L-테아닌 생전환에서 PPK2 ATP 재생 시스템과 고정화 전략 적용 L-테아닌은 독특한 풍미와 많은 치료 효과를 갖춘 아미노산의 한 종류 로, 식물로부터 추출, 화학 합성, 효소 합성에 의해 생산될 수 있다. 특 히, γ-글루탐일메틸아미드 합성효소 (GMAS)를 이용한 효소적 합성 방 법은 높은 순도의 L-폼, 적은 위험 요소, 빠른 ...
L-테아닌 생전환에서 PPK2 ATP 재생 시스템과 고정화 전략 적용 L-테아닌은 독특한 풍미와 많은 치료 효과를 갖춘 아미노산의 한 종류 로, 식물로부터 추출, 화학 합성, 효소 합성에 의해 생산될 수 있다. 특 히, γ-글루탐일메틸아미드 합성효소 (GMAS)를 이용한 효소적 합성 방 법은 높은 순도의 L-폼, 적은 위험 요소, 빠른 반응 시간 등의 장점이 있어 L-테아닌 생산의 매력적인 대안으로 간주되고 있다. 그러나 GMAS에 의해 촉매되는 L-테아닌 생합성 경로는 고도로 ATP에 의존 적이며, ATP는 고가이며 안정성이 낮아 산업용으로 적합하지 않다고 여 겨진다. 그렇기 때문에 ATP를 직접 사용을 줄이는 전략을 도입할 필요 성이 있다. 폴리인산키나제2 (PPK2)는 폴리인산으로부터 인산기를 ADP로 이동시 킴으로써 ATP를 재생시킬 수 있는 효소이다. 폴리인산은 낮은 가격과 높은 안정성을 갖고 있어, PPK2를 이용한 ATP 재생 시스템은 ATP의 직접적인 사용을 줄일 수 있는 유망한 전략 중 하나이다. 본 연구에서는 GMAS를 통한 L-테아닌 생전환 공정에 PPK2 ATP 재생 시스템을 도 입함으로써 L-테아닌 합성 중 필요한 ATP를 재생 시스템으로부터 공급 받을 수 있는 시스템을 구축하였다. 또한 효소의 재사용성 향상, 재사용 시 촉매와 반응 용액의 쉬운 분리를 위해 고정화 전략을 도입하였다. 알지네이트 구형체로 고정화된 전세포를 생전환 반응에 이용하여 15 mM의 ATP만을 사용하여 L-테아닌 239 mM (41.6 g/L)를 전환율 79.7%로 생산할 수 있었다. 또한, 고정화 후 재사용성이 향상되어 초기 비율과 비교하여 다섯 번째 사이클까지 100%의 상대적 전환율을 유지할 수 있었다. 더욱이, 장기간 보관이 용이하여 초기 변환율과 비교하여 35 일 후에도 71%의 상대적 변환율을 유지할 수 있었다. 본 연구는 L-테아닌의 생합성 과정 중 ATP를 재생하는 시스템을 도입 하고 고정화를 통해 효소의 재사용성을 높임으로써 생전환 과정의 효율 성을 높이는 것에 대한 연구이다. 주제 : L-테아닌, 생전환, GMAS, PPK2, ATP 재생, 고정화.
L-테아닌 생전환에서 PPK2 ATP 재생 시스템과 고정화 전략 적용 L-테아닌은 독특한 풍미와 많은 치료 효과를 갖춘 아미노산의 한 종류 로, 식물로부터 추출, 화학 합성, 효소 합성에 의해 생산될 수 있다. 특 히, γ-글루탐일메틸아미드 합성효소 (GMAS)를 이용한 효소적 합성 방 법은 높은 순도의 L-폼, 적은 위험 요소, 빠른 반응 시간 등의 장점이 있어 L-테아닌 생산의 매력적인 대안으로 간주되고 있다. 그러나 GMAS에 의해 촉매되는 L-테아닌 생합성 경로는 고도로 ATP에 의존 적이며, ATP는 고가이며 안정성이 낮아 산업용으로 적합하지 않다고 여 겨진다. 그렇기 때문에 ATP를 직접 사용을 줄이는 전략을 도입할 필요 성이 있다. 폴리인산키나제2 (PPK2)는 폴리인산으로부터 인산기를 ADP로 이동시 킴으로써 ATP를 재생시킬 수 있는 효소이다. 폴리인산은 낮은 가격과 높은 안정성을 갖고 있어, PPK2를 이용한 ATP 재생 시스템은 ATP의 직접적인 사용을 줄일 수 있는 유망한 전략 중 하나이다. 본 연구에서는 GMAS를 통한 L-테아닌 생전환 공정에 PPK2 ATP 재생 시스템을 도 입함으로써 L-테아닌 합성 중 필요한 ATP를 재생 시스템으로부터 공급 받을 수 있는 시스템을 구축하였다. 또한 효소의 재사용성 향상, 재사용 시 촉매와 반응 용액의 쉬운 분리를 위해 고정화 전략을 도입하였다. 알지네이트 구형체로 고정화된 전세포를 생전환 반응에 이용하여 15 mM의 ATP만을 사용하여 L-테아닌 239 mM (41.6 g/L)를 전환율 79.7%로 생산할 수 있었다. 또한, 고정화 후 재사용성이 향상되어 초기 비율과 비교하여 다섯 번째 사이클까지 100%의 상대적 전환율을 유지할 수 있었다. 더욱이, 장기간 보관이 용이하여 초기 변환율과 비교하여 35 일 후에도 71%의 상대적 변환율을 유지할 수 있었다. 본 연구는 L-테아닌의 생합성 과정 중 ATP를 재생하는 시스템을 도입 하고 고정화를 통해 효소의 재사용성을 높임으로써 생전환 과정의 효율 성을 높이는 것에 대한 연구이다. 주제 : L-테아닌, 생전환, GMAS, PPK2, ATP 재생, 고정화.
L-theanine is a unique amino acid known for its distinctive flavor and numerous therapeutic effects. It can be produced through extraction from plants, chemical synthesis, or enzymatic synthesis. Particularly, the enzymatic synthesis method utilizing γ-glutamylmethylamide synthetase (GMAS) offers ad...
L-theanine is a unique amino acid known for its distinctive flavor and numerous therapeutic effects. It can be produced through extraction from plants, chemical synthesis, or enzymatic synthesis. Particularly, the enzymatic synthesis method utilizing γ-glutamylmethylamide synthetase (GMAS) offers advantages such as high purity in L-form, minimal risk factors, and rapid reaction time, making it an attractive alternative for L-theanine production. However, the enzymatic biosynthesis pathway catalyzed by GMAS is highly dependent on ATP, which is considered unsuitable for industrial use due to its high cost and low stability. Hence, there's a need to introduce strategies to reduce direct ATP usage. Polyphosphate kinase 2 (PPK2) is an enzyme that can regenerate ATP by transferring phosphate groups from polyphosphates to ADP. Polyphosphate is cost-effective and highly stable, thus employing the PPK2 ATP regeneration system presents a promising strategy to reduce direct ATP use. In this study, we integrated the PPK2 ATP regeneration system into the GMAS-mediated L-theanine biosynthesis process, establishing a system where the necessary ATP for L-theanine synthesis is supplied from the regeneration system. Additionally, to enhance enzyme reusability and facilitate easy separation of the catalyst and reaction solution during reuse, an immobilization strategy was implemented. Utilizing alginate-immobilized spherical cells for the bioconversion reaction, we successfully produced 239 mM (41.6 g/L) of L-theanine using only 15 mM of ATP, achieving a conversion rate of 79.7%. Furthermore, the immobilization led to improved enzyme reusability, maintaining 100% relative conversion rate up to the fifth cycle compared to the initial rate. Moreover, it exhibited ease of long-term storage, maintaining 71% relative conversion rate even after 35 days compared to the initial rate. This study focuses on introducing an ATP-regenerating system and enhancing enzyme reusability through immobilization in the biosynthesis process of L-theanine, aiming to improve the efficiency of the bioconversion process. Keyword : L-theanine, Bioconversion, GMAS, PPK2, ATP regeneration, Immobilization.
L-theanine is a unique amino acid known for its distinctive flavor and numerous therapeutic effects. It can be produced through extraction from plants, chemical synthesis, or enzymatic synthesis. Particularly, the enzymatic synthesis method utilizing γ-glutamylmethylamide synthetase (GMAS) offers advantages such as high purity in L-form, minimal risk factors, and rapid reaction time, making it an attractive alternative for L-theanine production. However, the enzymatic biosynthesis pathway catalyzed by GMAS is highly dependent on ATP, which is considered unsuitable for industrial use due to its high cost and low stability. Hence, there's a need to introduce strategies to reduce direct ATP usage. Polyphosphate kinase 2 (PPK2) is an enzyme that can regenerate ATP by transferring phosphate groups from polyphosphates to ADP. Polyphosphate is cost-effective and highly stable, thus employing the PPK2 ATP regeneration system presents a promising strategy to reduce direct ATP use. In this study, we integrated the PPK2 ATP regeneration system into the GMAS-mediated L-theanine biosynthesis process, establishing a system where the necessary ATP for L-theanine synthesis is supplied from the regeneration system. Additionally, to enhance enzyme reusability and facilitate easy separation of the catalyst and reaction solution during reuse, an immobilization strategy was implemented. Utilizing alginate-immobilized spherical cells for the bioconversion reaction, we successfully produced 239 mM (41.6 g/L) of L-theanine using only 15 mM of ATP, achieving a conversion rate of 79.7%. Furthermore, the immobilization led to improved enzyme reusability, maintaining 100% relative conversion rate up to the fifth cycle compared to the initial rate. Moreover, it exhibited ease of long-term storage, maintaining 71% relative conversion rate even after 35 days compared to the initial rate. This study focuses on introducing an ATP-regenerating system and enhancing enzyme reusability through immobilization in the biosynthesis process of L-theanine, aiming to improve the efficiency of the bioconversion process. Keyword : L-theanine, Bioconversion, GMAS, PPK2, ATP regeneration, Immobilization.
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