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효소enzyme 화학공업용 효소에 대해 알아보자
2013-08-22 16:20:06
이엠생명과학연구원

화학공업용 효소

 

 

효소는 생체내의 생화학 반응을 촉진시키는 촉매이다. 효소반응이 상온?상압에서 일어난다는 점과 자연계에 수많은 종류의 유기물질이 존재함은 효소촉매 작용의 힘이 막대함을 대변한다. 효소가 유기화합물 합성에 촉매로서 사용될 수 있는 가능은 효소의 여러 장점에 기인하고 있는데 효소의 촉매 효율성은 비슷한 반응조건하에서의 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 여러 가지의 문제점들 때문에 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 많기 때문에 반응기질 또는 생성물의 농도를 증가시키는데 제한을 받음으로서 화학공정에 비해 상대적으로 희석된 상태에서 반응하게 되며, 또한 효소를 이용한 합성반응에서는 많은 경우 ATP나 NAD 와 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.

그러나 최근 유전공학, 단백질공학 및 효소화학 등 기초 학문분야의 눈부신 발전과 생물공정 분야의 기술개발로 이러한 문제점들을 크게 개선시킬 수 있을 것으로 전망되고 있어 효소공학 분야의 응용가능성이 새로운 각도에서 재조명되고 있다. 특히 자연상태에 적합하도록 되어 있는 효소를 산업적 목적에 적합하도록 변형시키는 효소의 새로운 신기능 개발과 비수용성(non-aqueous) 효소반응기 기술개발 등 효소기능의 활용기술개발은 효소 촉매의 이용에 혁신적인 변혁을 가져올 것으로 기대되고 있어 주목되고 있다.

즉 최근까지의 효소반응은 상온?상압등 온화한 조건하에 수용액 상태에서 생체 내에 일어나는 자연반응을 이용하는 것이 거의 대부분이었으나 최근 1980년대에 들어서 기존의 효소반응의 개념을 벗어난 인위적, 비자연적 상태에서의 효소반응에 대해 연구한 결과 새로운 효소 반응의 특성이 밝혀지면서 종래의 효소 촉매반응과 구별되는 nontraditional biocatalysis의 개효소촉매의 장단점

 

 

개발된 시기별 생물촉매의 특장점 비교

구 분

근대 효소

최근개발 효소

생물촉매

반응메디아

반응환경

반응형태

천연효소

수용성 용매

상온조건

정상반응

개조 혹은 합성효소

•효소조작 •인공(합성)효소 •촉매항체

•화학적 개조효소

비수용성 메디아

•유기 biphasic system •미수계 유기단계

•초임계용액

극한상황

•고온 •고압 •극한 pH •높은 염도

비정상 반응

•비천연 기질 •예기치 못한 반응

 

 

⇒ 펩타이드류의 효소적인 생산은 aspartam을 예로 들 수 있는데, 화학적 생산시는 유기용매와 산의 사용으로 잔류성 문제와 생산시 α-,β-form이 생성되어 쓴맛 성분의 β-form을 제거해야 하지만, 효소인 protease을 사용할 시는 α-form만 생산되는 장점과 mild한 조건에서 생산할 수 있는 장점 때문에 Bacillus thermoproteolyticus 가 생산하는 thermolycin을 사용한다. 항생제의 합성은 가장 대표적인 예가 페니실린으로부터 penicillin acylase를 사용하여 6-aminopenicillanic acid (6-APA), cephalosporin C로부터 D-aminoacid oxidase를 이용해서 7-aminocephalosporanic acid (7-ACA)를 생산하는 공정이 개발되었다.

범용화학제재의 효소적인 생산의 대표적인 예는 acrylamide의 생산을 들 수 있는데, 화학적인 방법은 acrylonitrile로부터 구리촉매로 수화시키는 방법을 사용하는데, 효소법은 nitrile hydratase을 이용 직접적으로 생산하는 방법을 개발하였다. 효소의 유기화학합성의 응용은 비수계에서 효소가 역반응인 합성이 가능한 원리를 이용하여 유기화학합성에 중요한 단위체인 block나 광학활성 단위물을 생산하는 공정을 개발하고 있는데, 주로 사용하는 효소는 lipase, aldolase, alcohol dehydrogenase를 사용하고 있다.

 




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