과학 혁신 사례: 2024년 주목해야 할 새로운 동향

분야와 업계를 가리지 않고 매일같이 과학적 발견이 이루어지고 있는 오늘날, 빠르게 변화하는 환경에서 새로운 동향을 놓치지 않으려면 어떻게 해야 할까요? CAS는 고유한 관점에서 최근의 과학 혁신 사례와 이러한 사례의 토대가 되는 과거의 발견들, 그리고 미래의 기회를 탐색하는 데 필요한 전문 기술을 살펴봅니다. 2023년에 CAS는 대표적인 과학 혁신 사례를 선정했는데, 2024년에는 더 많은 사례들이 선정되었습니다. 주목해야 할 새로운 동향으로는 그린 케미스트리 영역의 빠른 확장, 탈탄소화 에너지, CRISPR의 임상 검증, 바이오소재의 부상, 그리고 암부터 신경퇴행성 질환에 이르는 약물 개발이 불가능한 질병의 치료 가능성 개선 등이 있습니다.  

R&D 분야의 AI 활용률 증가

AI 분야는 언제나 미래지향적이었으나 화학 및 신약 개발 부문에서는 AI의 잠재력이 아직 완전히 실현되지 않았습니다. 지금까지 크고 작은 문제들이 있긴 했지만, AI 분야가 발전함에 따라 몇 가지 혁신 사례를 관심을 가지고 지켜봐야 합니다. 오늘날에는 생성형 AI가 신약 개발에 영향을 미치고 있으며 환경 연구에 머신 러닝을 활용하는 비중이 증가하고 있고 ChatGPT와 같은 대형 언어 모델을 의료 방면과 임상 환경에서 테스트하고 있습니다.  

현재 많은 과학자들이 단백질 파악 방식에 혁신을 불러온 DeepMind의 단백질 구조 예측 소프트웨어 AlphaFold에 관심을 가지고 있습니다. DeepMind와 Isomorphic Labs가 최근 발표한 내용에 따르면 최신 모델의 경우 보다 우수한 정확도를 자랑하며 Protein Data Bank의 거의 모든 분자를 예측할 수 있고 리간드, 핵산, 번역 후 변형까지 지원 범위가 확장됩니다. 또한 AI 기반 항체 치료제 개발의 인기도 높아지고 있으며 RubrYc Therapeutics 항체 발견 엔진 같은 플랫폼은 이 영역에서 더 나은 연구 결과를 얻는 데 도움이 됩니다.

많은 사람들이 AI 개발을 긍정적으로 보지만, 정확하고 접근성 좋은 교육 데이터, 공정성과 편견, 규제 관리 부족, 학계, 학문적 연구 및 자료 공개에 미치는 영향, 대형 언어 모델의 할루시네이션뿐만 아니라 공공 보건 관련 인포데믹 위협에 대한 우려도 논의되고 있습니다. 그러나 AI는 지속적 개선이 필수적이므로 2024년에는 많은 개발과 혁신이 새롭게 이루어질 것이라 예상합니다.

더 친환경적인 그린 케미스트리

그린 케미스트리는 빠르게 발전하고 있는 분야 중 하나로, 화학 처리 공정이 환경에 미치는 영향을 최소화할 수 있는 혁신적인 방법을 끊임없이 모색하고 있습니다. 그중 대대적인 혁신이 이루어지고 있는 몇 가지 새로운 동향을 소개합니다.

• 그린 케미스트리 예측 정확도/결과 개선: 그린 케미스트리의 가장 큰 과제 중 하나는 바로 새로운 화학물질과 처리 공정이 환경에 미치는 영향을 예측하는 것입니다. 연구원들은 이러한 영향을 더 정확하게 예측하는 데 도움이 되는 새로운 컴퓨터 도구와 모델을 개발하고 있습니다. 이와 같은 개발을 통해 화학자들은 더 안전하고 친환경적인 화학물질을 설계할 수 있습니다.
• 플라스틱 사용량 감소: 매년 3억 5천만 톤이 넘는 양의 플라스틱 폐기물이 발생하고 있습니다. 제조업, 공급업, 소매업을 통틀어 일회용 플라스틱의 사용과 미세플라스틱을 줄이는 것이 굉장히 중요합니다. 산업계는 곧 산업용 부산물과 바이오매스 폐기물을 친환경적이고 저렴한 플라스틱 대체제로 재사용하는 MiTerro와 같은 혁신 기업들이 이 제시하는 새로운 가치 기반 접근법이 필요해지게 될 것입니다. 또한 전체 공급망에서 비용과 플라스틱 발자국을 줄이는 것이 더욱 중요해질 것입니다.     
• 대체 배터리 화학물: 배터리 및 에너지 저장 영역에서는 리튬과 코발트 같은 희귀한 "멸종위기 요소"의 대체제를 찾는 것이 중요합니다. 이러한 소재는 많은 배터리의 필수적인 구성 요소이지만 점점 더 그 희소성과 가격이 높아지고 있습니다. 니켈과 코발트를 사용하지 않는 리튬인산철(LFP) 배터리에 새롭게 투자하는 비율이 전보다 더 늘었으며, 2029년에는 LFP가 전기차 시장의 45%를 차지할 것으로 예측하고 있습니다. 희소성이 적고 더 저렴하며 지속 가능성이 더 뛰어난 나트륨, 철, 마그네슘과 같은 대체 소재를 개발하기 위한 연구도 계속해서 진행될 것으로 예측합니다. 
• 지속 가능성이 더 뛰어난 촉매제: 촉매제는 소모되지 않으면서 화학 반응 속도를 빠르게 만들거나 필요한 에너지의 양을 줄여 줍니다. 귀금속은 훌륭한 촉매제이지만 고가이며 채굴 과정에서 환경이 훼손됩니다. 비귀금속 촉매제도 오염과 폐기 관련 문제로 인해 유해할 수 있습니다. 지속 가능한 촉매제는 지구에 많이 존재하며 자연에도 무해한 요소들로 만들어집니다. 최근 몇 년간 더 친환경적이며 귀금속에 대한 의존도가 낮은 지속 가능한 촉매제 개발에 주목하는 사람들이 많아지고 있습니다. 촉매제와 촉매제의 역할, 환경에 미치는 영향 측면에서 새로운 개발이 이루어지면 탄소 발자국을 줄이는 데 유의미한 결과가 있을 것입니다.  
• 리튬이온 배터리 재활용: 리튬이온 재활용은 2023년에 이미 800개가 넘는 특허가 발표되며 투자자가 증가했습니다. 고체 전해질이나 액체 불연성 전해질을 사용하면 리튬이온 배터리의 안정성과 내구성을 개선하고 사용 수명을 늘릴 수 있습니다. 마지막으로 용매를 사용하지 않고 전극을 제조하는 방법을 채택하면 배출을 방지하기 위해 재활용과 신중한 처리가 필요하기 때문에 더 이상 사용되지 않는 N-메틸피롤리돈과 같은 용매의 사용을 줄일 수 있습니다.

바이오소재의 부상

2024년에는 생의학 분야를 위한 새로운 소재가 여러 의료 분야에 혁신을 불러올 수 있습니다. 그중 하나가 바로 바이오전자 소재인데, 이 소재로 전자 장치와 인체를 이어 주는 인터페이스를 만들 수 있으며, 그 사례로 Neuralink가 개발 중인 두뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템을 들 수 있습니다. 두뇌에 이식된 생체적합성 전극 네트워크를 사용하는 이 시스템은 2023년에 인체를 대상으로 하는 실험을 시작해도 된다는 FDA의 승인을 받았습니다.

• 바이오전자 소재: 바이오전자 소재는 보통 혼합물 또는 합성물이며 나노규모의 소재, 조작 수준이 높은 전도성 고분자, 생체흡수성 물질을 포함합니다. 최근 개발된 장치는 따로 제거할 필요 없이 인체에 이식하고 일시적으로 사용한 후 안전하게 재흡수됩니다. 이러한 기술은 완전한 생체흡수가 가능하며 아연과 생분해성 고분자, 폴리(젖산)로 만든 결합형 센서-무선 전력 수신기를 통해 실현됩니다.
• 천연 바이오소재: 천연 바이오소재는 생체에 사용하기 적합한 자연 유래 소재(예: 키토산, 셀룰로스 나노소재, 실크)로 2023년에는 고급 다기능 바이오소재를 만드는 데 사용되었습니다. 예를 들어 파킨슨병을 치료하기 위한 주입형 히드로겔 두뇌 임플란트를 설계했는데, 키토산, 타닌산, 금 나노입자 사이에 형성된 가역 교차결합을 기반으로 합니다.
• 바이오잉크: 바이오잉크는 환자 치료 방식을 혁신적으로 바꿀 수 있는 인체 기관의 3D 프린팅과 이식조직 개발에 사용됩니다. 현재 이러한 모델은 인체 장기 구조 연구 목적으로 사용되고 있으며 3D 프린팅된 심장 모델을 심장 질환에 활용하고 3D 프린팅된 폐 모델을 통해 약물의 효능을 테스트합니다. 특수 바이오잉크는 3D 프린팅된 인체 장기와 구조, 결과의 품질, 효능, 다목적성을 향상시켜 줍니다. 마지막으로 천연 실크 기반 바이오잉크의 용적 적층 가공(VAM)과 같은 새로운 접근법이 3D 프린팅에 혁신을 불러올 수 있는 계기를 마련하고 있습니다.

달과 그 너머로 향하는 여정

글로벌 Artemis 프로그램은 사람이 달에 지속 가능한 방식으로 거주할 수 있게 만들기 위한 장기적 계획의 일환으로 2025년까지 최초의 여성과 유색 인종을 달에 착륙시키는 것을 목표로 하는 NASA 주도의 국제 우주 탐사 프로그램입니다. 또한 Europa Clipper라 불리는 또 다른 NASA 프로젝트의 경우 2024년에 발사될 예정인 탐사선이 목성의 위성 중 하나인 유로파의 주변을 비행하며 물의 존재 여부와 거주 가능성을 조사할 계획입니다. 중국의 Chang’e 6 프로젝트는 달의 표본을 채취해 지구로 돌아와 추가 연구를 진행할 계획입니다. 일본 JAXA의 Martian Moons Exploration(MMX) 프로젝트는 화성의 위성 중 하나인 포보스에서 표본을 채취해 올 계획입니다. 그뿐만 아니라 Boeing도 재사용 가능한 우주 캡슐인 Starliner의 시험 비행을 진행할 예정인데, Starliner를 타면 저지구 궤도에 도달할 수 있습니다.

R&D 측면에서 봤을 때 Artemis는 항공우주 공학 외 여러 분야에 영향을 미치지만, 그중에서도 다음과 같은 분야와 연관성이 높습니다.

• 로봇 공학: 로봇은 Artemis 프로그램에서 핵심적인 역할을 하며 표본 수집, 인프라 구축, 과학 연구 진행과 같은 다양한 작업을 수행합니다. 그 결과 자율 시스템과 정교한 조정기를 포함하는 새로운 로봇 기술이 개발될 수 있습니다. 
• 우주 의학: Artemis 프로그램은 방사선 피폭이나 극미 중력과 같은 우주 여행의 위험으로부터 우주비행사들을 보호할 수 있는 새로운 기술이 개발해야 합니다. 여기에는 의료 진단, 치료, 대책에 대한 과학적 발견이 포함됩니다.
• 지구 과학: Artemis 프로그램은 달과 달의 환경을 조사할 수 있는 특별한 기회를 제공합니다. 따라서 지구의 역사와 지질학적 특징, 기후와 관련해 새로운 통찰력을 얻을 수 있습니다.
• 재료 과학: 우주의 극단적인 환경에서는 가볍고 내구성이 좋으며 방사선 내성이 있는 새로운 소재가 필요합니다. 이러한 소재는 항공우주, 건설, 에너지를 비롯해 여러 업계에서 활용할 수 있습니다. 
• 정보 기술: Artemis 프로그램에서 생성하는 방대한 양의 데이터를 실시간으로 처리, 분석 및 공유해야 합니다. 그 결과 클라우드 컴퓨팅, 인공 지능, 머신 러닝과 같은 새로운 IT 기술이 개발될 수 있습니다. 

CRISPR가 맺은 결실

수년간의 연구, 차질, 더딘 발전 끝에 CRISPR가 클리닉의 임상 치료 플랫폼 기술로서 공식적인 첫 결실을 맺었습니다. Intellia Therapeutics는 hATTR 치료를 위한 신약의 중추적인 임상 3상 시험에 착수해도 된다는 FDA 승인을 받았으며, 동일한 Cas9 mRNA를 사용해 혈관성 부종을 치료하는 또 다른 신약을 개발했습니다. 또한 가이드 RNA의 뉴클레오타이드 중 20개만 수정하여 이러한 목표를 달성하면서 CRISPR를 임상 치료 플랫폼 기술로 활용할 수 있는 가능성을 보여 주었습니다.

CRISPR 신약 개발 기술 관점에서 달성한 두 번째 업적은 바로 Vertex와 CRISPR Therapeutics가 개발한 최초의 CRISPR/Cas9 유전자 편집 치료제인 CASGEVY™가 영국 MHRA로부터 낫형세포병 및 수혈의존성 베타지중해빈혈 치료 가능성을 인정받은 것입니다. 이는 CRISPR 기반 치료제의 인체 사용이 승인된 최초의 사례이자 인류 건강 개선을 목적으로 CRISPR의 잠재력을 실현하는 것과 관련해 역사적인 순간에 해당합니다.

뛰어난 게놈 편집 역량 외에도, CRISPR-Cas 시스템은 암 조기 진단을 비롯한 여러 분야에서 그 효율성이 입증되었습니다. CRISPR 기반 게놈 및 전사체 공학 기술과 RISPR-Cas12a, CRISPR-Cas13a는 암 치료 및 진단을 위한 강력한 감지 도구가 되기 위해 필요한 특성을 갖춘 것으로 보입니다. CRISPR-Cas 기반 바이오감지 시스템은 초기 암의 정밀한 진단이 가능한 새로운 시대를 열어 줍니다.

또한 MIT의 공학자들이 설계한 새로운 비뇨기 생체지표용 나노입자 DNA 암호화 나노센서를 활용하면 간단한 소변 검사를 통해 조기 암 진단이 가능해집니다. 암성 단백질을 감지할 수 있는 이러한 센서는 종양의 유형이나 치료제에 대한 반응 방식도 구별할 수 있습니다.

암의 종말

지난 몇 년간 면역 항암 분야는 엄청나게 성장했습니다. 사이토카인, 백신, 종양 유도 단클론 항체, 면역 관문 억제제와 같이 이미 승인이 된 물질들은 계속해서 그 시장 규모를 늘려 가고 있습니다. TAC01-HER2와 같은 신규 치료제는 현재 임상 시험 단계에 있습니다. 이 고유한 치료제에서 사용하는 자가 T 세포의 경우 제거 대상인 종양 세포의 사람 표피성장인자 수용체 2(HER2)를 인식하는 T세포 항원 커플러(TAC) 수용체를 포함하도록 유전자 조작 단계를 거칩니다. 이러한 기술은 전이성, HER2 양성 고형 종양 치료에 유용하게 활용될 수 있습니다.

또 다른 유망 치료 전략으로는 고형 종양을 대상으로 면역 반응을 강화시키는 백신과 함께 CAR-T 세포를 사용하는 방법이 있습니다. 면역력이 강화되면 인체에서 CAR-T 세포가 죽일 수 없는 다른 종양 항원을 표적으로 삼는 숙주 T 세포를 더 많이 생성하는 데 도움이 됩니다.

주목할 만한 또 다른 동향은 바로 성능이 향상된 효과적인 개인 맞춤 치료제의 개발입니다. 예를 들어, 최근 개발된 우리딘 mRNA 리포플렉스 나노입자 기반의 개인 맞춤 RNA 신생항원 백신의 경우 췌장관 선암종(PDAC) 치료 효과가 있는 것으로 나타났습니다. 면역 항암 분야의 주요 과제로는 치료 내성, 예측 가능한 생체지표 부족, 종양 불균질성 등이 있습니다. 따라서 앞으로 새로운 치료 전략을 고안하는 데 초점을 맞춰 연구를 진행할 수 있습니다.

에너지 탈탄소화

현재 생산 에너지를 탈탄소화할 목적으로 많은 투자를 받아 다수의 기술이 개발되고 있는데, 2024년에는 화석 연료 기반 에너지원을 CO2 배출량이 0인(또는 아주 적은) 에너지원으로 대체할 예정입니다.

이러한 기술 중 하나가 바로 대규모 에너지 저장 장치를 기존의 전력망에 포함시키는 것입니다. 이러한 기술은 재생 가능한 에너지원을 보완하기 위해 추가적인 전기 공급 및 수요를 지원하므로 재생 가능한 에너지원을 사용하는 데 있어 중요한 역할을 합니다. 현재 저장 가능한 에너지의 양과 에너지를 전력망에 전달할 수 있는 속도가 각기 다른 여러 유형의 전력망 규모 저장 장치를 개발 중입니다. 그중 일부는 물리적(플라이휠, 양수 발전, 압축 공기)이고 또 다른 일부는 화학적(전통적 배터리, 플로우 배터리, 슈퍼 커패시터, 수소)이지만, 이 모든 영역을 통틀어 화학 및 소재 개발 연구가 활발하게 진행되고 있습니다. 미국 정부에서는 70억 달러 규모의 프로그램과 인플레이션 감축 법안 관련 세액 공제 혜택을 통해 지역 규모의 수소 허브를 구축할 목적으로 이러한 영역에서의 기술 개발을 권장하고 있습니다.

한편 원자력에 대한 R&D 작업은 2024년에도 활발하게 진행될 예정입니다. 핵분열의 경우, 여러 기업들이 수소를 포함한 화학물질 제조에 사용할 소형 모듈 원자로(SMR)를 개발하고 있습니다. 핵융합로를 개발하려면 물리학과 재료 과학에 대한 기초 연구를 진행해야 합니다. 여기서 주요 과제 중 하나는 융합 플라즈마를 향하는 융합로의 벽에 사용할 수 있는 소재를 찾는 것인데, 지금까지 고엔트로피 합금과 융해 금속과 같은 후보 소재를 발견했습니다.

신경퇴행성 질환

신경퇴행성 질환은 공공 보건 부문에서 큰 관심을 가지고 있는 문제 중 하나이며 전 세계 사망 및 장애의 주요 원인으로 꼽히고 있습니다. 현재 신경퇴행성 질환을 치료할 수 있는 방법은 없지만, 새로운 과학적 발견과 관련 경로를 이해하는 것이 더 나은 환자 치료 결과로 이어질 수 있습니다.

• 알츠하이머병: 두 가지 면역 치료제가 초기 알츠하이머병 환자의 인지 및 기능 저하 속도를 늦추는 것과 관련해 FDA의 승인을 받았습니다. 아두카누맙(애드유헬름®)은 2021년에 신속 승인을 받았으며, 2003년 이후 처음으로 선보이는 알츠하이머병 치료제로 질병의 병태생리를 표적으로 삼아 초기 알츠하이머병 환자의 두뇌 속 베타 아밀로이드 플라크를 줄이는 최초의 치료제입니다. 레카네맙(레켐비®)은 2023년에 정식 승인을 받았으며 최초로 알츠하이머병의 병태생리를 표적으로 삼아 질병의 초기 단계에 있는 성인 환자의 질병 진행 속도를 늦추고 인지 및 기능 저하 속도를 늦추는 임상 효과를 입증한 치료제입니다.
• 파킨슨병: 현재 약물과 뇌심부 자극술 외에 파킨슨병 증상을 치료할 수 있는 새로운 치료법에 대한 연구와 FDA 승인이 이루어지고 있습니다. 비침습적 의료 기기인 Exablate Neuro(2021년 FDA 승인)의 경우 집중 초음파를 두뇌 한쪽에 전달하여 떨림, 팔다리 경직, 이상 운동증과 같은 심각한 증상을 완화시킵니다. 2023년에는 생체지표 알파시누클레인의 검증과 관련해 파킨슨병 연구 분야에 큰 변혁이 있었습니다. 연구원들은 알파시누클레인 시딩 증폭법이라는 도구를 개발하였는데, 이 도구의 경우 파킨슨병 환자와 임상 증상을 보이지 않는 개인의 수액 내 생체지표를 감지합니다.
• 루게릭병(ALS): 지난 2년간 ALS 환자의 질병 진행 속도를 늦추는 것과 관련해 두 가지 약물이 FDA의 승인을 받았습니다. 렐리브리오®는 2022년에 승인을 받았으며 ALS 환자를 대상으로 더 많은 신경세포의 사멸을 방지하거나 사멸 속도를 늦추는 방식으로 작용합니다. 안티센스 올리고뉴클레오타이드인 토퍼센(퀄소디®)은 2023년에 신속 승인 절차를 따라 승인을 받았습니다. 토퍼센은 돌연변이 슈퍼옥시드 디스뮤타아제 1(SOD 1) 유전자에서 생산된 RNA를 표적으로 삼아 독성 SOD1 단백질 생성을 방지합니다. 최근 공개된 돌연변이가 ALS에 미치는 영향에 대한 유전자 연구의 경우 지금도 계속해서 진행되고 있는데, 최근에는 연구원들이 NEK1 유전자 돌연변이와 ALS의 상관성을 발견했습니다. 이러한 발견은 ALS 환자의 미세소관 안정화와 관련해 합리적 치료법의 개발 가능성을 보여 줍니다.