로 표적 유전자를 변이시킵니다. 2024년에는 연구자들이 MutaT7 등과 같은 개선된 시스템을 도입하여 효소를 살아있는 세포 내에서 지속적으로 진화시킬 수 있게 되었고, 이로 인해 과정이 획기적으로 빨라졌습니다 biorxiv.org s, ciencedirect.com. 한 방법은 효소의 활성을 세포 성장과 연계하여, 더 나은 효소를 가진 세포만이 살아남아 증식하도록 했습니다. 이 우아한 선택 방식은 수많은 세대를 거치며 단 며칠 만에 고도로 최적화된 효소를 만들어냈습니다 journals.asm.org. 자동화와 마이크로플루이딕스(microfluidics) 기술도 인간의 개입을 최소화한 지향적 진화를 가능하게 하여, 미래에는 효소 최적화가 대부분 로봇화된 파이프라인이 될 수 있습니다.
하이브리드 접근법(머신러닝 + 진화): 과학자들은 AI와 실험실 진화(laboratory evolution)를 루프 형태로 결합하고 있습니다. 2022년 한 보고서에서는 머신러닝 모델이 어떤 돌연변이를 만들지 안내(각 라운드의 데이터를 학습)했고, 이 유도 진화(directed evolution)는 더 적은 라운드로 더 나은 효소를 얻는 데 성공했습니다 molecularbiosci.utexas.edu. 이러한 “액티브 러닝(active learning)” 접근법이 점점 인기를 얻고 있습니다. 본질적으로 알고리즘이 유망한 돌연변이를 예측하고, 이를 실험해 데이터를 다시 입력하면 모델이 예측을 업데이트합니다. 이 방식은 라이브러리 크기를 줄이고 유익한 변화에 집중할 수 있게 해줍니다. 효소 데이터셋이 커질수록 모델도 더 똑똑해집니다. 2025년 이후에는 대부분의 유도 진화 캠페인에서 어느 정도 AI를 활용해 탐색 효율을 높일 것으로 기대됩니다.
효소 도구상자 확장: 극한 환경(온천, 심해 열수구, 극지방 얼음)에서 발견된 새로운 효소들이 흥미로운 기능을 보여주고 있습니다(이른바 익스트리모자임(extremozymes)). 2024년에는 한 연구팀이 심해 미생물에서 유래한 효소를 공업적 촉매 반응에 맞게 5 °C에서 작동하도록 개량해, 에너지 절약형 공정(반응기 가열 불필요)의 가능성을 열었습니다 pmc.ncbi.nlm.nih.gov. 또한 인공 효소(단백질이 아닌 DNA 효소나 펩타이드 촉매 등)에도 관심이 쏠리고 있습니다. 하지만 진화의 이점을 가진 단백질 효소가 여전히 주력입니다.
의료 과제 해결: 효소 공학은 의료 혁신의 최전선에 있습니다. 최근(2025년)에는 혈뇌장벽을 통과해 뇌 내 독성 대사산물을 분해하는 효소가 개발되어, 희귀 신경질환 치료 가능성을 제시했습니다(이는 현재 활발히 연구 중인 가상의 예시입니다). 또한 2024년 말에는 매우 낮은 오프타깃(off-target) 활성만을 보이는 고도로 진화된 CRISPR-Cas 효소 변이체가 보고되어, 유전자 편집의 정밀도가 크게 향상되었습니다. 이 변이체는 유도 진화로 얻어진 것으로, CRISPR 치료의 안전성을 높일 수 있습니다.
규제 및 대중 수용: 큰 힘에는 책임이 따르며, 전망을 논할 때 규제와 대중 인식도 빼놓을 수 없습니다. 식품이나 환경에 사용되는 개량 효소는 안전성 평가를 거칩니다. EU와 미국의 규제 당국은 효소 제품이 대체로 더 강한 화학물질을 대체하기 때문에 대체로 우호적입니다. 다만, GMO 미생물이 생산한 효소는 일부 지역에서 표시 의무가 있습니다. 이점(예: 오염 감소, 영양 개선)이 명확할 때 대중 수용도 높지만, 투명성이 핵심입니다. 전문가들은 “규제 환경에 대한 우려 증가”를 예측하고 있으며, 개량 미생물 유래 제품이 식품 및 농업에 더 많이 도입될수록 이러한 경향이 커질 것으로 봅니다 khni.kerry.com. 효소 기술의 안전성과 이점을 알리는 일은 앞으로도 계속될 과제입니다.

결론적으로, 효소 공학은 기술 발전의 물결을 타고 있으며, 앞으로 몇 년 안에 더 빠르고 더 급진적인 발전이 일어날 것으로 보입니다. 2023년의 한 헤드라인이 말하듯, “과학자들이 AI를 이용해 인공 효소를 상상하고 있다” singularityhub.com – 그리고 그 상상은 실험실에서 현실이 되고 있습니다. 이곳에서 생물학과 기술의 시너지는 매우 깊습니다. 진화(자연의 설계 알고리즘)는 이제 인간의 설계 알고리즘으로 보완되고 있습니다.

마무리 생각

효소 공학은 대중적으로 유전자 편집이나 AI만큼 유명하지 않을 수 있지만, 그 영향력은 아마도 그만큼이나 광범위합니다. 자연의 촉매를 활용하고 강화함으로써, 우리는 우리가 먹는 약, 음식, 입는 옷, 그리고 우리가 사는 환경 등 일상생활의 모든 측면에 영향을 미치는 산업을 재편하고 있습니다. 그리고 이러한 과정은 종종 더 깨끗하고 지속 가능하게 만듭니다.

노벨상 수상자인 프랜시스 아놀드의 말을 다시 인용하자면: “진화에 의한 혁신: 새로운 화학을 삶에 불어넣다.” aiche.org 효소 공학은 이 문구를 구현합니다. 진화에서 영감을 받은 혁신을 통해 새로운 화학을 만들어냅니다 – 그것이 생명을 구하는 약이든, 플라스틱을 분해하는 효소이든 말이죠. 이 분야는 풍부한 혁신의 역사를 가지고 있으며, 지금 그 어느 때보다 혁신이 활발하게 일어나고 있습니다. 2025년 현재, 우리는 생물학을 이용해 문제를 해결하는 방식의 변혁을 목격하고 있습니다. 효소 공학자들은 본질적으로 더 똑똑하고, 더 친환경적이며, 생명 그 자체와 더 조화로운 해결책을 만들어내고 있습니다. 그리고 이 효소 혁명은 이제 막 시작되었습니다.

효소 공학의 간략한 역사

효소는 수천 년 동안 인간에 의해 사용되어 왔습니다 (비록 무의식적으로라도) – 고대의 양조, 치즈 제조, 빵 발효 등을 생각해보면, 미생물의 자연 효소가 그 역할을 했습니다. 하지만 효소를 과학적으로 이해하기 시작한 것은 19세기 소화와 발효 화학 연구에서 비롯되었습니다 pmc.ncbi.nlm.nih.gov. 20세기 중반까지 과학자들은 효소가 단백질임을 밝혀내고, 그 기본 구조와 반응 촉매 작용 방식을 해독했습니다. 이것이 효소 공학의 이론적 토대를 마련했습니다 pmc.ncbi.nlm.nih.gov: 효소의 구조를 이해한다면, 우리의 필요에 맞게 바꿀 수 있을까?

이 분야는 20세기 후반 분자생물학의 돌파구 덕분에 본격적으로 발전하기 시작했습니다. 1970~80년대 두 번의 노벨상 수상 업적이 그 기반을 마련했습니다:

재조합 DNA 기술(유전공학): DNA를 자르고, 연결하고, 복제하는 도구들(폴 버그, 허버트 보이어, 스탠리 코헨 등이 개척)은 과학자들이 효소의 유전자를 분리하고 수정할 수 있게 해주었습니다. 1980년대에 이르러 재조합 효소를 생산하는 것이 가능해졌습니다 – 예를 들어, 인간 인슐린이나 산업용 효소를 박테리아나 효모에서 생산함으로써, 효소를 실험과 사용에 훨씬 더 널리 이용할 수 있게 되었습니다.
표적 돌연변이 유발법(Site-Directed Mutagenesis): 1970년대 마이클 스미스가 발명한 이 방법은 DNA의 단일 염기를 의도적으로 바꿀 수 있게 해주었습니다 nobelprize.org. 이 공로로 마이클 스미스는 1993년 노벨 화학상을 공동 수상했습니다. 생화학자들은 이제 효소에 특정한 돌연변이를 만들어 그 효과를 관찰할 수 있게 되었고, 효소의 구조-기능 관계에 대한 이해가 크게 향상되었습니다. 1993년 노벨상 보도자료는 “스미스의 방법으로 유전 암호를 재프로그래밍하고… 단백질 내 특정 아미노산을 교체할 수 있다. …새로운 특성을 가진 단백질을 만드는 가능성이 근본적으로 바뀌었다.”고 언급했습니다. nobelprize.org 이것이 의도적인 단백질 설계의 시작이었습니다. 초기 성공 사례로는 효소를 더 높은 온도에서 견디도록 조정하거나 항체(결합 단백질)를 종양을 표적으로 하도록 설계하는 것 nobelprize.org – 의학과 산업을 위한 맞춤형 단백질의 원시적 형태가 있었습니다.

하지만 당시의 합리적 설계는 우리의 불완전한 지식에 의해 한계가 있었습니다. 1980년대에 많은 과학자들이 “진화를 단축”하기 위해 효소 구조를 분석하고 유익한 돌연변이를 예측하려 했지만, 종종 좌절을 겪었습니다 aiche.org. 효소는 매우 복잡한 것으로 드러났고, 한 부분을 바꾸면 전체에 예측할 수 없는 영향을 주는 경우가 많았습니다. 한 리뷰에서는 “효소는 그렇게 쉽게 이해할 수 있는 것이 아니다” – 활성 부위 주변의 “폴리펩타이드 사슬의 대부분”도 기능에 중요하다고 언급했습니다 aiche.org. 1980년대 후반까지 순수하게 합리적인 효소 조작으로는 오직 미미한 성과만이 있었습니다.

획기적인 돌파구는 1990년대 초에 지향성 진화와 함께 찾아왔다. 1993년, Frances H. Arnold는 실패한 합리적 설계에 좌절한 끝에, 무작위 돌연변이와 스크리닝을 통해 더 나은 효소를 진화시키는 첫 번째 시연을 발표했다. 1990년대와 2000년대 내내, 오류-유발 PCR(무작위 돌연변이를 쉽게 도입하기 위해)과 DNA 셔플링(유익한 돌연변이를 섞기 위해 유전자 조각을 재조합하는 방법) sigmaaldrich.com과 같은 발명품의 도움으로 지향성 진화 기술이 번성했다. 연구자들은 또한 고처리량 스크리닝 방법과 영리한 선택법을 개발하여 원하는 특성을 가진 효소 라이브러리를 선별했다. 지향성 진화는 효소의 활성, 특이성, 안정성 등 무엇이든 최적화하는 데 엄청난 힘을 발휘했다. 이 방법은 상세한 사전 지식이 필요하지 않았다 – 다양성을 생성하고 우승자를 찾을 수 있는 좋은 시스템만 있으면 됐다. 이후 20년 동안 이 접근법은 학계와 산업계 모두에서 효소 공학에 혁명을 일으켰다. 효소들은 새로운 반응(자연계에 알려지지 않은 반응까지도)을 수행하도록, 비자연적 환경(예: 독성 용매나 극한 pH)에서 작동하도록, 그리고 산업 공정을 개선하도록 진화되었다. “진화는 돌연변이와 선택의 단순하면서도 매우 강력한 알고리즘이다,”라고 한 기사에서 언급했듯이, 이제 엔지니어들은 그 알고리즘을 마음대로 적용할 수 있게 되었다 aiche.org. 우리가 원하는 것을 위해 선택을 가함으로써, 본질적으로 자연이 우리를 위해 해답을 발명하도록 유도하는 것이다.

실제 세계에서의 획기적인 성과로는 머크가 약물 합성을 위해 진화된 효소를 개발한 것(2007~2010년경)이 있다. 머크는 바이오테크 기업 코덱시스와 협력하여, 당뇨병 치료제 시타글립틴 제조를 위해 효소를 지향적 진화(directed evolution)로 개선했다. 최종 효소(여러 차례의 진화 과정을 거친 후)는 주요 화학 반응 단계를 99.95%의 선택성과 높은 수율로 수행하여, 중금속 촉매를 대체하고 여러 단계를 생략했다 aiche.org. 이 효소 공정은 전체 수율을 13% 높이고, 화학 폐기물을 19% 줄였으며, 고압 수소 가스와 유독성 금속의 필요성을 없앴다 aiche.org. 이것은 이정표로, 엔지니어링된 효소가 제약 생산을 더 친환경적이고 효율적으로 만들 수 있음을 보여주었으며, 이로 인해 아놀드와 동료들은 2010년 그린 케미스트리 상을 수상했다. 2018년 기준, 지향적 진화의 영향은 매우 커서 프랜시스 아놀드, 그레고리 윈터, 조지 스미스가 노벨 화학상을 수상했다. 윈터와 스미스는 파지 디스플레이(phage display)를 이용해 항체와 같은 단백질을 진화시키는 방법을 개발했고, 아놀드는 효소 분야에서 기여했다. 이들은 “진화의 힘을 활용”하여 신약, 바이오연료, 촉매와 같은 발명을 이끌어낼 수 있음을 입증했다businessinsider.com.

21세기로 접어들면서, 효소 공학은 더욱 가속화되었습니다. 2010년대 후반과 2020년대 초반에는 계산 기반 단백질 설계가 진전을 이루었고(로제타(Rosetta)와 같은 소프트웨어를 사용해 특정 반응에 맞는 효소를 설계), 단백질 공학에서의 AI의 부상이 있었습니다. 방대한 단백질 데이터베이스와 머신러닝을 통해 과학자들은 효소 구조를 예측할 수 있게 되었고(알파폴드(AlphaFold)와 같은 혁신 덕분), 원하는 기능을 가진 새로운 효소 서열을 생성할 수도 있게 되었습니다 newsroom.uw.edu. 2022~2023년에는 연구자들이 딥러닝을 이용해 완전히 새로운 효소를 처음부터 만들어내는 데 성공했다고 보고했습니다(위에서 언급한 새로운 루시퍼레이스 효소 등) newsroom.uw.edu. 한편, 지속적 유도 진화 및 자동화된 고처리량 스크리닝과 같은 방법들이 진화 과정을 더 빠르고 자동화되게 만들고 있습니다 biorxiv.org, sciencedirect.com. 오늘날의 효소 공학은 생물학, 공학, 데이터 과학이 어우러진 풍부한 융합 분야로, 수십 년 전의 시행착오 방식과는 전혀 다릅니다. 2024년 한 업계 보고서에 따르면, 우리는 효소 활용에 있어 “빙산의 일각”만을 겨우 도달한 상태이며, 가능한 효소 중 극히 일부만이 탐구되었기 때문에 잠재력은 막대하다고 합니다 khni.kerry.com.

효소 공학의 주요 기법

효소 공학자들은 개선된 효소를 만들기 위한 다양한 방법을 도구로 가지고 있습니다. 여기 주요 기법들과 그 작동 원리를 소개합니다:

부위 특이적 돌연변이 유도법(Site-Directed Mutagenesis): 효소 내 특정 아미노산을 정밀하게 바꾸는 방법입니다. 과학자들은 원하는 돌연변이가 포함된 짧은 DNA 프라이머를 설계해 유전자를 복제할 때 변이를 도입합니다. 이는 설계도에서 한 글자를 수정하는 것과 비슷합니다. 이 방법은 가설을 검증하거나(예: “이 글리신을 알라닌으로 바꾸면 효소가 더 안정적일까?”) 효소 활성 부위를 미세 조정하는 데 유용합니다. 부위 특이적 돌연변이 유도법은 최초의 단백질 공학 기법이었으며, 여전히 널리 사용되고 있습니다 nobelprize.org. 단점은 변이를 직접 선택해야 하므로, 성공 여부가 얼마나 잘 예측하느냐에 달려 있다는 점입니다.
지향적 진화(Directed Evolution): 앞서 설명한 강력한 방법입니다. 하나의 표적 변이 대신, 많은 무작위 돌연변이를 생성하고 더 나은 효소를 선별합니다. 주요 단계로는 변이 라이브러리(오류 유발 PCR, 관련 유전자들의 DNA 셔플링, 기타 돌연변이 유도 기법 sigmaaldrich.com) 생성과, 향상된 변이를 찾기 위한 선별 또는 선택 시스템이 있습니다. 예를 들어, 더 빠른 효소를 원한다면 기질의 색이 더 빨리 변하는 콜로니를 선별하거나, 고온에서 작동하는 효소를 원한다면 가열 후 살아남은 것들을 선별할 수 있습니다. 지향적 진화는 놀라운 개선을 이끌어낼 수 있습니다 – 효소의 활성이 100배 증가하거나, 끓는 물에서도 작동하도록 적응하는 등. 진화의 맹목적 탐색에 의해 안내되는 시행착오이지만, 매우 효과적입니다. 한 기사에서는 “지향적 진화는… 관심 유전자에 무작위 돌연변이를 생성하고… 엄격한 선별을 부과하여 최적화된 기능을 가진 단백질을 식별함으로써 자연 진화를 모방한다” sigmaaldrich.com라고 요약했습니다. 이 방법은 효소의 구조를 알 필요가 없다는 점이 큰 장점입니다.
고속(High-Throughput) 스크리닝 및 선택: 이들은 엄밀히 말해 엔지니어링 방법은 아니지만, 특히 지향적 진화에서 매우 중요한 요소입니다. 수천 개의 효소 변이를 빠르게 테스트하는 기술을 포함합니다. 예: 마이크로플레이트에서의 색 변화 측정(colorimetric assay), 효소가 활성인 세포를 분류하는 형광 활성 세포 분리(FACS), 단백질을 DNA와 연결해 선별하는 파지 디스플레이, 또는 특정 조건에서만 향상된 효소가 박테리아의 성장을 가능하게 하는 성장 보완법 등이 있습니다 sigmaaldrich.com. 스크리닝 방법이 좋을수록(“당신이 선별하는 것이 곧 당신이 얻게 되는 것이다” aiche.org), 원하는 효소 변이를 찾을 가능성이 높아집니다.
고정화 및 화학적 변형: 때로는 효소를 엔지니어링하는 것이 아미노산을 바꾸는 것만을 의미하지는 않습니다. 효소 고정화는 효소를 고체 지지체(비드나 수지 등)에 부착하는 기술로, 안정성을 높이고 산업용 반응기에서 재사용을 가능하게 합니다 labinsights.nl l. 이는 효소의 서열을 바꾸지 않지만, 효소가 더 실용적으로 되도록 하는 엔지니어링 접근법입니다(고정화되면 씻겨 나가지 않고, 종종 더 까다로운 조건도 잘 견딤). 폴리머(PEGylation) 부착이나 효소 분자 간 교차결합과 같은 화학적 변형도 안정성이나 약물 내 반감기 등 특성을 향상시킬 수 있습니다. 이러한 방법들은 1970년대부터 “2세대” 효소 기술로 불려왔으며 labinsights.nl, 유전적 변형을 보완합니다.
컴퓨터 기반(인 실리코) 설계: 최근 빠르게 성장하는 접근법은 컴퓨터 알고리즘을 이용해 새로운 효소를 설계하거나 기존 효소를 개선하는 것입니다. 효소 구조와 활성 부위의 물리적 특성을 시뮬레이션함으로써, 과학자들은 원하는 활성을 만들어낼 수 있는 돌연변이를 예측하려고 시도합니다. 2000년대 초반의 초기 시도들은 종종 기대에 못 미쳤지만, 이 분야는 발전해왔습니다. 오늘날에는 특정 반응(예: 2010년 유명 연구의 Diels-Alder 반응)에 맞는 효소를 설계하고, 그 설계대로 실험실에서 효소를 만들어 테스트할 수 있습니다. 특히, 머신러닝이 이제는 가능한 단백질 변이체의 방대한 “탐색 공간”을 탐색하는 데 도움을 줍니다. 2022년에는 MutCompute라는 머신러닝 모델이 플라스틱 분해 효소의 돌연변이 유도를 위해 개발되어, 그 성능을 극적으로 향상시켰습니다 molecularbiosci.utexas.edu. 그리고 앞서 언급했듯, 2023년에는 실제로 새로운 화학 반응을 수행하는 최초의 AI 설계 효소가 등장했습니다 newsroom.uw.edu. 컴퓨터 설계는 여전히 실제 진화/실험과 병행되는 경우가 많습니다 – AI가 후보를 제안하면, 실험실에서 테스트와 개선(심지어 진화) 과정을 거쳐 확정합니다. 그럼에도 불구하고, 추세는 빅데이터가 지원하는 “지능형” 효소 엔지니어링 쪽으로 가고 있습니다. 전문가들은 미래에는 컴퓨터가 “완벽한 효소”를 신뢰성 있게 설계하여, 대규모 스크리닝 라이브러리의 필요성을 줄일 수 있을 것으로 예측합니다aiche.org – 하지만 아직 그 단계에는 이르지 못했습니다.

이러한 기술들을 결합함으로써, 연구자들은 이제 효소를 예측 가능하고 반복적으로 최적화할 수 있게 되었습니다. 2021년의 한 리뷰에서는 “오늘날 효소 공학은 원하는 산물을 위해 촉매를 예측 가능하게 최적화할 수 있는 성숙한 분야… 산업용 효소 응용 범위를 확장하고 있다”고 결론지었습니다. aiche.org. 요약하자면, 과거에는 시행착오에 의존했던 실험이 점점 더 합리적이고 데이터 기반의 공학 분야로 변화하고 있습니다.

의학 및 제약 분야에서의 응용

효소 공학의 가장 흥미로운 영향 중 하나는 의학 및 신약 개발 분야입니다. 효소는 우리 몸과 많은 현대 의약품의 제조에 중요한 역할을 합니다. 효소를 공학적으로 설계함으로써, 과학자들은 새로운 치료법을 만들고 의약품 생산 방식을 개선하고 있습니다:

더 친환경적인 의약품 제조: 많은 의약품은 전통적으로 다단계 유기 합성(종종 독성 시약이나 고비용 조건 필요)을 필요로 하는 복잡한 유기 분자입니다. 공학적으로 설계된 효소는 이러한 변환을 더 깨끗하게 수행할 수 있습니다. 대표적인 예는 당뇨병 치료제 시타글립틴(Januvia)의 제조입니다: 머크는 생산 공정에서 화학 촉매를 대체하기 위해 효소를 지향적 진화로 최적화했습니다. 그 결과, 더 효율적인 반응과 더 높은 수율, 그리고 더 적은 유해 폐기물이 발생했습니다 aiche.org. 이 성공은 “효소 공학이 핵심”임을 보여주었으며, 진화된 효소를 사용함으로써 수율 13% 증가, 폐기물 19% 감소라는 성과를 달성했습니다 aiche.org. 이후로 많은 제약 회사들이 의약품 제조에 효소 촉매를 도입(예: 콜레스테롤 저하제 아토르바스타틴 등 제조)하여 환경 영향을 크게 줄이고 비용도 절감하고 있습니다.
효소 치료제: 일부 질병은 체내에 효소가 없거나 제대로 작동하지 않아 발생합니다(예: 특정 대사산물을 분해하는 효소가 결핍된 리소좀 저장 질환 등). 효소 공학은 효소 대체 치료제를 더 안전하고 효과적으로 설계할 수 있게 해줍니다. 기업들은 약물로 사용되는 효소를 변형(예: 효소에 PEG를 결합해 혈중 지속 시간을 늘리거나, 면역 반응을 줄이기 위해 아미노산을 변경)해왔습니다. 주목할 만한 사례로는 아스파라기나아제 효소가 있는데, 이는 백혈병 치료에 사용되어 암세포의 아스파라진을 고갈시킵니다. 연구자들은 부작용이 줄고 안정성이 향상된 아스파라기나아제 변형체를 개발하여 치료 효과를 높였습니다 pmc.ncbi.nlm.nih.gov. 이와 유사하게, 락타아제 효소도 공학적으로 설계되어 유당불내증 환자가 유제품을 소화할 수 있도록 보충제로 판매되고 있습니다.
바이오의약품 및 생물학적 제제: 고전적인 효소를 넘어서, 단백질 치료제(항체, 사이토카인 등)의 광범위한 분야 역시 단백질 공학 기술의 혜택을 받고 있습니다. 2018년 노벨상은 Sir Gregory Winter가 파지 디스플레이(phage display)를 이용해 항체를 진화시킨 업적을 기렸는데, 이는 본질적으로 효소/단백질 공학을 적용해 Humira와 같은 새로운 약물을 개발한 것입니다. Humira는 자가면역 질환 치료제로 세계에서 가장 많이 팔리는 약입니다 businessinsider.com. 이 연구는 효소 공학과 매우 밀접한 분야입니다. 실제로 노벨상 보도자료에서는 이러한 방법들이 “암을 공격하는 항체”와 같은 혁신적인 성과를 만들어냈다고 강조했습니다 nobelprize.org. 오늘날 연구실에서는 항체 약물의 결합력과 특이성을 향상시키기 위해 지향적 진화(directed evolution)나 합리적 설계(rational design)를 일상적으로 사용합니다.
진단 및 바이오센서: 엔지니어링된 효소는 의료 진단에서도 핵심적인 역할을 합니다. 예를 들어 당뇨병 환자를 위한 혈당 측정 스트립에는 글루코스 옥시다아제(glucose oxidase) 효소가 사용됩니다. 이러한 효소를 조정함으로써 과학자들은 진단 테스트의 민감도와 안정성을 향상시켰습니다. 효소는 ELISA 키트에서 항체와 결합하거나, 바이오센서에서 전극과 결합해 낮은 농도의 바이오마커를 감지할 수 있습니다. 예를 들어, 연구자들은 특정 대사산물이나 바이러스를 현장 진단(point-of-care) 테스트로 더 잘 감지할 수 있도록 효소를 엔지니어링했습니다 labinsights.nl. COVID-19 기간 동안 PCR 중합효소(polymerase)와 CRISPR 관련 효소와 같은 효소들이 바이러스 유전물질을 신속하게 검출하도록 최적화된 것을 볼 수 있었습니다. 이처럼 효소 공학은 더 빠르고 정확한 의료 검사에 기여하고 있습니다.
새로운 치료 전략: 일부 최첨단 치료법은 효소를 “약물”로 직접 사용해 새로운 일을 수행합니다. 한 예로, 투석기에서 박테리아 효소를 이용해 혈액에서 독소를 걸러내는 방법이 있습니다(과학자들은 신장 투석 중 요독성 독소를 분해하는 효소를 실험한 바 있습니다 labinsights.nl). 또 다른 예는 암 치료로, 효소를 이용해 항암제(화학요법 약물)를 종양 부위에서만 활성화시키는 방법입니다(효소가 무독성 전구약물을 암 조직 내에서 독성 약물로 전환시켜 건강한 세포는 보호함). 효소는 또한 종양 주위의 보호 매트릭스를 분해하거나, 종양에 영양분 공급을 차단하도록 설계되고 있습니다. 이 모든 것은 매우 표적화된 접근법으로 연구되고 있습니다.

요약하자면, 효소 공학은 의약품을 더 저렴하고 친환경적으로 생산할 수 있게 도우며, 새로운 치료법과 진단법을 가능하게 하고 있습니다. 한 전문가의 말처럼, “가능성은 무한하다” – 제약 분야의 폐기물 관리부터 체내 약물 전달까지 news.utexas.edu. 그리고 효소는 매우 특이적이기 때문에, 의약품에 사용하면 무딘 화학물질에 비해 부작용을 줄일 수 있습니다. 이는 보다 개인 맞춤형이고 지속 가능한 의료로 나아가는 중요한 단계입니다.

전문가 인사이트: 전체적인 관점에서, 노벨상 수상자인 Frances Arnold는 자연의 진화적 설계 과정을 모방하는 것이 새로운 의료 솔루션의 세계를 열었다고 언급했습니다. “생물학적 세계의 이 엄청난 아름다움과 복잡성은 하나의 단순하고 아름다운 설계 알고리즘을 통해 만들어집니다… 저는 그 알고리즘을 사용해 새로운 생물학적 것들을 만듭니다,”라고 Arnold는 말했습니다 businessinsider.com. 그 “새로운 생물학적 것들”에는 현재 생명을 구하고 있는 첨단 효소와 단백질이 포함됩니다.

농업 및 식품 분야의 응용

효소 공학은 우리가 식품을 재배하고, 생산하고, 심지어 먹는 방식까지 변화시키고 있습니다. 농업과 식품 산업에서 효소는 오랫동안 중요한 역할을 해왔습니다(치즈의 레닛, 빵 제조의 아밀라아제 등). 이제, 공학적으로 설계된 효소는 더 지속 가능하고, 효율적이며, 영양가 높은 식품 생산을 가능하게 하고 있습니다:

작물 성장 및 보호: 농부들과 농업기술 기업들은 토양과 식물 건강을 개선하기 위해 효소를 활용하고 있습니다. 예를 들어, 식물은 인이 필요하지만, 대부분의 인은 피틴산 형태로 토양에 고정되어 있어 동물이 소화할 수 없습니다. 피타아제는 피틴산에서 인을 방출하는 효소로, 과학자들은 동물 사료 펠릿에서 견딜 수 있도록 더 내열성이 높고 장내에서 활성이 높은 피타아제 효소를 개발했습니다. 이러한 공학적 효소를 가축 사료에 첨가하면 영양소 흡수가 크게 증가하고, 동물 배설물로 인한 인 오염이 줄어듭니다 link.springer.com, abvista.com. 또한, 이러한 효소를 씨앗에 발현하는 형질전환 작물을 만들어 동물과 인간 모두에게 더 영양가 있는 작물을 개발하려는 노력도 있습니다 pmc.ncbi.nlm.nih.gov. 추가로, 해충이나 질병을 방어하는 식물의 천연 효소나 미생물 효소도 최적화할 수 있습니다. 연구자들은 곰팡이 독소나 곤충 외골격을 분해하는 효소를 친환경 농약으로 실험해왔으나, 이는 아직 개발 초기 단계입니다.
식품 가공 및 품질: 이 분야는 이미 효소가 두각을 나타내는 곳입니다. 맥주 양조부터 고기 연화까지, 효소 공학은 이를 한층 강화합니다. 엔지니어링된 효소는 식품을 더 효율적으로 가공하고 품질을 향상시킵니다. 예를 들어, 전분 가공(고과당 옥수수 시럽과 같은 감미료 제조)에 사용되는 효소는 전통적으로 온도와 pH에 한계가 있었습니다. 이러한 효소(예: 전분을 분해하는 아밀라아제, 포도당을 과당으로 전환하는 포도당 이성화효소)를 엔지니어링함으로써, 기업들은 더 높은 온도와 최적의 pH에서 공정을 수행하여 불순물이 적고 더 달콤한 제품을 얻을 수 있게 되었습니다 aiche.org. 유제품에서는, 키모신(치즈 제조에 사용)이 재조합 DNA를 통해 생산된 최초의 단백질 중 하나였으며, 현재는 다양한 치즈 맛이나 채식 치즈 생산에 최적화된 버전이 있습니다. 락타아제 역시 차가운 온도에서도 빠르게 작용하여 무유당 우유를 더 효율적으로 만드는 데 엔지니어링되었습니다. 제빵에서는, 엔지니어링된 효소가 빵을 더 오래 부드럽게 유지(노화 방지 아밀라아제)하고 반죽 취급성을 개선합니다. 양조 산업에서는 특정 성분을 분해하여 수율을 높이고 저탄수화물 또는 글루텐 저감 맥주를 생산하기 위해 엔지니어링된 효소를 사용합니다.
식품 영양 개선: 효소는 바람직하지 않은 화합물을 분해하고 유익한 화합물을 생성할 수 있습니다. 예를 들어, 일부 채소에는 쓴맛을 내는 글루코시놀레이트가 있는데, 엔지니어링된 효소가 이러한 화합물을 변형시켜 쓴맛을 줄일 수 있습니다(이는 가상의 예이지만 실현 가능한 미래 응용입니다). 실제 예로는 인간 모유 올리고당(HMO)이 있습니다. 이는 모유에 들어 있는 복합 당으로, 영아의 장 건강에 이롭습니다. 화학적으로 합성하기 어렵지만, 효소 엔지니어들은 여러 효소를 이용한 경로를 개발하여 분유용 HMO를 생산하고 있습니다 aiche.org. 경로 내 각 효소를(더 높은 활성과 안정성을 위해) 최적화함으로써, 기업들은 이제 모유에서만 얻을 수 있었던 HMO를 제조할 수 있게 되어 분유를 먹는 아기들에게도 영양적 이점을 제공하고 있습니다 aiche.org.
식품 폐기물 감소 및 안전한 식품: 효소는 식품 보존에도 도움을 줍니다. 엔지니어링된 효소는 빵이 곰팡이에 덜 쉽게 오염되도록 하거나 과일 주스의 탁함을 방지하는 데 사용됩니다. 예를 들어, 주스의 펙틴 혼탁을 분해하는 효소는 차가운 주스 가공에서도 빠르게 작용할 수 있도록 더 견고하게 만들 수 있습니다. 커피를 더 안전하게 만들기 위해서는(2024년 보고서에 언급된 바와 같이) 아크릴아마이드 분해 효소를 추가할 수 있습니다. 아크릴아마이드는 커피 원두를 볶을 때 생성되는 잠재적 발암물질로, 맛에 영향을 주지 않으면서 제거할 수 있습니다 khni.kerry.com. 이러한 효소를 식품 등급으로 효율적으로 엔지니어링함으로써, 식품에서 유해 물질을 제거할 수 있습니다. 유통기한 연장 역시 중요한 분야로, 지방의 산패를 방지하거나 미생물 성장을 억제하는 효소가 맞춤화되어 식품을 더 오래 신선하게 유지시켜 폐기물을 줄이고 있습니다.
신규 식품 제품: 효소 공학은 새로운 성분을 만드는 것을 가능하게 합니다. 예를 들어, 식물성 식품 산업에서는 효소를 사용해 고기 및 유제품 대체품을 개발합니다. 효소는 단백질의 식감을 개선할 수 있으며(예: 식물성 버거에서처럼) 천연 향미를 합성할 수도 있습니다. 공학적으로 설계된 트랜스글루타미나제(“미트 글루” 효소)는 식물성 단백질을 결합해 고기 섬유를 모방하는 데 사용됩니다. 정밀 발효—미생물을 이용해 식품 성분을 생산하는 기술—는 최적화된 효소와 경로에 크게 의존합니다. 이제는 공학적으로 설계된 효소와 유전자 덕분에 효모 발효로 만들어진 우유 단백질(카제인, 유청)이 있으며, 이를 통해 소 없이도 진짜 치즈를 만들 수 있습니다. 이와 유사하게, 효소는 감미료 생산에도 사용됩니다(예: 나한과 감미료 또는 스테비아 RebM을 더 저렴하게 만드는 효소 공정) khni.kerry.com. 이러한 공정들 중 다수는 효소 공학이 생촉매를 상업적으로 충분히 효율적으로 만들기 전까지는 실현 불가능했습니다.

전반적으로, 효소 공학은 더 지속 가능한 식품 시스템 구축에 기여하고 있습니다. 농장에서 식탁까지 수확량을 높이고 농업에서의 화학물질 사용을 줄이며, 더 깨끗한 식품 가공과 폐기물 감소, 심지어 새로운 식품 개발까지 가능하게 합니다. 2024년 식품 과학 전망에서는 지향적 효소 진화가 “더 건강하고, 더 맛있으며, 환경에 미치는 영향이 적은 제품”을 생산할 수 있도록 개선된 기능을 제공하고 있다고 밝혔습니다 khni.kerry.com. 효소는 거친 산업 공정을 부드러운 바이오 기반 공정으로 대체할 수 있게 해줍니다. Kerry의 Dr. Niall Higgins는 효소는 자연의 생촉매이며 우리는 이제 그 잠재력을 활용하기 시작했다—AI와 바이오테크와 결합하면 “더 효율적이고 지속 가능한 식품 체인을 구축함으로써 식품 시스템에 긍정적인 변화를 가져올 것”이라고 말했습니다 khni.kerry.com.

그리고 이것은 여러분의 일상에도 영향을 미칩니다: 세탁실에 있는 효소 세제(얼룩을 분해하는 프로테아제)나 주방의 육류 연화제 분말(파파인 효소)도 효소 공학의 산물로, 일상적인 작업을 더 쉽게 만들어줍니다 labinsights.nl. 그러니 다음에 맥주, 치즈, 맑은 과일 주스를 즐길 때, 공학적으로 설계된 효소가 한몫했을 가능성이 높다는 점을 기억하세요!

산업 생명공학 및 환경 응용

음식과 제약을 넘어, 효소 공학은 산업 공정을 혁신하고 환경 문제에 대한 해결책을 제시하고 있습니다. 산업 바이오테크놀로지는 효소를 사용하여 화학, 소재, 연료 제조에서 기존의 화학 촉매를 대체합니다. 환경 과학 분야에서는, 공학적으로 설계된 효소가 오염물 분해, 폐기물 재활용, 심지어 온실가스 포집을 위한 새로운 방법을 제공합니다.

효소 공정을 통한 더 깨끗한 산업

섬유 및 세제: 효소는 세탁 및 섬유 산업에 큰 도움이 되었습니다. 공학적으로 설계된 프로테아제와 아밀라아제는 세탁 세제에서 얼룩의 단백질과 전분을 분해하며, 낮은 세탁 온도와 다양한 pH에서도 작동합니다. 기업들은 이러한 효소가 분말 세제와 표백제가 있는 환경에서도 안정적으로 작동하도록 개선했습니다. 그 결과: 찬물로도 옷을 세탁하고, 힘든 얼룩도 제거할 수 있어 에너지와 물을 절약할 수 있습니다. 섬유 산업에서는 효소가 청바지 “스톤워싱”(셀룰라아제 효소를 사용해 데님에 바랜 효과를 주는 것)과 바이오 폴리싱(보풀 방지)과 같은 공정에서 강한 화학약품을 대체합니다. 이 효소들은 섬유 가공 환경(예: 높은 기계적 마찰, 특정 pH)에 견딜 수 있도록 공학적으로 설계되었습니다. 효소의 경공업 적용 – 가죽 탈모, 펄프 및 종이 표백, 농업 폐기물로부터의 바이오연료 생산 등 – 은 공학적으로 설계된 효소 덕분에 크게 확대되었습니다 labinsights.nl.
바이오연료 및 에너지: 효소는 바이오매스(농작물 잔재, 목재, 조류 등)를 바이오연료로 전환하는 데 핵심적입니다. 셀룰라아제는 셀룰로오스를 당으로 분해하여 셀룰로오스 에탄올(재생 가능 연료) 생산에 필수적입니다. 자연 상태의 셀룰라아제는 효율이 충분하지 않거나 50 °C 이상에서 분해되었습니다. 공학적 설계를 통해, 우리는 이제 고온과 산성 전처리 조건을 견디는 셀룰라아제 혼합물을 갖게 되었고, 바이오매스에서 당 수율을 두 배로 높였습니다. 이는 바이오연료 생산을 더욱 실현 가능하게 만듭니다. 한 연구에서는, 과학자들이 목재 분해 효소의 안정성을 높여 식물성 물질의 전처리 과정에서도 효소가 살아남아 계속 작동하도록 하여 비용을 크게 절감했습니다. 바이오디젤 생산(식물성 기름을 바이오디젤로 전환하는 리파아제)용 효소 개발도 진행 중이며, 이 과정 역시 더 깨끗하고 효소를 재사용할 수 있도록 만듭니다. labinsights 요약에 따르면, 효소를 이용해 식물성 재료로부터 수소, 메탄, 에탄올, 메탄올 등 연료를 생산하는 것은 “사람들이 탐구 중인 새로운 방법”이라고 합니다 labinsights.nl. 공학적으로 설계된 극한미생물 효소(고온을 좋아하는 미생물에서 유래)는 산업용 바이오연료 반응기가 종종 고온에서 작동하기 때문에 특히 가치가 있습니다.
화학 합성(“그린 케미스트리”): 시타글립틴 예시에서 본 것처럼, 효소는 금속 촉매를 대체할 수 있습니다. 많은 정밀 화학물질과 플라스틱 전구체 또한 효소가 충분히 우수하다면 생촉매를 통해 생산될 수 있습니다. 효소 공학은 화장품 및 식품 향미 에스터 제조를 위한 에스터라아제와 리파아제(부식성 산 촉매를 대체), 제약 분야에서 키랄 화학 합성을 위한 트랜스아미나제와 케토환원효소(고순도의 단일 방향성 분자 생성), 심지어 유해한 산 없이 유기산을 생산하는 니트릴라아제까지 개발해냈습니다. 미국화학회의 한 리뷰에 따르면, 현재 엔지니어링된 효소들은 한때 생물학적으로 불가능하다고 여겨졌던 화학 반응까지 수행하며, 기존에 여러 단계가 필요했던 화합물을 단일 단계로 합성할 수 있게 해주고 있습니다 aiche.org. 이러한 추세는 제조 공정을 더 친환경적으로 만들 뿐만 아니라, 정제 과정이 줄고 상온에서 반응이 진행되어 비용도 절감시키고 있습니다.

환경 솔루션을 위한 효소 공학

아마도 가장 고무적인 점은 효소 공학이 오염을 줄이고 환경을 돕는 데 적용되고 있다는 것입니다:

플라스틱을 먹는 효소들: 2016년, 일본 과학자들은 PET 플라스틱(생수병에 흔히 쓰임)을 먹도록 진화한 박테리아(Ideonella sakaiensis)를 발견했다 theguardian.com. 이 박테리아는 PETase라는 효소를 만들어 PET를 그 구성 단위로 분해할 수 있다. 하지만 자연 상태의 효소는 느렸고, 작은 플라스틱 조각을 분해하는 데 몇 주가 걸렸다 theguardian.com. 여기서 효소 엔지니어들이 등장했다: 전 세계 여러 연구팀이 PETase를 변이시키고 진화시켜 더 빠르고 안정적으로 만들기 시작했다. 2020년까지 한 연구팀이 약 6배 더 빠른 변이체를 만들어냈다. 그리고 2022년, 텍사스 오스틴 대학교에서 PETase 변이체 FAST-PETase를 개발하는 돌파구가 마련되었고, 이 효소는 플라스틱 폐기물을 단 24시간 만에 중간 정도의 조건에서 분해할 수 있었다 news.utexas.edun. 이 효소는 기계학습 알고리즘(유익한 돌연변이를 찾기 위해)을 사용해 설계되었고, 이후 실험실에서 테스트 및 개선되었다 news.utexas.edu. 프로젝트 책임자인 Hal Alper는 “이것을 활용할 수 있는 산업 전반에 걸친 가능성은 무한하다… 이러한 더 지속 가능한 효소 접근법을 통해 우리는 진정한 순환 플라스틱 경제를 상상하기 시작할 수 있다.”라고 말했다 news.utexas.edu. 다시 말해, 효소를 이용하면 플라스틱을 원료로 분해하고 다시 합성함으로써, 매립하거나 소각하는 대신 무한히 재활용할 수 있다. 이는 플라스틱 오염 문제에 있어 게임 체인저다. 또 다른 연구자인 Andy Pickford는 원래의 PETase 효소에 대해 이렇게 언급했다: “Ideonella 효소는 실제로 진화의 매우 초기 단계에 있다… 나머지 길을 완성하는 것이 인간 과학자들의 목표다.” theguardian.com 우리는 바로 그 현장을 목격하고 있다 – 인간이 이끄는 진화가 느린 플라스틱 갉아먹는 박테리아를 왕성한 플라스틱 재활용자로 바꾸고 있다. 기업과 스타트업(2023년 Forbes 보도에 따르면 Protein Evolution 등)들은 이제 AI와 유도 진화를 활용해 다양한 플라스틱과 고분자를 분해하는 효소를 만들고 있으며, 이는 매립지와 해양 폐기물 문제를 해결할 잠재력을 지닌다 pmc.ncbi.nlm.nih.gov.
환경 정화: 플라스틱을 넘어서, 공학적으로 설계된 효소는 다른 오염물질도 분해할 수 있습니다. 예를 들어, 라카아제와 페록시다제(곰팡이와 박테리아에서 유래)는 섬유 폐수의 유독성 염료와 일부 농약까지도 분해할 수 있습니다. 이 효소들은 오염물질이 존재하는 환경에서도 더 안정적이고, 산업 폐수의 높은 pH 수준에서도 작동할 수 있도록 개량되었습니다 phys.org. 또 다른 목표는 기름 유출입니다. 과학자들은 기름 속 탄화수소를 분해하는 알케인 하이드록실라제와 같은 효소를 개선하여 유출 사고의 생물학적 복원에 도움을 주고 있습니다. PFAS(‘영원한 화학물질’)와 같이 매우 안정적인 화학 오염물질을 분해할 수 있는 효소 개발 연구도 진행 중입니다. 이는 유사한 결합을 공격하는 자연 효소를 공학적으로 개량하는 방식입니다. 도전적이지만, 일부 연구실에서는 특정 PFAS 화합물을 천천히 분해하는 효소를 공학적으로 개발하는 데 초기 성공을 보고했습니다(2025년 기준 최전선 분야).
탄소 포집과 기후: 효소는 기후 변화 대응에도 도움이 될 수 있습니다. 한 가지 아이디어는 탄소 고정 효소(루비스코 또는 카보닉 안하이드레이스 등)를 이용해 CO₂를 더 효율적으로 포집하는 것입니다. 식물의 자연 루비스코는 속도가 느리기 때문에, 과학자들은 이를 개량하거나 박테리아의 더 효율적인 버전을 작물에 이식하려고 시도해왔습니다. 진전은 미미하지만, CO₂ 고정 효율이 조금만 높아져도 작물 수확량이나 바이오연료 생산이 개선될 수 있습니다. CO₂를 중탄산염으로 전환하는 카보닉 안하이드레이스는 산업용 탄소 포집 솔루션에서 작동하도록 개량되어, 발전소 배기가스에서 CO₂를 포집하는 데 도움을 줍니다. 2023년 리뷰에서는 탄소 포집 및 활용 개선을 위한 공학적 효소 사용이 지속가능성의 핵심 분야임을 강조했습니다 pmc.ncbi.nlm.nih.gov, longdom.org. 효소만으로 기후 변화를 해결할 수는 없지만, 탄소 관리와 CO₂를 화학물질로 재활용해 탄소 중립 연료를 만드는 데 중요한 도구입니다.
폐수 처리: 효소는 유기물과 독성 물질을 분해하여 하수 및 폐수 처리를 위해 사용됩니다. 예를 들어, 유기인 가수분해효소는 수중 신경작용제와 농약을 분해하도록 개량되었습니다. 니트릴라제와 탈수소효소는 산업용 용제를 해독할 수 있습니다. 이러한 효소의 활성과 범위를 개선함으로써, 폐수 처리장은 유해 화학물질을 방류 전에 더 효과적으로 중화할 수 있습니다. 한 사례로, 연구진은 흔한 지하수 오염물질(1,2-디클로로에탄)을 분해하는 효소를 개발해 더 빠른 정화를 달성했습니다. 효소는 현장에서 효소 자체나 이를 생산하는 미생물을 투입하는 것만으로도 생물학적 복원 접근법을 제공할 수 있습니다.

산업 촉매에서 환경 정화에 이르기까지, 효소 공학은 더 깨끗하고, 더 안전하며, 종종 더 저렴한 해결책을 제공합니다. 이는 지속 가능성의 원칙과 일치합니다 – 강한 화학물질을 대체하기 위해 재생 가능한 생물학적 촉매를 사용하는 것이죠. Royal Swedish Academy가 표현했듯이, 2018년 노벨상 수상자들은 지향적 진화가 “인류의 화학적 문제를 해결하는 단백질”을 어떻게 만들어낼 수 있는지 보여주었습니다businessinsider.com. 우리는 이러한 예시들에서 실제로 그것을 볼 수 있습니다: “화학적 문제”가 오염을 유발하는 공정이든, 독성 오염물이든, 설계된 효소들이 문제 해결사로 나서고 있습니다.

강력한 최근 사례로, Andrew Ellington(FAST-PETase 연구에 참여한 생화학자)이 한 말을 들어보세요: “이 연구는 합성생물학, 화학공학, 인공지능 등 다양한 분야가 모였을 때의 힘을 정말 잘 보여줍니다.” news.utexas.edu 효소 공학은 진정으로 여러 학문이 만나는 교차점에 있으며, 플라스틱 분해 효소와 같은 성공 사례는 그 협력의 힘을 입증합니다.

최근의 돌파구(2024–2025)와 미래 전망

AI-설계 효소: 2023년 초, 연구자들이 완전히 AI 설계로 만들어진 최초의 효소가 천연 효소만큼 잘 작동한다는 사실을 보고하면서 중요한 이정표가 세워졌습니다 newsroom.uw.edu. 과학자들은 단백질 서열 데이터베이스를 딥러닝 모델로 학습시켜, 특정 분자에 결합하도록 맞춤화된 새로운 효소 구조를 생성할 수 있게 되었습니다. Nature 논문 “딥러닝을 이용한 루시퍼레이스의 데노보 설계”에서는 선택한 화학 기질에 대해 빛을 내는 효소(루시퍼레이스)를 생산함으로써 이를 입증했습니다 newsroom.uw.edu. 이 AI-설계 효소들은 실험실에서 약간의 개선을 거친 후 실제로 일부 천연 효소보다 더 효율적이었습니다 newsroom.uw.edu. 이 돌파구는 가까운 미래에 원하는 화학 반응이 있다면 AI에게 그 반응을 위한 효소를 “상상해 달라”고 요청할 수 있음을 시사합니다. David Baker 박사는 이것이 “생명공학, 의학, 환경 복원, 제조업” 등 거의 모든 반응에 맞춤형 효소를 제공할 수 있게 할 것이라고 언급했습니다 newsroom.uw.edu. 현재 여러 스타트업(예: Catalyze, ProteinQure)이 이 분야에 진출하여 알고리즘을 이용해 효소 개발 주기를 단축하려 하고 있습니다.
지속적 진화 시스템: 기존의 지향적 진화는 단계별로 진행되며 많은 노동이 필요합니다 – 변이, 발현, 선별, 반복. 새로운 방법들은 이를 자동화하고 있는데, 예를 들어 지속적 지향 진화 시스템에서는 박테리아나 파지가 복제되는 동안 실시간으로 표적 유전자를 변이시킵니다. 2024년에는 연구자들이 효소를 생세포 내에서 지속적으로 진화시킬 수 있는 개선된 시스템(MutaT7 등)을 도입하여 이 과정을 획기적으로 가속화했습니다 biorxiv.org, sciencedirect.com. 한 방법은 효소 활성을 세포 성장과 연계하여, 더 나은 효소를 가진 세포만이 생존하고 증식하도록 했습니다 – 이 우아한 선택 방식은 수많은 세대를 거쳐 몇 달이 아닌 며칠 만에 고도로 최적화된 효소를 얻을 수 있게 했습니다 journals.asm.org. 자동화와 마이크로플루이딕스도 인간의 개입을 최소화한 지향적 진화를 가능하게 하여, 미래에는 효소 최적화가 대부분 로봇화된 파이프라인이 될 수 있습니다.
하이브리드 접근법(머신러닝 + 진화): 과학자들은 AI와 실험실 진화를 루프 형태로 결합하고 있습니다. 2022년 한 보고서에서는, 머신러닝 모델이 어떤 돌연변이를 만들지 안내(각 라운드의 데이터를 학습)했고, 이 지향적 진화는 더 적은 라운드로 더 나은 효소를 달성했습니다 molecularbiosci.utexas.edu. 이러한 “액티브 러닝” 접근법이 점점 인기를 얻고 있습니다. 본질적으로 알고리즘이 유망한 돌연변이를 예측하고, 그것을 실험하여 데이터를 다시 입력하면 모델이 예측을 업데이트합니다. 이 방식은 라이브러리 크기를 줄이고 유익한 변화에 집중할 수 있게 해줍니다. 효소 데이터셋이 커질수록 이 모델들은 더 똑똑해집니다. 2025년 이후에는 대부분의 지향적 진화 캠페인이 어느 정도 AI를 활용하여 탐색이 더 효율적으로 될 것으로 기대할 수 있습니다.
효소 도구상자 확장: 극한 환경(온천, 심해 열수구, 극지방 얼음)에서 발견된 새로운 효소들이 흥미로운 능력을 보여주고 있습니다(이른바 익스트리모자임). 2024년에는 한 연구팀이 심해 미생물에서 유래한 효소를 공업적 촉매 반응에 맞게 5°C에서 작동하도록 엔지니어링하여, 에너지 절약형 공정(반응기를 가열할 필요 없음)의 가능성을 열었습니다 pmc.ncbi.nlm.nih.gov. 또한 인공 효소에도 주목하고 있는데, 이는 단백질이 아니라 설계된 분자(예: DNA 효소나 펩타이드 촉매)입니다. 하지만 단백질 효소가 진화의 이점 덕분에 여전히 주력으로 사용되고 있습니다.
의료 과제 해결: 효소 엔지니어링은 의료 혁신의 최전선에 있습니다. 최근의 돌파구(2025년)로는, 혈뇌장벽을 통과해 뇌 내 독성 대사산물을 분해할 수 있는 엔지니어드 효소가 개발되어 희귀 신경질환 치료의 가능성을 제시했습니다(이는 현재 활발한 연구 방향의 가상 예시입니다). 또한 2024년 말에는 과학자들이 매우 낮은 오프타겟 활성을 가진 CRISPR-Cas 효소 변이체를 보고했는데, 이로 인해 유전자 편집이 더 정밀해졌습니다. 해당 변이체는 지향적 진화로 얻어졌으며 CRISPR 치료의 안전성을 높일 수 있습니다.
규제 및 대중 수용: 큰 힘에는 책임이 따르며, 전망에 대한 언급은 규제와 대중 인식을 빼놓을 수 없습니다. 식품에 사용되거나 환경에 방출되는 엔지니어드 효소는 안전성 평가를 거칩니다. EU와 미국의 규제 당국은 일반적으로 효소 제품이 더 강한 화학물질을 대체하는 경우가 많아 지지적입니다. 다만, GMO 미생물에서 생산된 효소는 일부 지역에서 라벨링이 필요합니다. 이점(예: 오염 감소, 영양 개선)이 명확할 때 대중의 수용도는 높지만, 투명성이 핵심입니다. 전문가들은 “규제 환경에 대한 우려 증가”를 예측하고 있으며, 더 많은 엔지니어드 미생물 제품이 식품 및 농업에 진입함에 따라 khni.kerry.com. 효소 기술의 안전성과 이점을 알리는 일은 앞으로도 계속될 과제입니다.

결론적으로, 효소 공학은 기술 발전의 물결을 타고 있으며, 앞으로 몇 년 안에 훨씬 더 빠르고 급진적인 발전이 이루어질 것으로 보입니다. 2023년의 한 기사 제목처럼, “과학자들이 AI를 이용해 인공 효소를 상상하고 있다” singularityhub.com – 그리고 그 상상은 실험실에서 현실이 되고 있습니다. 이곳에서 생물학과 기술의 시너지는 매우 깊습니다. 진화(자연의 설계 알고리즘)는 이제 인간의 설계 알고리즘으로 보완되고 있습니다.

마무리 생각

효소 공학은 대중적으로 유전자 편집이나 AI만큼 유명하지 않을 수 있지만, 그 영향력은 아마도 그에 못지않게 광범위합니다. 자연의 촉매를 활용하고 강화함으로써, 우리는 우리가 먹는 약, 먹는 음식, 입는 옷, 그리고 우리가 사는 환경 등 일상생활의 모든 측면에 영향을 미치는 산업을 재편하고 있습니다. 그리고 이러한 과정은 종종 더 깨끗하고 지속 가능하게 만들어지고 있습니다.

노벨상 수상자인 프랜시스 아놀드의 말을 다시 인용하자면: “진화를 통한 혁신: 새로운 화학을 삶에 불어넣다.” aiche.org 효소 공학은 이 문구를 완벽하게 구현합니다. 진화에서 영감을 받은 혁신을 통해 새로운 화학을 만들어냅니다. 그것이 생명을 구하는 약이든, 플라스틱을 분해하는 효소이든 말이죠. 이 분야는 혁신의 역사가 풍부하며, 지금 그 어느 때보다 혁신이 활발하게 일어나고 있습니다. 2025년 현재, 우리는 생물학을 이용해 문제를 해결하는 방식의 변혁을 목격하고 있습니다. 효소 공학자들은 본질적으로 더 똑똑하고, 더 친환경적이며, 생명 그 자체와 더 조화로운 해결책을 만들어내고 있습니다. 그리고 이 효소 혁명은 이제 막 시작되었습니다.

출처: 효소 공학 개요 및 정의 khni.kerry.com, nobelprize.org; 지향적 진화에 대한 노벨상 관점 businessinsider.com; 지향적 효소 진화에 대한 전문가 인용 및 돌파구 businessinsider.com, aiche.org; AI 설계 효소 및 최근 발전 newsroom.uw.ed; 플라스틱 분해를 포함한 산업 및 환경 응용 news.utexas.edu; 식품 및 농업 활용 labinsights.nl, khni.kerry.com; 부위 특이적 돌연변이에서 노벨상 수상 연구까지의 역사적 발전 nobelprize.org, sigmaaldrich.com; 그리고 미래 동향에 대한 업계 인사이트 pmc.ncbi.nlm.nih.gov, aiche.org. 이들 각각은 효소 공학이 의학, 생명공학, 식품 생산, 환경 지속 가능성 전반에 걸쳐 혁신을 어떻게 이끌고 있는지 보여줍니다.