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효소enzyme 효소공학 분야로는의 생물 반응기
2013-08-22 16:09:29
이엠생명과학연구원

효소공학 분야로는의 생물 반응기

 

유기용매상의 효소반응
- 단백질 공학
- Cell-free 단백질 합성등이 있다. 이제까지의 효소반응은 효소가 수용성임을 고려할 때 물에 잘 녹는 기질에만 적용이 가능했다. 즉 수용성-수용성 액체반응에만 활용이 되었었다. 그러나 많은 기질이 물에 녹지 않음을 생각할 때 모든 효소가 유기 용매상에서 활성과 안정성을 갖는다면 그응용범위는 훨씬 넓어질 것이다. 단백질 공학도 마찬가지 맥락에서이해할 수 있다. Cell-free 단백질 합성은 생체내에서 일어나는 단백질 대사과정을 in-vitro에서 실현해 보자는 노력으로 연구가 활발히 행되고 있으며 효소반응을 산업적으로 잘 이용하기 위해서는 생물반응에 에너지원으로 쓰이는 ATP, NADP 등이 아주 싼 값으로 공급되도록 이에 대한 연구가 선행되어야 할 것으로 보인다.

 

? 미생물 반응기
미생물반응기는 생물반응기로 불리기보다는 발효기(fermentor)로 불리는 교반반응조가 주종을 이룬다. 에너지 절약과 low-shear형으로 air-lift형 반응기가 산업적으로 활용되고 있지만, 아직도 90% 이상의 발효기가 교반형이다. 미생물배양에 생물반응기라고 불리는 것은현재의 반응기의 운전양식이 대부분 회분식인데 비해 효소 반응기의경우처럼 연속 고효율화의 개념이 포함되어 있다고 해야 할 것이다.따라서 효소 반응기처럼 균체의 고정화라든가 혹은 막을 이용한 고농도 연속배양방법 같은 것을 생각해 볼 수 있다.유전공학시대 이후 미국의 생물화학전공자들은 초기에초기에는 고 생산성생물반응기 연구에, 최근 와서는 대사경로의 최적화를 통한 생산물의 최적화에 주력하고 있다. 즉 integrated approach를 취하고 있다.

미생물반응기 분야에서 고농도를 얻기 위한 방법으로는
- 세포 고정화
- 세포 재순환

의 두가지 방법이 있으며 세포재순환 방법으로는
- 침전
- 원심분리
- 실관반응기
- 내부 필터


세포가 살아 있어 고정화를 하더라도 계속 자라 담체가 부스러지는 경우가 있다. 고정화세포에서 더욱 큰 문제는 고정화 담체내까지 산소전달이 용이하지 않다는 점이다. 산소의 용해도가 불과 8mg/L에 불과해 포도당의 농도가 통상 100g/L인 것에 비하며 호기성발효는 고정화 담체로는 불가능하다는 결론이 나온다. 세포 재순환의 경우도 마찬가지이다. 즉 충분한 산소의 공급 없이는 고농도로 호기성 발효를 하는 것은 불가능하다는 결론이 쉽게 유도된다.


- 혐기성 발효 --------- 고정화 세포재순환
- 호기성 발효 --------- 세포 재순환

호기성 발효를 하는 균체를 고정화하더라도 산소가 잘 공급되는 부분에만 균체가 자랄 뿐이다. 다공성 폴리프로필렌 hollow fiber의 외부에 실리콘막으로 이중실관을 만들고 외부로부터 산소전달을 용이하게 한 이중실관 반응기(dual hollow fiber bioreactor)는 산소전달에 소요되는 동력비가 없어 궁극적으로 지향하는 반응기의 형태라고할 수 있다. 그러나 현재 이용가능한 폴리머 막은 너무 유연해 대형반응기로 스케일-업 할 수 없는 단점이 있다.현재의 산업발효공정은 거의 대부분이 유가배양식(fed-batch)으로
이루어지고 있기 때문에 연속 발효의 개념이 잘 적립되지 않고 있다. 그러나 최근 알콜발효에서 6~8개의 반응조를 연결한 연속발효가산업적으로 시행되고 있고 당밀로 알콜을 만드는 경우는 효모를 원심분리기로 분리해내는 방법이 실용화되어 있다. 효모의 경우 균체가 커서 원심분리가 용이하지만 대장균 같이 균체가 작은 박테리아의 경우는 원심분리가 잘 적용되지 않는다. 이러한 문제를 해결하기위하여 등장한 것이 hollow fiber를 이용한 고농도 세포배양인데 고농도 세포배양은 가능하지만 외부에 정착된 hollow fiber를 통하여우리가 원하는 dilution rate를 얻으려면 막 면적을 크게 하던지 아니면 외부순환 속도를 빠르게 하여 flux를 크게 하는 수 밖에 없다. 가장 최근에 개발된 내부필터형 반응기는 이러한 단점을 거의 다 해결하고 있어 그 성과가 기대되고 있다.

 

? 동물세포 배양기
동물세포 배양기는 배양하고자 하는 세포주의 특성과 생산물의 종류에 따라 적절하게 선택되거나 개발되어야 하는데 그 중에서도 세포주의 특성은 반응기를 결정하는 데 있어서 가장 기본적인 기준이 된다. 즉, 세포가 증식할 때 붙어서 자랄 수 있는 표면을 필요로 하는섬유아세포 같은 부착성 세포인가 그렇지 않고 하이브리도마 같은부유성 세포인가에 따라 현재까지 반응기가 연구 개발되어 왔다. 현재까지 알려진 동물세포 배양기에는 부착성 세포의 경우에 rollerbottle, 미립담체, 충진층, 막반응기 등이 있으며, 부유성 세포반응기에는 STR, air-lift, spin filter, 세라믹 matrix에 고정화하는 방법, 그리고 hollow fiber 등이 주로 주로 이용되고 연구되어 왔다. 산업적으로는 현재 대부분 부착성 세포 배양에는 scale-up이 비교적 쉬운미립담체를 이용한 STR 조업이나 roller bottle이 주종을 이루고 있으며, 부유성 세포 배양에는 대부분 STR에 몇가지 특수한 impeller설계를 가하여 조업하고 있는 실정이다. 최근에는 이들 세포주의 특성을 모두 살릴 수 있는 반응기의 개발에 주력하고 있으며, 부착성과 부유성 세포를 동시에 배양할 수 있는 반응기 몇가지가 연구개발단계에 있다. 예를 들어 폴리에틸렌 disk 충진층에 세포를 부착하거나 고정화하여 배양하는 방법이나, 기타 폴리스타이렌, 폴리우레탄등 여러가지 고분자 재료 또는 유리섬유 등의 섬유재질을 이용하여충진층 반응기의 형태로 조업을 시도하여 좋은 결과를 많이 얻고 있다. 반응기의 조업방식으로는 동물세포 배양에서 주로 어렵다고 여겨지던 유가식 배양이 on-line HPLC 등의 기술이 발전함에 따라 가능하게 되었으며, 각광을 받는 조업형태가 될 것으로 기대된다. 앞으
로의 동물세포 반응기는 고부가가치의 의약품 생산에 주로 쓰이게 될것으로 기대되기 때문에 회분식 반응기처럼 생산물에 따른 높은 적응력과 균일한 생산물의 품질, 또 쉬운 조업 등에 촛점을 맞추어많은 연구가 진행될 것으로 예상된다.

? 기타
이외에도 쥐, 염소, 돼지, 소 등의 동물에 유전자를 클로닝하여 원하는 단백질을 생산할 수가 있다. 동물세포 배양이 혈청배지 등 경비가 많이 소요되는 데 비해 동물 자체를 이용하는 경우에는 생산비가 쌀 수도 있다. 문제는 스케일-업인데 생물반응기를 스케일-업 할 경우에는 반응기를 키움으로써 인력이나 경비면에서 많은 절약이 있어생산비가 싸지지만 많은 동물을 키우는 경우 생산비가 비싸질 가능성이 있다. 따라서 소 한 두마리나 돼지 이 삼십마리 정도로 유용물질을 생산하는 경우에는 경제성이 있을 수 있으나 많은 동물의 경우그 경제성이 의문시되고 있다.
식물의 경우는 유전자 조작이 제대로 되기만 하면 대량생산 자체는크게 문제가 없다. 그러나 번식하는 경우 유전적 특성이 보존되지않아 우리가 원하는 물질을 여러 식물개체가 골고루 생산할 지는 의문시되는 형편이다. 현재 생분해성 플라스틱 재료인 PHB(polyhydroxybutyric acid) 등을 식물에서 대량생산하고자 노력이 진행되고 있다.




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