형질전환 식물세포배양은 동물 유래 바이러스나 병원균에 감염되지 않고, 동물유래 물질 혼입의 우려가 없어 동물세포주의 단점을 극복할 수 있고, 배지가격이 저렴하여 더 경제적이다. 또한, PTM이 가능하여 고분자량의 당단백질 생산이 가능하고 단백질의 회수와 정제가 용이하며, scale-up 노하우가 축적되어 있어서 상업화하는데 유리하다. 형질전환 식물을 이용하여 생산되는 치료용 재조합 단백질로는 식물유래 수의용 NDV백신이 처음으로 승인을 받았지만 식물 특이적 당쇄에 의한 면역반응과 짧은 반감기, 느린 생장속도 등의 단점이 있다. 따라서 이러한 한계점을 극복하고 식물세포배양 단백질의 상업화를 위해서는 대량배양에 필요한 bioreactor 배양공정 최적화가 필요하다.
<h1>서 론</h1><p>바이오의약품 (biopharmaceutical)이란 생체 내에 존재하는 물질을 의약품으로 사용하는 것을 말하며, 보다 넓은 의미로는 첨단 바이오 기술인 유전자재조합, 세포융합, 세포배양 등 생물공학기술을 기반으로 하여 생산된 의약품으로 정의할 수 있다. 이러한 바이오의약품은 단백질의약품, 치료용항체, 백신, 유전자치료제 및 세포치료제로 분류된다. 2010년 바이오의약 시장은 70조원 이상으로 예상되며 이는 전체 바이오산업의 38% 를 차지하는 것이다. 현재 바이오의약품 개발은 암 치료제에 집중되어 있으며, 면역질환이나 적혈구생성촉진인자 (erythropoietin)나 호르몬 같은 세포조절 단백질에 대한 개발비중도 높은상황이다. 2008년 전세계 바이오의약품시장에서 상위 10가지 바이오의약품은 모두 재조합 단백질이며 단백질 의약품과 치료용항체로 분류되고 그 매출액 총액은 50조원에 달하고 있다.</p><p>현재 대부분의 재조합 단백질은 동물세포와 곤충세포 등의 고등세포를 숙주로 이용하거나 효모나 박테리아와 같은 미생물을 통해 생산되어 왔다. 특히 고분자량의 복잡한 단백질의약품이나 치료용항체의 경우, 당쇄화 (glycosylation)와 같은 post-translational modification (PTM)이 단백질의 활성 및 생체내 안정성에 큰 영향을 미치기 때문에, 인체와 유사한 단백질을 생산하는 동물세포주인 Chinese hamster ovary (CHO) 세포가 주로 이용되고 있다. 최근에는 재조합 단백질 생산 시스템으로 PER.C6와 같은 인간 유래 세포를 이용하여 단백질의 완전한 인간화를 구현하는 방향으로 연구가 진행되고 있다 (Barnes et al. 2006; Yin et al. 2007). 그러나 이러한 동물세포배양은 배지가격이 비싸며, 인간에게 감염될 수 있는 바이러스의 오염가능성이 높고, 소 혈청유래 단백질의 유입 가능성으로 인해 이들을 제거하기 위한 별도의 정제공정이 필요한 단점이 있다 (Huang and McDonald 2009).</p><p>최근에 식물세포배양이 재조합 단백질의 대체생산 시스템으로 부각되고. 있다. 식물세포의 경우 동물 유래 바이러스나 병원균에 감염되지 않을 뿐만 아니라 동물유래 물질 혼입의 우려가 없어 안전한 생산 시스템으로 여겨지고. 있다. 한편 식물세포배양 대신에 형질전환 식물체를 사용할 경우 유전자의 외부 유출이 십고, 재배환경의 제어가 어려우며, 생산된 단백질 품질의 일관성이 낮고, 생산 및 정제수율도 낮은 단점이 있다. 따라서 형질전환 식물체보다는 식물세포배양이 선호되고 있으며, 생산 수율과 단백질 품질을 개선하기 위한 연구가 환발히 진행 중이다 (Twyman et al. 2003).</p><p>형질전환 식물세포배양은 생물공정 측면에서 고려할 때 배지 가격이 저렴하며, 상대적으로 간단한 배지조성으로 성분이 규명되어 있으며, 첨가되는 단백질 성분이 없기 때문에 동물세포배양에 비해 생산, 정제 비용을 낮출 수 있다는 점에서 경제적이다 (Doran 2006). 식물세포를 재조합 단백질을 생산하는 숙주로 사용할 경우 PTM이 가능하여 고분자량의 당단백질 (glycoprotein)이나 구조적으로 복잡한 단백질도 생산이 가능하다. 또한 signal sequence를 이용하여 목적 단백질을 배양액으로 분비시킬 수 있으므로 단백질 회수와 정제가 용이한 장점이 있다. 식물세포배양을 이용한 이차대사산물 생산사례에서 이미 scale-up에 대한 많은 노하우가 축적되어 있으며, 이로 인해 형질전환 식물세포배양을 통해 생산된 재조합 단백질을 상업화하는데 있어 유리하다.</p><p>Plant-made pharmaceuticals (PMPs)는 형질전환 식물을 이용하여 생산되는 치료용 재조합 단백질을 의미하며, 1990 년 최초로 형질전환 식물세포 현탁배양을 이용하여 인혈청 알부민과 chloramphenicol acetyltransferase를 생산하였으며, 현재는 항체, single chain variable fragment (scFv), 항원, 백신, 호르몬, 성장인자, 인혈장유래 단백질, 효소대체치료제를 포함한 식물 기반 치료용 단백질 생산 등 300 가지 이상이 연구 개발되고 있는 것으로 보고되어 있다 (Fox 2006; Aviezer et al. 2009). 이들은 다양한 재조합 단백질 발현 숙주로서 담배, 벼, 콩, 토마토 등을 이용한 식물세포배양 bioreactor 시스템이 성공적으로 개발되었으며, 최근 Newcastle disease virus (NDV)에 대한 재조합 수의용 백신이 담배 세포배양을 통해 생산되었다. Dow Agrosciences에서 개발한 식물유래 수의용 NDV 백신은 2006년 2월 미국 농무성 (United States Department of Agriculture, USDA)에서 처음으로 승인을 받았으며, 이는 비록 수의용이긴 하지만 식물세포배양을 이용한 의약용 단백질을 생산하는 최초의 성공사례로 대표된다 (Pervin and Emilio 2008).</p><p>하지만 아직까지는 미국 식약청 (Food and Drug Admin-istration, FDA)으로부터 사람의 치료를 목적으로 하는 PMPs 허가 사례는 없는 실정이다. 그 이유는 크게 두 가지로 생각할 수 있다. 첫째로는 단백질 자체의 품질 측면에서의 문제점을 고려해야 한다. 식물세포에서 생산된 재조합 단백질의 경우 식물 특이적인 당쇄 (glycan)들로 인해 면역반응을 일으킬 수 있고, 당쇄 말단이 sialy-lation 되어있지 않기 때문에 혈중 반감기가 매우 짧은 단점이 있다. 인간유래 단백질과 동일한 당쇄화 유형을 만드는 것은 PMPs의 상업화 여부를 결정짓는 가장 중요한 부분이라고 할 수 있다 (Miele 1997; Gomord and Faye 2004).</p><p>두 번째는 동물세포를 포함한 다른 숙주들에 비해 상대적으로 낮은 단백질 발현 수준과 느린 생장속도를 들 수 있다. 단백질 생산 수준은 세포배양 이전에는 강력한 프로모터의 개발과 우수 세포주 선별에 따라 좌우된다. 일단 세포주가 확보된 후에는, bioreactor 배양공정의 확립에 의해 생산 수준이 결정된다. 또한 식물세포의 느린 생장속도로 인해 배양 및 생산기간이 길어져 단위시간 당 생산성이나 연간 생산 배치 수에 영향을 미치게 된 다. 이러한 문제점을 극복하기 위해서는 생장 및 단백질 생산에 미치는 공정변수에 대한 최적화와 함께 bioreactor 종류 및 운전 전략의 최적화를 통하여, 재조합 단백질의 생산량을 높이는 연구가 수반되어야 하며, 식물유래 바이오의약품의 상업화를 위해서는 식물세포 특이적인 bioreactor의 개발과 공정의 확립이 중요하다.</p><p>본 총설에서는 먼저 형질전환 식물세포배양을 이용한 바이오의약 단백질의 상업화를 위해 필요한 식물유래 당쇄화의 최근 연구방향과, 생산성 증대를 위해 세포주 수준에서 고려할 측면에 대해서 정리하였다. 고생산 세포주가 선별된 후의 단백질 생산성은 bioreactor 공정상에서 좌우된다. 바이오의약 단백질의 상업화를 위해서는 bioreactor에서의 대량배양이 필수적이므로, 형질전환 식물세포에 적합한 bioreactor 배양공정이 확립되어야 한다. 따라서 성공적인 식물세포 bioreactor 배양을 위한 고려사항, 식물세포용 bioreactor의 종류, 바이오의약 단백질의 허가와 생산성 증대를 위한 bioreactor 배양공정 최적화 전략에 대해서도 최근의 동향을 알아보고자 하였다.</p>