생명활동에 필요한 최소요소(DNA, 단백질 등)로 구성된 무세포 환경에서 유용한 기능을 수행하는 생명 시스템을 제작하는 기술

복잡한 세포활동 제어의 어려움을 극복하고, 기존의 자연 세포에서 구현되지 않는 합성경로를 통해 신규 화학소재 등을 제조 가능

향후 5년 : ato mole 수준 진단용 키트고효율 무세포 자동화 파운드리단백질/의약품 이동형 현장 생산비천연 아미노산 포함 합성 단백질 생산

향후 10년 : 완전 제어 가능 인공세포고효율 연료전지유전자회로 예측 수학 모형 효소 기반 게놈 수준 무세포 DNA 합성

1) 무세포 기술 - RNAP, ribosome, NTP, AA 등 전사/번역/단백질 활성에 필요한 최소한의 요소들만을 이용하여 세포모사 환경을 만들고 DNA로부터 단백질을 생산하고 활용하는 기술 2) 합성생물학 기술 - 표준화된 부품을 이용한 유전자회로를 설계하고 이를 최적화된 인공세포에 도입하여 유용한 기능을 수행하는 생명 시스템을 구현하는 기술 3) 자동화 기술 - 유전체 수준의 DNA 합성/어샘블리와 세포배양 및 고속탐색을 수행하는 로봇, IT, 그리고 AI가 융합된 기술로 기존 생물 실험의 속도와 스케일을 향상시킨 혁신 기술 4) 정량적 수학 모델링 기술 - 유전자 발현과 단백질 활성, 대사 화학반응, 세포성장 등의 생명현상을 정량적으로 설명하고 예측하는 수학 모델링 기술

최소의 필수 요인만으로 생명현상을 설명하고 확장하는 방식으로 여전히 밝혀지지 않은 복잡한 세포 내 생화학적 반응과 원리를 bottom-up 방식으로 이해 시도. 안전하고 완전 제어 가능한 인공세포 구현 기술 요구 - 기존의 살아있는 세포를 사용한 방법에서 제한요소로 작용하는 세포대사의 복잡성, 노동력 및 시간 등을 최소화한 초고속 유전자 및 유전자 회로 개발 및 기능 평가 플랫폼 필요

합성생물학 글로벌 투자금 규모는 2017년 14억 달러에서 2018년 38억 달러로 급등 무세포 동결건조 기반 지카바이러스 진단 키트 개발(Cell, 2014, 2016) 글루코스 1unit당 24개 전자 생산 가능한 고효율 연료전지 개발 (Nature comm., 2014) 일본 무세포 시스템 기반 1M DNA 합성기술 연구(OriCiro, 2018) Vibrio natriegens 기반 대량 세포파쇄액 확보기술로 고속 무세포 플랫폼 기반 마련(Harvard, 2018) 자동화 기반 고속 프로토타이핑 무세포기술 개발(Imperial college, 2020 / Northwestern Univ., 2019) 무세포 생물학 솔루션 PURExpress 상용화(NEB), Cell free 기반 생물학 교육용 키트 상용화(Amplyus)

무세포 생물학 솔루션 AccuAapid 상용화(바이오니아, 충남대) 무세포 기반 고감도 센서 연구(충남대, 포항공대) 무세포 기반 유전자회로 정량적 모형 연구(한국생명공학연구원)

무세포 합성생물학 기술은 DNA 서열 해독과 합성기술이 발전함에 따라 그 활용성과 경재성이 더욱 높아질 것으로 전망 - 무세포 DNA 기반 시장은 2017년 8,530만 달러에서 2026년 4.4억 달러 규모로 증가할 것으로 예측천연/비천연 단백질/아미노산 대량 합성, 소재/에너지 생산, 치료제 및 진단키트 등 실제 활용되고 있는 분야로 산업화 효과 높음

안전하고 제어 가능한 바이오 시스템을 구현함으로써 환경오염에 대한 사회적 우려 경감저가의 고감도 감지 키트 등 적정기술을 이용한 전염병, 바이러스, 국방 등의 사회문제 해결책 제시 교육용 키트를 활용한 체험형 생물학 교육으로 전문가 양성

무세포 합성생물학 기술의 활용성 증가를 위해서는 다양한 sigma factor 기반 RNAP 작동을 연구하고 Ribosome의 대량 확보기술 개발을 통한 비용 절감 및 대량화 필요무세포 시스템의 빠르고 비교적 단순한 메커니즘과 표준화 기반의 합성생물학 특성상 IT기반 자동화 및 AI 기술과 빠르게 융합 가능, 바이오분야 4차산업혁명의 핵심 역할을 위해 해당 분야 집중 연구 필요 정량적 수학 모델링 기술을 활용해 생물학의 기초 핵심 지식을 축적하여 복잡한 생물 시스템의 예측기술 확보 필요전략적 투자를 통한 미국, 일본, 유럽을 중심의 무세포 기술 확보 경쟁에서 우위 선점 필요

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