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바이오의약품 생산 실무 경험과 나의 미래 비전

(김동하, 청주대학교 제약바이오메디컬공학과)

1. 서론 

주제 소개: 대학교 4학년이 된 시점에서 취업에 대하여 많은 고민에 빠지게 되었습니다. 가만히 고민하고 있으면 아무런 성과 없이 하계 방학을 지나간다는 생각에 충북바이오 션 홈페이지에서 KBIO에서 진행하는 충북 바이오 전문 인력 양성 교육 정제, 배양 과정을 신청하게 되었습니다. 

참여 동기: 3학년에 처음으로 RIS 사업으로 한국세라믹기술원 실습을 하게 되었는데 처음으로 세포를 배양하고, 정제하여 분석하는 경험을 하면서 바이오의약품 생산에 대해 많은 관 심을 가지게 되었습니다. 한국세라믹기술원에서는 랩 스케일로 배양과 정제를 하였지만 환자에게 처방되는 바이오의약품은 대용량으로 생산하기 때문에 상당히 많은 양으로 배양과 정제가 이루어지며, 이러한 기술은 직접 경험할 수 있는 곳이 없었습니다. 하지만 충북바이오션과 충북혁신플랫폼을 자주 이용하면서 KBIO에서 진행하는 프로그램을 신청하게 되었습니다. 

2. 사업 참여를 통한 개인역량 개발 및 성장 과정 

변화된 나의 모습: 충북 바이오 전문 인력 양성 교육을 참여하기 전에는 Flask에서 계대배양을 통해 up-scale로 GMP 공장에서 Upstream과 Downstream을 통해 의약품을 생산한다는 정도로만 알고 있었습니다. Master Cell Bank(MCB)에서 Working Cell Bank(WCB)를 만들고 WCB를 가지고 Flask에 바이오 의약품을 생산할 때 가장 많이 사용하는 CHO(Chinese Hamster Ovary) cell를 가지고 접종하였습니다. 

그 후 알맞은 계대배양 시기에 맞게 Phase3 에서 up-scale을 하기 위해 bioreactor를 직접 조립하고 Flask에 있는 세포를 biowelder를 이 용하여 bioreactor와 무균적으로 연결하여 접종 후 biosealer로 밀봉하였습니다. 이후 매일 IPC(공정 중 검사)를 통해 실시간으로 세포를 모니터링 하였습니다. 

IPC는 생물공정분석기로 타겟 단백질인 IgG, 세포의 생장에 중요한 Glucose, 이물질인 Lactate를 측정하였고, 세포 영상 분석기를 통해 TCD(전체 세포 밀도), VCD(생존 세포 밀도)를 확인하여 실시간으로 모 니터링을 진행하였습니다. 또한 DO(용존산소량), pH를 측정하여 Bioreactor와 비교하여 값이 다르다면 re-Calibration(재교정)을 통해 세포의 환경을 최적으로 맞추도록 노력했습니다. 

이러한 과정을 통해 Upstream인 배양 과정을 전체적으로 이해하고 그저 세포를 배양하는 것 이 아닌 세포의 생장을 최적으로 맞추기 위해서는 기술과 시간이 필요하다는 것을 알게 되 었습니다. 이후 정제 과정에서는 제가 알고 있는 이론과 지식이 배양보다 부족했으며 어떤 것을 하는 지 모르는 상태에서 교육을 듣게 되었습니다. 처음 이론 과정에서도 강사분들이 설명이 이 해가 안 되었지만, 강사님에게 직접 질문하여 이해하도록 노력했습니다. 

정제 과정은 세포를 배양하여 그 후에 타겟 단백질을 제외하고 나머지 이물질을 제거하는 과정으로 FPLC(Fast Protein Liquid Chromatography)를 가지고 정제를 진행하였습니다. 먼저 1차 정제로는 타겟 단백질과 레진이 친화적으로 작용하여 이물질을 제거하는 Affinity Chromatography를 이용하여 타겟 단백질만 정제한 후 직접 만든 buffer의 pH가 강한 산성 이기 때문에 단백질의 손상이 이루어질 수 있으므로 중화 작업을 통해 단백질을 보관하였 습니다. 

2차 정제 Cation Exchange(CIEX)는 레진이 음전하를 띄기 때문에 레진보다 양전하인 타겟 단백질은 레진에 붙고 나머지 이물질은 레진에 붙지 않게 되는 원리로 정제를 진행하였습니다. 2차 정제를 통해 1차 정제 순도보다 더 높은 순도를 가질 수 있었습니다. 마지막 3차 정제 Anion Exchange(AIEX)를 이용하여 CIEX와 상반된 원리로 타겟 단백질을 정 제할 수 있었습니다. 

1차부터 3차 정제를 통해서 얻은 Elution Pool(EP), Loading Sample(LS), Flow-through(FT)를 가지고 Nano Drop을 통해 IgG의 농도를 확인하고 직접 수율을 계산하 여 얼마나 타겟 단백질이 존재하는지 확인하였습니다. 또한 SDS-PAGE를 통해 타겟 단백질 의 정성 분석을 하였고 3차 정제까지 완료된 타겟 단백질은 UF/DF를 통해 단백질을 농축까 지 진행하면서 정제 과정이 어떻게 진행되고 어디까지 정제의 역할인지 알 수 있었습니다. 

처음에는 정제에 대해서 아무것도 모르는 상태에서 혼자서 FPLC를 통해 단백질을 정제할 수 있는 정도까지 학습할 수 있었습니다. 사업참여 에피소드 및 위기극복 스토리: 배양 과정에서 조를 이루어 직접 bioreactor를 조작 하고 모니터링을 진행하였습니다. 

처음 다루는 기기인 만큼 조작에 어려움과 수식을 이해하 는 데 시간이 꽤 걸렸습니다. Bioreactor에서 가장 중요한 지표인 DO(용존산소량), pH, 산소 주입량, 교반 속도, 온도가 세포를 생장하는데 가장 중요하며 하나라도 잘 못 되면 세포가 죽거나, 무균상태를 유지하지 않으면 세포가 오염되는 일이 발생합니다. 

Bioreactor에 실시 간으로 모니터링을 할 수 있는 그래프가 있는데 이 그래프가 수렴하게 되면 세포가 생장할 수 있는 최적에 조건을 맞춘 것이므로 신중하게 조절해야 했지만, 그래프에 지표가 수렴하 지 않고 크게 움직이는 것을 확인하고 팀원들과 회의를 통해 어떻게 하면 수렴을 할 수 있 을지 하루에도 수십 번 회의 하였습니다. 하지만 일주일 내내 수렴하지 않고 세포의 생장이 다른 조에 비해 낮은 것을 확인하였습니다. 

이렇게 세포의 환경을 최적으로 못 맞추나 싶었 지만 각자 교육이 끝나고 공부하여 서로의 정보를 공유하였습니다. 세포는 생장하기 위해서 많은 산소요구량이 필요함으로써 처음부터 산소 주입량을 많이 주입하여 세포의 환경에 맞 게 조절하여 세포의 생장 환경을 최적으로 맞출 수 있었습니다. 하루 이틀 사이에 세포가 다른 조와 비슷하게 생장하는 것을 확인할 수 있었습니다. 다들 bioreactor의 조작이 처음이 지만 각자 알고 있는 정보를 공유함으로써 위기를 극복할 수 있었습니다. 

정제 과정에서도 마찬가지로 조를 이루어 진행하였습니다. 배양 과정과 비슷하게 FPLC를 처음 들어보고 조작하는 과정에서 실수를 범했습니다. 가장 큰 실수는 FPLC를 진행할 때 LS, FT, EP 세 가지를 Sampling하여 분석해야 되지만 FT를 Sampling하지 않았습니다. 이렇 게 되면 1, 2차 정제에서는 타겟 단백질이 FT로 빠졌다는 것을 확인할 수 없으며, 혹여나 빠져나간다면 타겟 단백질을 얻을 수 없게 됩니다. 

이러한 경험을 통해 실무에서 정제를 진 행하게 되면 어떤 실수가 자주 일어나는지 미리 파악할 수 있었으며 그 후에 정제 과정에 서는 이러한 실수를 다시는 하지 않도록 더욱 주의하면서 실험을 진행할 수 있었습니다. 또한 FPLC로 정제하기 전에는 NaOH로 라인을 먼저 소독하고 Elution buffer와 Wash buffer 를 이용하여 평형화를 진행하여 실시간으로 그래프로 pH와 전도도를 확인하여 평형화를 확 인할 수 있습니다. Elution으로 평형화를 진행하는 과정에서 pH가 Elution과 비슷하게 바뀌 어야 정제를 진행할 수 있지만 충분한 시간이 지났지만 바뀌지 않는 것을 보고 buffer에 문 제가 있다고 판단하여 코니칼 튜브에 sampling하여 pH를 측정하였지만 문제가 없었습니다. 

다음으로 문제가 있다고 판단한 것은 FPLC에 있는 pH 측정기였습니다. 다시 NaOH를 흘리 고 Elution buffer를 흘려서 pH의 변화가 있어 프로그램 문제로 판단하였습니다. 이러한 판 단은 팀원들과 같이 상의하면서 어떤 것이 문제이고 어디부터 잘못 되었는지 논의하여 정확한 판단을 하여 순조롭게 실험을 끝낼 수 있었습니다. 

3. 학습 태도 및 능력의 심화 경험 

사업 참여 이후 변화: 충북 바이오 의약품 전문 인력 양성 교육에 취재로는 GMP 시설에서 어떻게 바이오의약품을 생산하고 관리하는 지를 직접 경험할 수 있을 뿐만 아니라 문제가 발생하면 어떻게 대처하고 어떻게 의약품을 생산하는지 자세히 알 수 있는 경험을 했습니다. 

이러한 경험을 토대로 이번 교육에서 배운 기술과 노하우를 실무에서 어떻게 쓰고, 대처할지 생각할 수 있게 되었습니다. 교육을 듣기 전에 몰랐던 용어나 기기들을 미리 습득 할 수 있었고 이후 면접이나, 실무에서 보다 쉽고 빠르게 적응해 나갈 수 있다고 생각합니 다. 능력 심화 경험: 가장 크게 향상된 점은 CHO cell를 다루는 일이 없었는데 이번 교육을 통 해 CHO cell를 직접 배양하고 모니터링하면서 세포의 환경을 최적으로 맞추는 방법과 직접 Bioreactor를 사용하면서 실무에서 사용하는 기기를 직접 조작할 수 있다는 점에서 실무에서 하는 것을 직접 학습하고 습득할 수 있어 회사에 취업하게 되면 어려움 없이 실무에서 적용할 수 있다고 생각합니다. 

또한 한 번도 보지 못한 FPLC와 같은 기기를 직접 사용하면 서 기기의 원리와 buffer를 제조하여 column과 어떻게 작용하는지 알 수 있었습니다. 이러한 기기와 원리는 학교에서 쉽게 배울 수 없고 경험할 수 없는 기회이므로 실무에서 바로 적용할 수 있게끔 학습하였습니다. 

4. 관계 기관과의 소통 및 협력 경험 

지자체 및 사업단과의 소통 경험: 이번 교육에서는 숙박과 숙식이 제공되어 사업단과의 소통이 가장 중요했던 것 같습니다. 사업단에서 먼저 챙겨주면서 크게 불편한 점이 없었기 때 문에 애로사항은 없었습니다. 그럼에도 불구하고 사업단 분들이 먼저 불편한 점과 필요한 물건에 대해 물어봐 주셔서 더욱 교육에 집중할 수 있었습니다. 

또한 마지막에 수료식에 간담회를 진행하면서 3주간 좋았던 점과 불편한 점을 말하는 시간을 통해 더욱 좋은 환경을 만드는 모습을 보고 이 사업이 계속해서 이어갔으면 하는 마음입니다. 

5. 사업 참여를 통한 성취감과 지역혁신 기여도 

성취감 얻었던 경험: 정제 과정에서 다른 팀보다 FPLC 기기의 조작 미숙으로 인해 항상 다 른 팀들과 다르게 30~60분 늦게 끝났습니다. 그러면서 팀원들은 한 번도 불평불만을 하지 않으면서 팀원들과 더욱 친해질 수 있었고 옆에서 기다려 주시는 강사님과 더욱 친밀해지 면서 다른 팀과는 다르게 하나라도 더 물어 볼 수 있는 기회를 가질 수 있었습니다. 

그렇게 2주가 지나고 3 주차에는 모든 실험을 강사님 도움 없이 팀원들과 처음부터 단백질 정제를 진행하게 되었습니다. 항상 늦게 끝나던 저희 팀은 다른 팀보다 조금 더 일찍 끝날 수 있었 습니다. 그 이유는 다른 조는 그동안 실수 없이 순조롭게 진행하였지만, 저희는 그동안에 실수로 인해 기기가 에러나 공기 센서에 이상이 있으면 어떻게 대처하는지 배우고 경험하 였기 때문에 당황하지 않고 단백질 정제를 진행할 수 있었습니다. 결과적으로 다른 팀보다 더 높은 단백질 수율을 얻을 수 있게 되었으며 조금 늦더라도 꾸준히 하게 되면 좋은 결과가 따른다는 교훈 또한 얻을 수 있었습니다. 

지역혁신 기여도: 먼저 이번 사업은 작년까지만 해도 전국적으로 20명을 뽑았으며 이번 연 도부터 전국적으로 진행하지 않고 충청북도 대학생 중 재학생, 졸업생 한해서 진행하는 것 이 가장 큰 지역사회에 큰 영향을 미쳤다고 생각합니다. 그 이유로는 이번에 참여한 프로그 램에서 지역 내에 재학생, 졸업자, 취준생 대상으로 바이오의약품 생산으로 취업을 준비하는 학생들을 위해서 높은 교육지원금이 따르는 바이오의약품 생산 프로그램과 숙소, 식비를 무상으로 지원해 주시는 충청북도에 기여도를 확인할 수 있었습니다. 

또한 지역 내 인재 양 성을 위해 기존에 이론으로 밖에 배울 수 없는 CHO cell 배양과 FPLC를 통해 정제를 진행 할 수 있는 것 또한 인재 양성에 있어서 좋은 경험 했습니다. 이러한 지역 기여에 의해 앞 으로 충청북도가 제약 바이오산업으로 뛰어난 성과를 이룰 수 있다고 생각합니다. 

6. 미래 포부 및 계획 

미래 포부와 계획: 충북 바이오 전문 인력 양성 교육에 참여한 경험은 미래 목표를 더욱 명 확하게 하는 데 큰 도움을 주었습니다. 바이오의약품 생산과 관련된 실무 경험을 통해 배양 과 정제 과정에서 필요한 세부적인 기술을 학습하고 예기치 않은 문제를 해결하는 능력을 키웠습니다. 이러한 경험은 바이오의약품 생산 산업에서 일할 수 있는 자신감을 주었고 향 후 제 경험을 바이오의약품 생산에서 활용할 수 있다고 생각합니다. 

제 목표는 바이오의약품 생산 과정에서 배양 또는 정제를 담당하는 전문가가 되고 싶습니다. 그러기 위해서는 가 장 먼저 산업 현장 경험이 중요하다고 생각합니다. 제가 이번 프로그램에서 배운 기술을 바 탕으로 취업을 통해 실질적인 현장 경험을 쌓을 계획입니다. 이를 통해 바이오의약품 생산 공정의 이해도를 높이고 바이오의약품 공정에 관한 대학원을 진학하여 새로운 기술과 방법 에 대해 지속적으로 연구하고 이를 현장에 적용하여 보다 효율적이고 안전한 의약품 생산을 실현하고 싶습니다. 

이러한 목표와 계획을 바탕으로 저는 바이오의약품 산업 발전에 기여할 수 있는 인재로 성장하고자 합니다. 

7. 결론: 종합 및 다짐 

종합 요약: 충북 바이오 전문 인력 양성 교육에 참여한 경험은 저에게 바이오의약품 생산과 관련된 실질적인 기술과 지식을 학습할 수 있는 소중한 기회였습니다. 

초기에는 배양과 정 제 과정에 대한 이해도가 부족했지만, 프로그램 참여를 통해 이론과 실무를 겸비한 기술을 익히게 되었으며 특히 CHO cell 배양 및 정제와 관련된 실무 능력을 크게 향상시킬 수 있 었습니다. 또한 여러 차례의 실수가 있었지만 팀원들과 협력하고 문제를 해결하면서 실무적 역량뿐만 아니라 소통과 협력의 중요성도 깨달았습니다. 

이러한 경험을 바탕으로 바이오의 약품 생산에 대한 전문 지식을 쌓을 수 있었고 지역사회에 기여할 수 있는 인재로 성장하 고자 합니다. 향후 다짐: 이번 교육을 통해 얻은 지식과 경험은 취업하는 데 중요한 발판이 되었습니다. 

앞으로 저는 바이오의약품 생산 분야에서 전문성을 더욱 강화하고 새로운 기술을 적극적으 로 배우며 현장에서 직접 적용할 수 있는 능력을 키울 것입니다. 또한 바이오산업의 발전과 지역사회를 위해 지속적으로 노력하며 충북 지역의 바이오가 국내뿐만 아니라 글로벌 경쟁 력을 갖출 수 있도록 기여하고 싶습니다. 이를 위해 끊임없이 학습하고 성장하는 자세로 바 이오의약품 산업을 선도하는 인재가 되도록 노력하겠습니다. 지역사회와 협력하여 지속 가 능한 발전을 이루며 제 꿈과 목표를 실현해 나가겠습니다