주목해야 할 녹색 화학 트렌드: CAS Insights 웨비나 하이라이트
전 세계 정부는 환경 및 보건 목표를 달성하기 위해 특정 물질의 사용을 제한하거나 금지하고 있습니다. 과학자들은 점점 더 복잡해지는 지속가능성 과제를 해결하는 동시에 더 빠르게 성과를 내야 한다는 압박을 받고 있습니다. 최근 열린 CAS Insights 웨비나에서는 업계 리더와 교육자들이 모여 녹색 과학 트렌드가 과학 분야 전반의 연구 개발을 어떻게 재편하고 있는지 논의했습니다.
이번 웨비나인 주목해야 할 녹색 화학 트렌드: CAS Insights 웨비나 하이라이트에서는 Amy Cannon 박사(Beyond Benign 공동 창립자 겸 상임 이사), Dan Bailey(다케다 제약 수석 과학 연구원), Leighton Jones(CAS 재료 부문 수석 정보 과학자)가 메카노케미스트리, 수계 반응, 인공지능이 어떻게 전통적인 화학 공정을 변화시키고 중요한 지속가능성 지표를 해결하고 있는지 논의했습니다.
교육이 이끄는 녹색 화학 혁신
녹색 화학 분야의 창시자 중 한 명인 John Warner 박사와 Cannon이 공동 창립한 Beyond Benign은 화학자 교육 방식과 지속가능한 화학 제품을 만드는 데 필요한 기술 사이의 격차를 줄이기 위해 노력하고 있습니다. Cannon은 화학 과학 졸업생의 약 85%가 산업계로 진출하지만, 많은 이들이 필수 역량을 갖추지 못했다고 지적했습니다.
Beyond Benign이 조사한 업계 전문가들은 녹색 화학 기술을 갖춘 과학자를 채용하는 데 어려움을 겪고 있다고 답했습니다. 필요한 역량 목록에는 전과정 평가(LCA), 기술경제성 평가, 독성학, 연구 환경에서 녹색 화학 원칙을 적용하는 방법 등이 포함됩니다.
이 단체의 '녹색 화학 서약(Green Chemistry Commitment)' 프로그램은 전 세계 260개 이상의 대학으로 확대되었습니다. 이 프로그램은 최근 참여 기관들의 공동 노력을 인정받아 영국 왕립화학회(Royal Society of Chemistry)의 '호라이즌 교육상(Horizon Prize for Education)'을 수상했습니다. Beyond Benign은 또한 ACS 녹색 화학 연구소와 공동 제작한 '녹색 화학 교육 및 학습 커뮤니티' 플랫폼을 통해 오픈 액세스 리소스를 제공합니다.
Cannon은 녹색 화학이 별개의 학문이 아니라 패러다임의 전환을 의미한다고 강조했습니다. 변화를 위해서는 이미 과중한 업무에 시달리는 교육자들의 전문성 개발과 시간, 자원이 필요하기 때문에 이는 어려운 과제입니다.
설계 단계부터 고려하는 지속가능성으로 제약 분야의 환경 영향 최소화
브라운 대학교에서 화학과 인류학 학사 학위를 받은 Bailey는 다케다 제약의 '설계 단계부터 고려하는 지속가능성(Sustainability by Design)' 프로그램을 이끌고 있습니다. 이 프로그램은 제품 수명 주기 동안 발생하는 환경 영향의 약 80%가 결정되는 제품 설계 단계에서 환경 영향을 최소화하는 데 중점을 둡니다.
"제약 산업은 규제가 매우 엄격한 분야이기 때문에 이러한 사실이 더욱 크게 작용합니다. 보건 당국의 승인을 받은 후에는 제품이나 제조 방식을 변경하기가 매우 어렵기 때문입니다."라고 Bailey는 설명했습니다. 보건 당국이 의약품을 승인하면 변경 사항을 적용하기 위해 여러 국가에서 자원 집약적인 규제 승인 절차를 거쳐야 하며, 이로 인해 의약품의 15~20년 수명 주기 동안 환경 영향이 고착화됩니다.
다케다 제약은 2035년까지 운영 및 시설의 탄소 중립을 달성하고, 2040년까지 전체 가치 사슬에서 탄소 중립을 달성하겠다는 야심 찬 환경 목표를 세웠습니다. '설계 단계부터 고려하는 지속가능성' 프로그램은 유효 성분, 제형, 포장, 의료 기기를 종합적으로 검토하여 이러한 기업 목표를 개별 의약품에 대한 실행 가능한 전략으로 전환합니다.
전과정 평가(LCA)는 팀이 자원 추출부터 제조, 유통, 환자 사용, 폐기에 이르기까지의 환경 영향을 이해하도록 돕습니다. Bailey의 팀은 의약품 유형마다 환경에 미치는 주요 요인이 다르다는 사실을 발견했습니다. 합성 분자 의약품의 경우 제조 공정에 사용되는 재료가 가장 큰 비중을 차지합니다. 업계 벤치마킹 결과에 따르면 유효 성분 1kg을 생산하는 데 평균 182kg의 재료가 필요하며, 이는 투입량의 1% 미만이 제품이 되고 99%는 폐기물이 된다는 것을 의미합니다. 합성 분자 공정에서 발생하는 폐기물 질량의 약 60%는 용매가 차지합니다.
세포 배양 바이오 공정을 통해 제조되는 바이오 의약품은 각기 다른 패턴을 보입니다. 클린룸 환경을 유지하는 생산 시설의 에너지 소비가 탄소 발자국의 대부분을 차지합니다. 바이오 의약품은 제품 1kg당 약 7,500kg의 원료가 투입되는데, 그중 약 95%는 물입니다.
기계화학 및 수계 화학, 기존 관행에 도전하다
두 패널 모두 기계화학(mechanochemistry)과 수계/수면 화학(in-water/on-water chemistry)을 화학 반응이 일어나는 방식에 대한 근본적인 가정에 도전한다는 점에서 흥미로운 녹색 과학 트렌드로 꼽았습니다. 캐논은 "지난 몇 년간 제가 느낀 가장 큰 오해 중 하나는 많은 이들이 녹색 화학이 자신의 업무와 어떻게 연결되는지 보지 못하거나, 자신의 업무와 무관하다고 생각한다는 점입니다"라고 말하며, 녹색 화학이 모든 하위 분야에 어떻게 적용되는지 강조했습니다.
베일리는 다케다(Takeda)가 약 8년 전부터 수계 화학을 연구해 왔으며, 이러한 접근 방식을 구현하는 데 상당한 진전을 이루었다고 언급했습니다. 그는 "유기 용매는 제품 생산 과정에서 우리가 직면한 가장 큰 문제 중 하나입니다. 따라서 유기 용매 사용을 줄이기 위해 할 수 있는 모든 노력은 매우 큰 영향을 미칠 수 있습니다"라고 설명했습니다. 수계 화학은 주로 유기 용매를 물로 대체하면서 유사한 공정을 유지하기 때문에 기존 장비에 쉽게 적용할 수 있습니다.
기계화학은 제약 회사들이 운영 경험이 부족할 수 있는 다른 유형의 장비를 필요로 합니다. 기계화학 공정을 확장하는 가장 안전한 방법에 대해서는 여전히 의문이 남아 있지만, 압출기 및 연속 비드 밀을 활용한 연구는 가능성을 보여주고 있습니다. 이러한 어려움에도 불구하고 다케다는 기계화학이 유기 용매 소비를 줄일 수 있는 상당한 잠재력을 가지고 있기 때문에 관련 파트너십을 유지하고 있습니다.
캐논은 이러한 트렌드가 기존 관행에 대한 근본적인 의문을 제기하는 것임을 강조했습니다. 그녀는 신시내티 대학교의 제임스 맥(James Mack)의 연구를 언급하며, 화학자들이 특정 제약 내에서 훈련받고 주로 원료를 용매에 녹이는 법을 배운다는 점을 지적했습니다. 그녀는 "이 분야의 모든 과학자들은 이를 바라보며 '정말 용매가 필요한가? 다른 방식으로 물질을 반응시킬 수는 없을까? 어떤 다른 형태의 에너지가 있을까?'라고 묻고 있습니다. 바로 그때 혁신이 일어난다고 생각합니다"라고 말했습니다.
AI, 지속 가능한 개발을 가속화하다
다케다는 지속 가능한 공정 개발의 여러 측면에서 AI를 성공적으로 구현했습니다. 베일리는 베이지안 최적화 도구(Bayesian optimizers)가 중/고처리량 스크리닝과 결합하여 팀이 최적의 반응 조건을 신속하게 파악하도록 돕는 방식을 설명했습니다. AI 기반 분석 방법은 흥미로운 결과를 낳았는데, 그중 하나는 MIT 연구팀과 협력하여 카메라와 레이저만으로 분말의 입자 크기 분포를 측정하는 머신러닝 모델입니다.
베일리와 캐논은 예측 독성학(predictive toxicology)이 AI가 녹색 화학 커뮤니티에서 주목받는 분야라고 강조했습니다. 화학자들은 일반적으로 독성학 교육이 부족하지만, 이러한 지식은 분자 설계에 매우 중요합니다. 그들은 대규모 제조로 이어질 수 있는 물질 선택 결정에 있어 이러한 지식의 중요성을 강조했습니다.
지속 가능한 화학 기업을 향한 행동
두 패널은 마지막으로 화학 분야의 모든 종사자가 자신의 업무가 환경 지속 가능성에 어떤 영향을 미치는지 고민해 볼 것을 당부했습니다. 베일리는 현재의 환경적 과제를 인정하면서도 혁신을 위한 흥미로운 기회를 강조했습니다. 캐논은 이에 동의하며 "중요한 것은 여러분이 취할 수 있는 행동을 찾는 것입니다. 우리에게는 이 분야에서의 도전이 필요하며, 여러분의 참여도 필요합니다"라고 덧붙였습니다.
이번 웨비나는 녹색 과학 트렌드가 실험실 기술에서 기업 전략, 교실 교육에서 규제 준수에 이르기까지 어떻게 확장되는지를 보여주었습니다. 캐논이 언급했듯이, 중심 과학으로서의 화학은 다른 많은 분야에 영향을 미칠 수 있는 엄청난 잠재력을 가지고 있으며, 이러한 책임을 더 온전히 받아들이는 것이 지속 가능성 운동을 크게 발전시킬 것입니다.
웨비나 전체 영상 보기
패널들의 더 많은 통찰력을 확인하려면 전체 웨비나 녹화본을 시청하세요. 녹색 과학 트렌드가 과학 전반의 연구 개발을 어떻게 변화시키고 있는지 더 깊이 이해하게 될 것입니다.
