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효소enzyme 자연상태에 적합하도록 되어 있는 효소를 산업적 목적에 적합하도록 변형시키는 효소 요소기술 개발과 새로운 기능을 갖는 ‘기능성 효소’ 개발이 늘어나고 있다.
2013-08-22 16:19:03
이엠생명과학연구원

기능성 효소의 정의

 

 

효소는 생물이 만드는 단백질로서 화학반응을 촉진시키는 촉매이다. 현재까지 알려진 효소의 종류는 약 3,000종이 되며, 그 숫자는 해마다 증가하는 경향을 보이고 있다. 이 가운데 산업적으로 응용이 가능한 효소는 150여종이며, 현재 상업적으로 생산되고 있는 효소는 60여종에 불과하다. 하지만 효소반응이 상온ㆍ상압에서 일어난다는 점과 자연계에 수많은 종류의 유기물질이 존재함은 효소촉매 작용의 힘이 막대함을 대변하며, 향후 효소를 이용한 산업적 응용이 막대해질 것이라는 것을 예측 가능하게 한다.

최근에는 자연상태에 적합하도록 되어 있는 효소를 산업적 목적에 적합하도록 변형시키는 효소 요소기술 개발과 새로운 기능을 갖는 ‘기능성 효소’ 개발이 늘어나고 있다.

 

 

① 효소의 특징

효소가 유기화합물 합성에 촉매로서 사용될 수 있는 가능은 효소의 여러 장점에 기인하고 있는데, 효소의 촉매 효율성은 비슷한 반응조건 하에서의 비효소적(nonenzymatic) 화학반응에 비해, 무려 108~1014배나 되며 기질에 대한 특이성, 광학 활성에 대한 특이성, 화학구조상의 특정부위에 대한 특이성 등의 특성이 있어, 화학 촉매반응에 비해 반응의 선택성이 매우 높다. 그러나 이러한 많은 장점에도 불구하고 효소촉매의 실제 산업적 응용범위가 제한적인 것은 효소를 유기합성 공정의 촉매로 사용할 경우 나타나는 문제점에 기인하고 있다. 즉 단백질의 일종인 효소는 열이나 산, 알카리에 매우 약하며 유기합성에 흔히 사용되고 있는 유기용매 등에 의해 쉽게 변성이나 불활성화가 일어나게 된다. 또한 반응기질이나 생성물에 의해 효소활성이 저해되는 경우가 많아 기질 또는 생성물의 농도를 증가시키는데 제한을 받음으로서 화학공정에 비해 상대적으로 희석되게 되며, 효소를 이용한 합성반응에서는 많은 경우 ATP나 NAD와 같은 조효소를 필요로 하여 공정이 복잡하게 되고 경제성을 낮추는 한 요인이 되고 있다. 이외에도 효소의 기질 특이성이, 경우에 따라서는 제한된 기질의 사용만을 허용하기 때문에 유사한 구조를 갖는 저렴한 반응기질의 사용 등에 제한적 요소가 되기도 한다.

효소촉매의 장?단점 요약

장 점

단 점

• 광범위하고 다양한 유기반응 촉매

• 기질에 따라 선택적임

• 광학활성(enantioselective) 보유

• 특정부위 반응성

(regiospecificity)

• 상온, 상압조건(mild conditions)

하에서 효율적임

• 강산성, 고온 상태에서 불활성화

• 대부분의 유기용매에서 제한된 활성 지님

• 소기의 활성을 위해 조효소

(cofactors) 소요

• 제품 및 기질의 영향에 민감

• 효소의 가격이 비교적 고가임

 

 

⇒ 최근에는 효소 촉매 자체를 종전의 천연형 효소 사용에서 산업적 목적 등에 부합되게 인위적으로 변형시킨 효소로 전환시키고자 하고 있으며 특히 화학합성에 의해 만들어진 합성효소(syntheticenzyme)나 단일항체 기술을 응용한 촉매항체(catalytic antibody)는 기존의 천연효소의 변형이 아닌 인위적인 생체효소의 창출이라는 면에서 특기할 만하다. 이러한 변형 또는 인공 합성된 효소를 xenozyme이라고 부르기도 하는데 최근의 단백질 공학기술의 발전으로 효소의 구조와 기능간의 관계가 점차 밝혀지고 있어 머지않아 실용화가 될 것으로 전망되고 있다. 또한 효소 특성의 traditional dogma로 자리를 굳혔던 유기용매, 열 등에 대한 불활성화 개념도 수정이 요구되고 있으며 특히 비수계 효소 반응시스템의 개념정립 및 유기용매 존재시 반응평형의 이동을 이용한 가수분해 효소에 의한 유기합성 반응은 산업적으로도 매우 중요한 것으로 평가되어지고 있다.

 

 

② 효소 산업의 발전 전망

효소 기술 분야 산업분야간의 통합 및 환경친화적 공정이 각광받는 각종 규제들의 출현으로 말미암아 산업효소(industrial enzymes) 시장이 확대되고 있다.

「프로스트 앤 설리반」의 최근의 전략연구보고서 '미국의 상업효소 시장'에 따르면 1998년의 효소시장 규모는 거의 4억 달러에 달했다. 여기에서 상업용 효소(commercial enzymes)란 대규모의 상업적 제품의 생산에 사용되는 효소를 의미한다. 보고서는 시장현황을 각 효소의 단백질 화학적 유형에 따라 프로테아제(protease), 카보하이드라제(carbohydrase), 리파제(lipase), 그 밖의 특수 효소로 나누고 있다.

산업효소시장의 성장 분야는 효소의 주요시장인 세제 및 식품 분야이고 동물사료, 의약품, 제과 업계에서의 응용 개발을 들 수 있다. 생물학적 환경처리(bio-remediation)와 펄프 및 제지업에의 응용도 주요 성장분야이다. 현재 가장 빠른 성장세를 나타내는 효소들은 셀룰라아제(cellulase), 카탈라제(catalase), 옥시도-리덕타제(oxido-reductase) 및 피타제(phyta -se)이다. 산업효소시장의 초점은 효소로 개질된 기능성 물질에 대한 늘어나는 수요와 효소 개발에 도움을 주는 새로운 단백질공학의 발전에 따라 통상적 효소로부터 특허기술에 의한 기능효소들로 옮아가고 있다. 




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