서울대학교 국제농업기술대학원 강상기 교수 동물소재공학연구실

 

 

 

  한국의 축산업이 과거 양적성장 위주의 20세기 산업사회 패러다임에서 환경과의 공존을 통한 지속 가능성을 목표로 하는 21세기 생명사회 패러다임으로 발전해 나가기 위해서는 새로운 개념의 친환경 축산 기술 개발을 모색해야 한다. 어떤 산업 분야를 막론하고 신기술의 실용화를 위해서는 그러한 기술을 실현할 수 있도록 구체적인 도구가 되는 소재 개발이 선행되어야 하는데, 축산 분야에서도 기존 가축 생산성 향상 중심의 전통적 축산기술에서 한 단계 더 나아가 미래 지속가능한 친환경 축산을 가능하게 하는 신기술 개발을 위해서는 새로운 동물소재의 발굴이 필수적이라 할 수 있다. 미래 지속 가능 축산을 실현 하는 요소 기술로는 '무항생제 축산기술', 저공해 축산기술', 자원절약 축산기술', 및 '동물복지 축산기술'등을 들 수 있으며, 이러한 새로운 축산기술은 천연 항생제 대체제, 고기능성 생리활성 물질, 농림수산 부산물 유래 유용물질 등 다양한 기능성 소재의 적극적 개발과 활용을 통해 구체화 할 수 있다. 이러한 중요성을 반영하여 농림축산식품부에서는 2017년에 '농생명 소재 산업'을 농업분야 미래 성장동력 산업으로 설정하고, 향 후 집중 육성해야 할 8대 유망 분야 중에 축산분야에서는 '동물 건강 증진 소재'와 '동물 백신 소재'를 선정하고 있다.

 

 

 

 

                  <그림> 친환경 동물소재 정의, 연구분야, 목표

 

 ‘동물소재공학연구실’에서는 환경부하를 최소화 하면서 동물의 건강과 소비자의 웰빙을 동시에 고려하는 미래 친환경 축산업 발전에 기여하기 위한 다양한 기능성 소재 (미생물 소재, 기능성 단백질 소재, 영양물질 소재, 및 유용 부산물 소재 등)를 발굴함과 동시에 이를 응용한 최적 친환경 동물소재 및 효과적인 실용화 기술을 개발하는 것을 학문적 목표로 하고 있다. 동물소재공학연구실에서는 현재 1) 오메가 지방산 균형 축산물 생산을 위한 기능성 사료 소재, 2) 농산부산물 활용 고부가가치 기능성 사료첨가제, 3) 미생물 및 천연물 기반의 항생제 대체제, 4) 단백질 디자인 기술 기반 아단위 동물 백신 등 다양한 동물소재 분야 연구 개발에 매진하고 있으며, 동물소재 분야와는 별도로 평창캠퍼스의 대단위 연구목장을 기반으로 최근 이슈가 되고 있는 ICT 융합기술을 활용한 축산분야 ICT 장비 및 신기술의 효용성을 검정하는 테스트베드 구축사업에도 적극적으로 참여하고 있다.

 

 

 

오메가 지방산 균형 축산물 생산
오메가 3 및 오메가 6 지방산은 다가 불포화 지방산으로 사람이 반드시 음식물을 통해 섭취해야 하는 필수 지방산으로 동물 세포막의 구성성분으로 이용될 뿐 아니라 체내 면역반응을 조절하는 지질계 호르몬의 일종인 아이코사노이드 (eicosanoid)의 전구체로 활용된다. 이때 오메가 3 지방산에서는 '항염증성 호르몬'이, 오메가 6 지방산에서는 ‘염증성 호르몬’이 주로 생성되게 된다. 세포막의 오메가 지방산이 균형을 이루고 있을 경우에는 항염증성 호르몬과 염증성 호르몬의 상호 보완적인 작용에 의해 정상적인 면역반응이 유지되지만 오메가 6 지방산 함량이 지나치게 높을 경우에는 염증성 호르몬의 과도한 작용에 의해‘만성염증’의 원인이 되는 것으로 알려져 있다. 가축 배합사료의 주원료가 되는 옥수수의 경우 오메가 3 지방산에 비해 오메가 6 지방산이 60배 이상 함유량이 높아 이를 섭취한 가축 유래의 축산물 (신선육, 계란, 우유 등)에는 오메가 6 지방산이 매우 높은 함량을 나타낸다. 동물소재공학연구실에서는 이러한 문제점을 해결하고 축산식품의 품질향상과 이를 이용하는 소비자의 건강증진에 기여하기 위해 오메가 3 지방산이 다량 함유되어 있는 사료 원료를 발굴하고 이에 대한 최적 이용 기술을 개발함으로써, 이러한 기술을 적용한 가축 에서 생산된 축산식품 내 오메가 지방산 균형 복원을 유도하는 연구를 진행하고 있다. 개발된 오메가 지방산 균형 축산물 생산 기술은 산업체에 기술이전 하여 현재 오메가 3:6 지방산 비율이 1:4 이하로 개선된 우유, 가공유 및 계란 등이 출시되고 있다.

 

                    

               <그림2> 오메가 지방산의 역할과 오메가 지방산 균형 축산물 (계란 및 우유)

 

 

 

 

농산부산물 활용 기능성 사료첨가제 개발
강원도 지역은 다양한 고랭지 채소, 산야초 및 약용 작물의 특산지로써 지역 고유의 청정 이미지로 인해 산물의 영양과 기능성에 대한 소비자의 신뢰도가 매우 높다. 그러나 대부분의 작물에서 시장에 출하되는 식용부위보다 더 많은 양의 부산물이 발생함에도 그 용도를 찾지 못해 폐기되고 있는 것이 현실이다. 따라서 동물소재공학연구실에서는 농림부의‘지역 농산업 활성화 방안 프로젝트’의 일환으로 강원지역 특산 작물의 버려지는 부산물을 활용하여 가축에게 급여할 수 있는 기능성 사료첨가제를 개발하는 연구를 진행하고 있는데, 그 예의 하나로, 브로콜리 부산물을 활용한 반추가축용 기능성 사료첨가제 개발 연구를 들 수 있다. 강원도는 제주도와 함께 국내 브로콜리의 주산지로써 연간 4,000톤 이상의 브로콜리를 출하하고 있으며, 브로콜리의 경우 식용으로 활용하는 꽃을 제외한 잎, 줄기 등 대량(연간 6,000톤 추정)의 불가식 부위가 부산물로써 그대로 노지에 폐기되게 된다. 이러한 브로콜리 부산물을 수거하여 유산균 등, 유용 생균제 미생물을 이용한 발효과정을 통해 기능성과 보존성을 높인 섬유질 사료 첨가제를 개발하게 되면 환경보존, 자원절약, 가축의 건강증진과 함께 농가의 부가적인 소득증대에도 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 브로콜리와 브로콜리 부산물에는 글루코시놀레이트 (glucosinolate)와 같은 항산화 기능성 물질이 다량 함유되어 있는데, 기능성 사료첨가제의 두가지 목표는 가축의 사양관리 기간에는 가축의 건강에 도움을 주고, 축산물로 가공된 이후에는 함유된 기능성분이 소비자의 건강에 도움을 줄 수 있도록 하는 것이므로, 연구 개발의 방향은 가축의 건강 및 생산성 증진 못지않게 최종 축산물에 기능성분이 얼마나 전이 되는지에 대해 분석화학을 기반으로 정량적으로 제시할 수 있도록 진행될 예정이다.

 

 

 

                        

                                <사진> 농산부산물 활용 기능성 사료첨가제 개발 전략 및 의의

 

 

 

 

 

단백질 디자인 기술 기반 아단위 백신 개발
최근 아시아의 각국의 인적, 물적 교역 확대화 함께 국내 FMD, AI 등 국가재난형 가축질병의 확산이 증대되고 있으며, 유전적 변이가 심한 가축 질병 바이러스의 특성상 다양한 바이러스 혈청형에 효과적으로 대응할 수 있는 효과적인 가축 전염병 대응 백신 체계 개발이 국가적으로 매우 중요한 현안이 되고 있다. 기존의 약독화 및 불활화 바이러스 기반 가축 백신의 경우 야생 바이러스와의 조우를 통해 다시 병원성이 복원되는 등의 잠재적 위험성과 함께 다양한 혈청형 원인 바이러스의 출현에 대해 신속하게 대응하기 어려운 문제점이 있고, 주사에 의한 접종방식에 의해 혈중 항체인 IgG 생산만을 유도하여 호흡기나 소화기 점막을 통해 감염되는 대부분의 가축질병을 초도에 방어하기 어려운 측면이 단점으로 지적되고 있다. 동물소재공학연구실에서는 단백질 디자인 기술 기반의 아단위 (subunit vaccine) 백신 개발 전략을 통해 핵심 항원 단백질만을 백신으로 활용함으로써 잠재적 위험성이 적고, 점막 면역 반응 유도를 통해 분비형 항체인 IgA 생산에 효과적일 뿐 아니라, 다양한 변이종에 신속하게 대응 가능하며, 경제적으로 대량 생산이 가능한 신개념 가축 백신 개발에 노력하고 있다. 현재 연구 개발 중인 신개념 아단위 백신(subunit vaccine)은 다양한 혈청형의 가축 질병 원인 바이러스의 핵심 표면 항원 단백질 아미노산 서열을 추출하여 유전자 재조합 기법에 의해 병렬로 연결한 형태의 재조합 단백질 항원 기반의 비바이러스성 백신으로, 변이종에 상관없이 다양한 혈청형 (serotype) 및 지역형 (topotype)을 신속하고 광범위하게 방어할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 한편,  기존 주사투여 방식의 단점을 극복하고 IgA 중심의 점막 면역 반응 활성화를 통해 가축질병 바이러스를 감염 초도에 예방할 수 있도록 점막 투과성이 개선된 다양한 백신 전달체 및 새로운 백신 제형 개발 연구도 함께 진행 중에 있으며, 향 후 이러한 기술은 비점막 스프레이 방식이나 경구투여 방식을 통한 편리한 가축 백신 전달 기법에 응용될 전망이다.

 

 

 

 

 

 

 

 

  미생물 및 천연물 기반의 항생제 대체제
항생제 (antibiotics)는 미생물 (bacteria, fungi, protozoa)에 대한 성장을 저해하고 사멸을 유도하는 저분자 화합물로서 원래 병원성 미생물 감염증에 대한 치료 약물이다. 한편, 축산 분야에서는 가축의 배합사료에 항생제를 첨가하여 급여할 경우 병원성 미생물의 잠재적 감염을 예방할 뿐 아니라 비특이적 가축 성장촉진 효과를 얻을 수 있었기 때문에 오랫동안 AGP(Anitibiotic Growth Promoter)라는 이름으로 사료 첨가용 항생제를 이용해 왔다. 그러나 다양한 항생제에 대해 다제내성을 가지고 있어 현존하는 항생제로는 치료가 어려운 '수퍼박테리아(super bacteria)'가 나타나면서 준치료적 수준으로 장시간 대단위 가축사양에 항생제를 급여하고 있는 축산분야가 이러한 수퍼박테리아 출현의 원인 중 하나로 지목받게 되었고, 유럽을 중심으로 축산분야의 광범위한 항생제 사용에 대한 규제가 강화되기에 이르렀다. 국내의 경우에도 2011년 축산 분야 배합사료 내 성장 목적의 항생제 사용에 대한 전면 금지 정책을 시행하여 특히 양돈분야 항생제 사용양이 크게 감소되는 성과를 보였으나, 배합사료 내 항생제 사용이 크게 줄어든 반면 일선 농장의 항생제 자가 사용량이 급증하는 결과를 보여 축산 분야 항생제 과다 사용 문제는 여전히 현재 진행형인 것으로 나타나고 있다. 따라서, 일선 농장에서 항생제 대신 믿고 사용할 수 있는 효과적인 친환경 항생제 대체제 개발과 보급은 축산 분야의 시급한 현안 중 하나이다. 생균제 (probiotics)는 유산균, 바실러스, 효모 등과 같이 동물의 장내에서 서식 가능하고 건강에 이로운 기능을 하는 살아있는 미생물 제제로, 가축에게 급여시 장내 유해세균의 생육 및 증식 억제, 면역력 향상, 항병력 증진 및 가축 성장 촉진 등, 천연 항생제 대체제로써 높은 잠재력을 가지고 있다. 동물소재공학연구실에서는 이러한 생균제 미생물과 함께 장내 유익균의 영양원으로 활용될 수 있는 천연 '프리바이오틱스(prebiotics)' 소재를 발굴하여 이들의 시너지 조합을 통해 축종 맞춤형 항생제 대체 복합 미생물 생균제를 개발하는 연구를 진행하고 있다.

 

 

 

           

                       <사진> 축종 맞춤형 항생제 대체 복합 미생물 생균제 개발 모식도

 

 

 

   축산분야 ICT 기술 테스트베드 구축
국내 축산업은 고령화와 농가수 감소로 인한 인력 부족, 세계 곡물가 상승 및 FTA 시장개방으로 인한 한국 축산업 경쟁력 약화, FMD, AI 등 국가재난형 가축질병의 빈번한 발생, 소비자 의식수준 향상에 따른 축산식품의 품질과 안전성에 대한 기대 고조 등 산업 여건의 많은 변화에 직면해 있다. 최근 정보통신기술 (ICT: Information Communication Technology)의 비약적 발전에 따라 다양한 산업 분야에서 ICT 융합기술 접목이 사회적 화두로 떠오르고 있는데, 축산 분야에서도 이와 같은 ICT 융합기술 도입을 통해 현안 해결의 돌파구를 찾을 수 있을 것으로 기대하고 있다. 축산시설 자동화를 통한 축산농가 규모화 촉진 및 인력문제 해소, 농장 관리에 자동제어기술을 도입하여 효율적인 자원관리 및 생산성 제고, ICT 기반 질병 조기진단 체계 개발을 통한 효과적인 가축질병 관제, RFID 기반 이력관리 고도화를 통한 가축 생산/유통 투명성 확보를 통한 소비자의 신뢰 획득 등, ICT 융합기술은 한국 축산업의 현안 해결 뿐 아니라 향 후 미래 지속가능 산업으로 발전하기 위한 필수 기반으로 자리매김 할 전망이다. 그러나 아직은 축산 분야에서 ICT 융합기술 및 장비의 개발 및 보급은 걸음마 단계로, 우선 새로 개발된 ICT 장비에 대한 정확한 성능 테스트 및 축산 ICT 분야 운영 및 컨설팅 전문가 양성을 진행할 수 있는 전문 기관 설립이 필요한 상황이다. 이에 따라 동물소재공학연구실은 농림축산식품부 연구비 지원을 받아 축산분야 ICT 융합기술 보급 및 확산 주체로 기능할 수 있는 테스트베드를 구축하는 연구를 진행하고 있다. 연구 목표로는 서울대학교 평창캠퍼스 첨단 연구목장을 기반으로 하여 축산 ICT 실증시험 전문 테스트베드 목장을 구축 하는 것과 동시에 축산 ICT 맞춤형 현장 교육장 및 교육 프로그램을 완비하고, 이를 통해 명실상부 국내 대표 축산 ICT 연구/교육/보급 전문기관을 확립하는 것이다.