이동엽 교수 연구팀, 첨단바이오공정의 핵심 기술

“디지털 동물세포 토탈시스템” 발표

- 가상세포 수리모델과 빅데이터 기반 AI 모델을 통합한 세포 디지털 트윈

- 글로벌 바이오의약품 생산공정의 본격적인 디지털 전환화 기대

▲(왼쪽부터)성균관대 화학공학/고분자공학부 이동엽 교수, 공과대학 박서영 연구교수,최동혁 석박통합과정생

화학공학/고분자공학부 이동엽 교수팀이 글로벌 바이오의약품 생산공정의 디지털 트랜스포메이션(DX)를 촉진할 수 있도록 맞춤형으로 설계된 디지털 CHO* 가상세포 모델과 예측 시뮬레이션 기술들을 발표하였다.

* CHO(Chinese hamster ovary) 세포: 바이오 의약품(항체와 같은 재조합 단백질)을 생산하는 주요한 동물세포주이다. 중국 햄스터의 난소에서 추출되어 사용되어 왔으며, 세포 유래 바이오 의약품 중 70% 이상이 CHO를 통해 생산된다.

디지털 가상세포 모델은 실제 세포의 유전체 정보로부터 수학적으로 디지털화한 소위 ‘세포 네비게이터’ 혹은 ‘세포 디지털트윈’으로 이를 활용해 여러 환경 및 유전 조건에서 실제 세포의 거동과 내부 대사흐름 및 조절을 모사하고 세포의 변화 양상을 예측할 수 있다.

특히 CHO 세포는 현재 4,700억불 이상의 바이오의약품 시장에서 가장 많이 이용되고 있는 동물 세포주로 2016년 이동엽 교수 연구팀이 이끈 국제 공동연구를 통해 ‘CHO 가상세포 모델(CHO-GEM)’이 최초로 개발되었다. 지난 10년간 CHO-GEM은 바이오의약품 생산 세포주의 특성을 파악하고 다양한 배양공정 연구에 활용되어 왔으나 미래의 차세대/첨단 바이오공정에서는 실시간 데이터의 활용 및 분석, 예측 모델링과 제어를 위한 디지털 전환기술이 필수적으로 요구된다.

연구팀은 다양한 동물세포주와 실시간 배양조건에 따른 세포 생장, 그리고 단백질 의약품의 생산량, 품질 변화 등을 정밀하게 예측하기 위해 대사과정과 더불어 대사조절, 신호전달, 효소활성, 단백질 당화 및 분비 등의 핵심적인 생물학적 기작들을 하나로 통합하여 디지털 세포 토탈시스템을 새롭게 제안하였다.

제1저자인 성균관대 박서영 연구교수는 “배양 공정의 실시간 데이터와 효소활성 데이터를 활용한 AI 모델을 통해 대사반응 시뮬레이션에 대한 예측 오차를 획기적으로 감소시킬 것으로 예상한다”라고 밝혔다. 공동 제1저자인 최동혁 석박통합과정생은 “개발 중인 DX 기반의 토탈시스템을 적용하게 되면 온도, pH, 배지조건 등 다양한 공정조건을 자유롭게 조절해 바이오의약품의 품질과 생산성을 향상시키는 구체적인 전략을 도출할 수 있을 것”이라고 하였다.

이동엽 교수는“바이오공정 디지털 트윈 개념을 새롭게 제시한 이후, 현재 다양한 핵심기술들(센서 및 실시간 모니터링, 데이터관리, AI 예측모델링, 가상세포모델링, 공정제어)에 대한 새로운 접근 방법과 기술적 전략들을 연구하고 있다.”라고 전하며 “세포 및 유전자 치료제나 배양육 생산 등과 같은 동물세포 기반의 DX 공정 분야로 확장시키는 연구도 동시에 진행하고 있다”라며 앞으로 선보일 연구결과물에 대한 기대감을 나타냈다.

한국연구재단의 기초연구실사업(BRL)과 연구개발특구진흥재단의 화이트바이오 혁신 클러스터 사업으로 수행된 이번 연구성과는 셀프레스(Cell Press)에서 발행하는 생명공학 분야에서 권위 있는 저널인 ‘생명공학 동향(Trends in Biotechnology)’에 2024년 3월 28일 온라인 게재되었다.

※ 저널: Trends in Biotechnology(2024), Impact factor 17.3 (2022년 기준), JCR 생명공학 및 응용미생물학 분야 상위 1.6% 저널

※ 논문명: Driving towards digital biomanufacturing by CHO genome-scale models  

※ DOI: https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2024.03.001

※ 저자 정보: 박서영(성균관대학교, 공동제1저자), 최동혁(성균관대학교, 공동제1저자), 송진승(성균관대학교), 이동엽(성균관대학교, 교신저자) 포함 총 9명

○ 관련 언론보도

- 성균관대 이동엽 교수팀, ‘디지털 동물세포 토탈시스템’ 발표 <대학저널, 2024.03.29.>
- 성균관대 "이동엽 교수팀, 바이오의약품 생산 첨단바이오공정의 핵심 기술인 “디지털 동물세포 토탈시스템” 발표" <에듀동아, 2024.03.29.>
- 성균관대, 바이오공정의 핵심 기술 “디지털 동물세포 토탈시스템” 발표 <이뉴스투데이, 2024.03.29.>
- 성균관대 이동엽 교수 연구팀 바이오의약품 생산 첨단바이오공정의 핵심 기술 '디지털 동물세포 토탈시스템' 발표 <베리타스알파, 2024.03.29.>
- 성균관대 이동엽 교수 연구팀, 첨단바이오공정의 핵심 기술인 '디지털 동물세포 토탈시스템' 발표 <뉴스티앤티, 2024.03.30.>