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생명을 구하는 해결책, ‘합성 생물학’


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글/아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)


만약에 물리학과 생물학을 결합하여 암, 대사장애, 감염병 치료를 위해 실리콘 칩 표면 상에서 저렴하고 개인 맞춤화한 신약을 신속하게 개발할 수 있다면 어떨까? 이제 이러한 획기적 기술이 자연의 힘을 이용하여 의학, 제조, 농업 분야에서 인류가 직면한 핵심 과제들을 해결할 수 있는 길이 열리게 되었다.
합성 생물학은 공상과학 소설 속의 판타지가 아니라 생물학을 공학적으로 보다 쉽게 다루는 것을 목표로 하는 혁신적인 학제간 융합 기술이다. 이 기술은 자연계에 존재하지 않는 생체 소자와 솔루션, 시스템을 설계 및 제조하기 위해 화학, 생물학, 컴퓨터 과학, 엔지니어링의 첨단 기술을 융합한다. 합성 생물학은 추상화, 표준화, 자동화된 구조를 사용하여 생체 시스템이 생성되는 방식을 바꾸고, 생산 가능한 제품의 범위를 확장하기 위한, 생물학에 바탕을 둔 도구라고 생각할 수 있다.[1]
에보네틱스(Evonetix)는 생물학을 재해석하여 전례 없는 정확도와 규모로 긴 사슬 DNA를 합성하는 근본적으로 다른 접근방법을 개발하고 있다. 이 바이오테크 스타트업은 급성장 중인 합성 생물학 분야를 촉진하고 생명을 구하는 백신과 같은 합성 생물학 솔루션 개발의 품질과 속도, 비용을 향상함으로써 전 인류의 건강을 증진하는 것을 사명으로 삼고 있다.
첨단 플랫폼을 신속하게 개발하고 출시하기 위해, 에보네틱스는 깊이 있는 전문지식과 함께 바이오센서 솔루션, MEMS 프로세싱, 반도체 미세가공 기술력을 갖춘 파트너가 필요했다. 에보네틱스는 회사의 비전을 실현하고 전 세계 모든 연구자가 DNA 합성을 이용할 수 있도록 하기 위해 아나로그디바이스(ADI)와 ADI의 기업혁신연구소인 아나로그 거라지(Analog Garage)를 파트너로 선택했다.

개요

*기업
에보네틱스(Evonetix)는 영국 케임브리지에 본사를 둔 바이오테크 스타트업으로서, 확장 가능한 고충실도의 유전자 합성용 데스크톱 플랫폼을 개발하는 합성 생물학 전문 기업이다.

*응용 분야
생명을 구하는 신약 발견과 개발, 치료 분자 설계 및 합성, 정밀 의료 및 진단
*과제
비용 부담이 적으면서 플래그앤플레이 방식을 지원하는 데스크톱 DNA 라이터(writer) 플랫폼의 신속한 개발, 확장 및 상용화. 2022년 초까지 최소기능제품(MVP) 제작

*사명
전 세계 연구실의 과학자들이 긴 사슬 구조의 DNA를 신속히 합성할 수 있도록 하고 전 세계 인류의 건강을 증진하는 데 기여

기존의 DNA 합성 방식

지난 30년 이상 DNA 합성은 먼저 개별 가닥을 형성한 다음, 이들을 결합하여 더 긴 이중 가닥 DNA를 생성하는 방식을 사용해 왔다. 현행 기법은 진행 속도가 더디고 랜덤 오차를 포함하므로 합성 품질이 허용 기준을 통과할 수 있도록 하기 위해 시간이 많이 소요되는 추가적인 분석과 시퀀싱을 필요로 한다. 그 결과, 이러한 절차들은 신약 치료법의 신속한 개발과 의료 발전을 가로막는 요인이 되고 있다.

에보네틱스의 생물 합성 방식

에보네틱스가 제안하는 독자적인 접근방법은 물리학과 생물학을 결합한 플랫폼을 개발하여 실리콘 칩 표면 상에서 독립적으로 제어되는 수천 개의 초소형 반응 사이트에서 DNA 합성을 조절하는 것이다.

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                                                                            실리콘 칩                                            칩 상의 초소형 반응 사이트

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                                                               긴 사슬 구조의 DNA 합성                                         오류 식별 및 제거

합성 후에는, 획기적인 프로세스가 오류를 식별 및 제거하여 기존 방식보다 수십 배 더 높은 정확도를 제공한다. 합성 DNA 기술은 개인 맞춤형 치료를 제공하므로 의료진이 환자 치료를 위해 보다 데이터에 입각한 판단을 내릴 수 있게 해준다.

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공격적 목표 달성을 위한 협업

ADI는 바이오테크 스타트업들에 지속적으로 관심을 가져왔는데, 그 연장선에서 에보네틱스와 협력하여 신기술 검토와 새로운 기능 구축, 신규 사업 기회 개발을 함께 추진해 나가기로 했다. ADI의 바이오센서 솔루션 전문지식과 첨단 MEMS 프로세싱 및 고유의 반도체 미세가공 기술력은 에보네틱스가 신속한 생물합성이라는 목표를 달성하는 데 필요한 세 가지 핵심 요소들이다. 이 세 가지 기술은 신약을 빠르고 효과적으로 발견할 수 있도록 도와준다.
2019년 1월 에보네틱스는 ADI의 사내 인큐베이터 및 기업혁신연구소인 아나로그 거라지와 협업을 시작했다. 이 협업은 에보네틱스의 데스크톱 DNA 라이터의 상용화와 첫 번째 제품을 위한 개발과 확장을 신속하게 추진하기 위한 것으로, 2022년 초까지 MVP 개발을 완료한다는 공격적인 목표를 세웠다.
아나로그디바이스의 디지털 헬스케어 사업을 총괄하는 패트릭 오도허티(Patrick O’Doherty) 수석 부사장은 “에보네틱스와의 협업은 점점 더 성장해 나가는 합성 생물학 시장에 ADI가 진입할 수 있는 기회를 제공한다”고 말했다.

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“아나로그디바이스와 에보네틱스의 협업은 저렴한 치료제 생산과

전 세계의 광범위한 질병 치료에  사용할 수 있는 새로운 전략을 제공할 수 있도록

유전자 조립의 속도를 높이고 비용을 낮추는 것을 목표로 한다.”


패트릭 오도허티(Patrick O’Doherty), 아나로그디바이스 디지털 헬스케어 수석 부사장




아나로그 거라지

패트릭 오도허티 부사장은 “아나로그 거라지는 선도적인 연구 대학, 심층 기술 스타트업의 엔지니어, 데이터 과학자, 하드웨어 및 소프트웨어 전문가들이 한데 모이는 곳”이라면서 “대부분의 일반적 반도체 회사에서는 친숙하지 않은 기술인 신호 처리, 머신러닝 또는 재료 과학 분야의 박사학위 연구자들이 많이 포진해 있으며, 빠르게 변하는 스타트업 환경에서 새로운 솔루션과 혁신적 기술을 의욕적으로 개발하고 있다”고 말했다.
아나로그 거라지 사업부를 총괄하는 팻 코디(Pat Coady) 총괄 매니저는 “아나로그 거라지 R&D 팀은 과학, 알고리즘, 데이터 및 자신들의 창의성을 적용하여 우리 고객들이 직면하고 있는 가장 까다로운 문제에 대한 해결책을 제시한다. 우리는 세계를 변화시키는 솔루션을 만들기 위해 우리와 함께 할 우수한 인재와 기업을 늘 찾고 있다”고 말했다.

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에보네틱스는 현재 ADI의 테스트칩 센서 구조물로 테스트를 진행 중이며, 향후 2년 동안 더 많은 실험과 평가, 검증을 실시할 예정이다. 최종 칩은 아직 완전히 개발되지 않았다. ADI는 상업적 확장을 지원하고 데스크톱 DNA 라이터용 디바이스를 제조한다. ADI는 개발 단계가 완료되는 대로 센서 칩을 제조할 계획이다.
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“아나로그 거라지 R&D 팀의 지원과 전문지식은
우리가 복잡한 제어 ASIC을 설계하는 데 막대한 도움을 주었으며,
이제 양사 협력이 우리의 플랫폼 상용화를 확장하는 데까지 이어지기를 기대한다.”

매튜 헤이스(Matthew Hayes) 박사, 에보네틱스 최고기술책임자(CTO)


*에보네틱스의 플러그앤플레이 데스크톱 장치

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에보네틱스 DNA 라이터는 플러그앤플레이 방식의 데스크톱 장비로, 쉽게 구입해 사용할 수 있다. 이 장치는 복잡한 부품들을 포함하고 있으며 고도의 병렬 합성이 가능한 특정 영역별 단일 용도의 카트리지를 통해 다양한 기능과 애플리케이션을 지원한다.
에보네틱스의 첫 번째 제품은 2021년 말까지 베타 테스트에 들어갈 예정이다. 이후 ADI와 에보네틱스는 지속적인 협력을 통해 유전자 조립 속도를 높이고 효율과 정확도를 개선하며, 비용을 낮출 계획이다.

“ADI와의 협력을 통해 우리는 DNA를 대규모로, 정확하게 합성하는

고도의 병렬 데스크톱 플랫폼을 개발한다는 우리의 목표에 많은 진척을 이룰 수 있었다.”

매튜 헤이스(Matthew Hayes) 박사, 에보네틱스 최고기술책임자(CTO)

인류에 미치는 영향

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*팬데믹과의 전쟁
이 글을 작성 중인 현재까지, 코로나바이러스(COVID-19) 감염증에 대한 승인된 백신이나 치료제는 아직 없다. 그러나 전 세계 연구자들이 해결책을 찾기 위해 열심히 노력 중이다. 코로나바이러스가 언젠가는 퇴치되겠지만, 당분간 미래는 불확실하다.
에보네틱스의 획기적인 데스크톱 플랫폼의 최종 개발과 상용화는 아마도 코로나바이러스 팬데믹과의 전쟁에서 곧바로 의미있는 역할을 하게 되지는 않을 것이다. 그러나 에보네틱스의 유전자 합성에 대한 핵심적이고 근본적으로 다른 접근방법은 다음 팬데믹, 또 다음에 오는 팬데믹과의 싸움에서 중요한 역할을 할 수 있다. 그리고 이 기술은 전 세계 연구자들이 생명을 구하는 치료제와 백신을 빠르고, 정확하고, 비용 효율적으로 개발할 수 있는 길을 열어줌으로써 밝은 미래를 약속한다.

*인류에 미치는 지대한 영향
DNA 합성은 저렴한 치료제 생산과 장애 및 질병 치료에 새로운 가능성을 제공한다. 합성 생물학을 활용할 수 있는 분야는 제약 및 신약 발견, 첨단 바이오 연료, 산업용 생물공학, 특수 화학 소재, 재생 에너지, 농업, 재료 과학 등 다양하다. 이 기술은 석유에 대한 의존을 줄이고, 감염병 확산을 막고, 기아에 허덕이는 세계에 필수적인 영양을 공급하는 데 도움을 줄 수 있다.
신속하고 정확한 유전자 합성은 다른 접근법으로는 도저히 이룰 수 없는 규모로 과학자가 생물학을 활용할 수 있게 한다. 에보네틱스와 ADI의 협업으로 탄생하는 기술은 인류의 가장 큰 과제를 해결하고 더욱 안전하고 건강하며 더 나은 지구와 인류를 만들 수 있는 길을 열어준다.


[1] 공학생물학연구컨소시엄(EBRC, Engineering Biology Research Consortium)

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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