합성 생물학은 기후 변화를 해결할 수 있을까?

생명공학과 기후 위기, 낯선 조합에서 시작된 가능성

기후 변화는 더 이상 미래의 위협이 아니다. 해수면 상승, 폭염, 산불, 식량 위기 등 이미 현실이 된 문제들은 전 세계가 공동으로 풀어야 할 과제로 자리잡고 있다. 이 위기를 해결하기 위해 에너지 전환, 자원 순환, 산업구조 개편 등의 기술들이 논의되고 있지만, 최근에는 합성 생물학(Synthetic Biology)이라는 새로운 접근 방식이 주목받고 있다.

합성 생물학은 생명체를 구성하는 유전 요소를 분석하고 재조립하여, 자연에는 존재하지 않는 새로운 기능을 가진 생명 시스템을 설계하는 과학 기술이다. 이 분야는 단순한 유전자 조작을 넘어, DNA를 하나의 프로그래밍 언어처럼 활용하여 세포 내에서 조건에 따라 반응하는 생물학적 회로를 구성한다. 이러한 DNA 프로그래밍 기술은 기존 공학기술로는 구현하기 어려운 정밀하고 자율적인 환경 반응 시스템을 만들 수 있게 해준다. 그 결과, 이제 과학자들은 미생물과 식물을 활용해 이산화탄소를 흡수하고, 유해 물질을 분해하며, 생태계를 복원할 수 있는 ‘생명 기반 솔루션’을 현실화하기 시작했다.

DNA 프로그래밍으로 탄소를 다시 생각하다

탄소 배출은 기후 변화의 핵심 원인 중 하나다. 산업 활동과 화석연료 사용으로 배출되는 이산화탄소(CO₂)는 대기 중에 축적되며 온실효과를 유발한다. 이 문제를 해결하기 위한 기술로 ‘탄소 포집 및 저장(Carbon Capture and Storage)’이 논의되어 왔지만, 공정 비용과 에너지 소모가 크다는 한계가 존재한다. 이 지점에서 합성 생물학이 설계한 생명체들이 새로운 대안이 될 수 있다.

DNA 프로그래밍을 통해 과학자들은 이산화탄소를 흡수하여 탄수화물, 지방산, 플라스틱 대체물질 등으로 전환하는 미생물 시스템을 개발하고 있다. 예를 들어, 특정 박테리아는 광합성과 유사한 메커니즘으로 CO₂를 흡수하고, 내부 회로를 통해 이를 생분해성 물질로 전환하는 방식으로 작동한다. 이러한 박테리아는 발전소의 배기가스 배출구 근처에 설치하거나, 대규모 양식 시스템으로 운용할 수 있으며, 지속적으로 탄소를 고정하는 살아있는 공장처럼 작동한다.

무엇보다 이러한 시스템은 자연 생태계의 탄소 순환 흐름에 맞춰 설계되기 때문에, 생태적 부담을 최소화하면서 실질적인 탄소 중립에 기여할 수 있는 지속 가능한 방식으로 평가된다. 기존 기술이 탄소를 단순히 저장하거나 제거하는 데 초점을 맞췄다면, 합성 생물학은 탄소를 자원화하는 전략적 접근으로 차별화되고 있다.

오염된 환경을 다시 살리는 합성 생물학의 응용 가능성

기후 변화는 단순한 온도 상승만의 문제가 아니다. 생태계 파괴, 토양 산성화, 해양 오염 등 다양한 환경 문제와 얽혀 있다. 특히 플라스틱, 중금속, 질소산화물과 같은 인공 오염물질은 자연 생물에 의해 분해되기 어렵고, 시간이 지날수록 축적되어 생태계를 파괴한다. 이 문제를 해결하기 위해 과학자들은 DNA 프로그래밍을 기반으로 특정 오염물질에 반응하는 유전자 회로를 삽입한 생명체를 설계하고 있다.

이러한 생명체는 오염 물질을 감지하면, 해당 물질을 무독성 물질로 전환하는 효소를 생산하거나, 주변 환경의 pH나 온도를 조절하는 방식으로 생태계 균형을 회복하는 데 기여할 수 있다. 특히 토양 복원 미생물이나 기름 유출 지역에서 활용 가능한 해양 정화 미생물은 실험실 단계에서 이미 성공적으로 검증되었고, 일부는 필드 테스트로 확대되고 있다.

더 나아가, 이러한 DNA 기반 생명체는 일정 시간이 지나면 스스로 분해되거나, 특정 조건이 사라지면 활동을 멈추도록 설계할 수 있어 자연 생태계에 장기적인 영향을 남기지 않도록 하는 안전장치도 함께 구축된다. 즉, 합성 생물학은 ‘지속 가능한 복원력’을 갖춘 생물학적 솔루션으로, 단순히 환경을 복구하는 것을 넘어 새로운 형태의 생태계 설계 기술로 발전하고 있다.

미래 산업을 바꾸는 ‘탄소 활용 생물공장’의 등장

기후 변화 해결을 위한 기술은 에너지, 건설, 식품, 섬유 등 여러 산업에 걸쳐 영향을 미친다. 이 과정에서 합성 생물학은 기존 산업의 패러다임 자체를 바꾸는 기술로 자리 잡고 있다. 가장 대표적인 예는 이산화탄소를 원료로 활용해 고부가가치 생물소재를 생산하는 미생물 공정 시스템이다.

이러한 시스템은 DNA 프로그래밍을 통해, CO₂나 메탄 같은 기체를 생물체가 섭취하고, 이를 다양한 산업 자원(예: 생분해 플라스틱, 바이오 연료, 의약물질 전구체 등)으로 전환하도록 설계된다. 이 과정은 전통적인 화학 공정보다 에너지를 덜 소모하고, 부산물도 환경에 해가 되지 않는다는 장점이 있다. 특히 식량 문제 해결을 위한 탄소 기반 단백질 생산 미생물, 인공광합성 기반 세포 공장, 해양 이산화탄소를 정화하는 플랑크톤 회로 등의 연구는 이미 산업적 가능성을 갖춘 단계로 발전 중이다.

궁극적으로 이 방향은 ‘기후 변화 대응’을 넘어서, 탄소 기반 자원 순환 사회로 전환하기 위한 핵심 기술 축이 될 수 있다. 기존 산업은 온실가스를 배출하는 구조였다면, 합성 생물학 기반 산업은 온실가스를 흡수하면서 자원을 생산하는 구조로 전환되는 셈이다. 이는 기술 혁신과 환경 대응이 동시에 가능한 ‘생물 산업혁명’이라 불릴 만한 변화다.

생명으로 환경을 설계하는 시대가 시작된다

기후 변화 대응은 단지 기술 하나로 해결될 수 있는 문제가 아니다. 그러나 DNA 프로그래밍과 합성 생물학은 그 해답을 생명체 내부에서 찾는다. 자연의 메커니즘을 그대로 흉내 내는 것이 아니라, 자연의 한계를 넘어서는 기능을 가진 생명체를 설계하고, 이를 통해 환경을 능동적으로 복원하고 균형 잡는 방식은 이전까지의 기술과는 본질적으로 다르다.

이제 우리는 생명을 ‘보존’하는 것을 넘어서, 환경 문제 해결을 위한 설계 재료로 활용할 수 있게 되었다. 생명체는 에너지를 스스로 공급받고, 복잡한 조건에서 자율적으로 반응하며, 환경과 지속적으로 상호작용할 수 있는 유일한 시스템이다. DNA 프로그래밍은 이러한 생명 시스템을 논리적으로 구성하고, 프로토콜화하며, 제어 가능한 형태로 바꾸는 열쇠가 된다.

앞으로 탄소중립, 환경복원, 자원순환은 더 이상 화학공학만의 영역이 아닐 것이다. 세포 단위에서 반응하고, 유전자 단위에서 판단하며, 생태계 단위에서 작동하는 ‘지능형 생명 기반 기술’이 주류로 떠오르게 될 것이다. 그리고 그 중심에는, DNA라는 생명의 언어를 설계 도구로 전환한 합성 생물학이 존재하게 될 것이다.