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문제 정의
- 효소를 고정화함으로써 효소의 촉매특성이 향상된 사례들이 있으며, 이는 탄산 탈수 효소에서도 나타나고 있다 [7]. 본 연구에서는 다공성 막에 공유결합을 통해 고정화시킨 탄산 탈수 효소가 가지는 이산화탄소의 포집정도, 재활용성, 열 및 저장에 대한 안정성들을 평가하고자 한다.
- 본 연구에서는 다공성 막에 공유결합을 통해 고정화시킨 탄산 탈수 효소가 가지는 이산화탄소의 포집정도, 재활용성, 열 및 저장에 대한 안정성들을 평가하였다. 고정화를 위하여 PEI, GA, BCA의 순서로 표면처리를 수행하였으며, 고정화된 결과는 X선 광전자 분광기를 통해 확인하였다.
- 자유상태의 BCA, PS 미세입자표면에 고정화된 BCA, 그리고 CAPM 세공표면에 고정화된 BCA의 효소활성은 시간에 따른 pH값의 변화를 측정함으로써 연구되었다. 이산화탄소의 수화는 BCA의 활성부위와 이를 둘러싸 주위 사이의 수소양이온 교환을 필요로 한다 [8].
제안 방법
- , Chanhassen, MN, USA)로 확인되었다. PS 미세입자표면에 BCA를 고정화시키기 위하여, 첫 단계로 과망간산칼륨과 황산으로 산화되며 PEI로 처리하는 그 다음 단계부터는 셀룰로스 다공성 막 세공표면에서의 과정과 동일하게 수행되었다. 각각의 경우에 대하여, 브래드포드 방법으로 주입된 BCA와 고정화 되지 못한 BCA의 양이 산출되었다.
- 2는 1 µM BCA, 25℃에서 자유상태의 BCA, PS미세입자에 고정화된 BCA, CAPM에 고정화된 BCA에 대하여 측정된 pH 변화를 나타내고 있다. 각 조건에 따른 pH 값 변화의 차이가 명확하게 들어나는 조건을 고려하여, pH 7에서 측정을 수행하였고 완충용액을 사용하였다. 시간에 따른 pH 값의 변화가 자유상태의 BCA에 대하여 가장 빠르며 CAPM에 고정화된 BCA에 대하여 가장 느린 것을 알 수 있다.
- 고정된 BCA의 재활용성과 열 및 저장에 대한 안정성을 평가하였다. 활용횟수에 따른 BCA의 활동도를 평가한 결과가 Fig.
- 본 연구에서는 다공성 막에 공유결합을 통해 고정화시킨 탄산 탈수 효소가 가지는 이산화탄소의 포집정도, 재활용성, 열 및 저장에 대한 안정성들을 평가하였다. 고정화를 위하여 PEI, GA, BCA의 순서로 표면처리를 수행하였으며, 고정화된 결과는 X선 광전자 분광기를 통해 확인하였다. 이산화탄소가 포화된 용액에서 pH값을 측정하고 측정값을 이용하여 탄산탈수효소의 촉매작용을 계산하였다.
- 그리고, 20, 25, 30, 35, 그리고 40℃에서 실험을 수행하여 온도가 끼치는 영향을 파악하고자 하였다. 다른 문헌에서 발표된 결과와 동일하게, 25℃에서 활동도가 가장 높은 것으로 나타났으며 25℃의 활동도를 기준으로 다른 온도에서의 상대적인 활동도를 관찰하였다 [10].
- 초기 이산화탄소의 농도는 석출된 탄산칼슘의 질량으로부터 구하였다. 그리고, 더 이상 값의 변화가 없는 시점까지 pH 값을 측정하였으며, 여기에서 구한 시간에 따른 수소양이온의 몰 농도를 초기 이산화탄소의 몰 농도에서 차감하였다. 따라서, 시간에 따른 이산화탄소의 몰 농도를 구할 수 있었다.
- 5 M Tris-HCl pH 10 용액으로 1시간 동안 처리되어 탄산칼슘이 석출되었다. 석출된 탄산칼슘은 여과 및 건조되어 질량이 측정되었고, 이 질량으로부터 해당 이산화탄소의 질량을 계산하였다.
- 고정화를 위하여 PEI, GA, BCA의 순서로 표면처리를 수행하였으며, 고정화된 결과는 X선 광전자 분광기를 통해 확인하였다. 이산화탄소가 포화된 용액에서 pH값을 측정하고 측정값을 이용하여 탄산탈수효소의 촉매작용을 계산하였다. 그 결과, 자유상태의 BCA, PS에 고정화된 BCA, 그리고 CAPM에 고정화된 BCA에서 각각 0.
- 초순수에 이산화탄소 기체 방울을 공급하여 이산화탄소로 포화된 용액을 제조하고, 이중 50 mL를 0.2 M Tris-HCl pH 7 용액 20 mL에 가한 후에 1.0, 1.5, 2.0 µM의 BCA 농도에서 각각 pH값을 0.2초 간격으로 수집하였다.
- 효소 농도 변화에 따른 결과를 확인하기 위하여, 자유상태의 BCA가 각각 다른 농도들(1.0, 1.5, 2.0 µM)로 주어진 조건에서도 실험이 수행되었다.
대상 데이터
- 소혈청 탄산 탈수 효소 (Bovine Carbonic Anhydrase, BCA), 평균 분자량이 750,000인 폴리에틸렌이민 (Polyethyleneimine, PEI), 직경이 1 µm인 폴리스타이렌 (Polystyrene, PS) 미세입자, 글루타알데하이드 (Glutaraldehyde, GA), 트리스 (히드록시메틸)아미노에탄-염산 (Tris(hydroxymethyl)aminomethane hydrochloride), 그리고 브래드포드 시약은 모두 시그마알드리치 (St. Louis, MO, USA)에서 구매되었으며 별도의 정제과정 없이 사용되었다.
- Louis, MO, USA)에서 구매되었으며 별도의 정제과정 없이 사용되었다. 염화칼슘 (Calcium chloride)는 삼전화학(대한민국, 서울특별시, 강남구)에서 구매되었고, 세공의 직경이 450 nm이고 직경이 25 mm인 셀룰로스 아세테이트 다공성 막 (Cellulose Acetate Porous Membrane, CAPM)은 대한 과학 (대한민국, 강원도, 원주시)으로부터 구매되었으며 사용 직전에 오존으로 처리되었다.
이론/모형
- BCA에 의한 이산화탄소 수화에 대한 반응속도 분석을 위하여, 모형식으로써 Michaelis-Menten식을 아래와 같이 고려하였다.
성능/효과
- 5에 제시되어 있다. 10회까지 재활용을 하면서 활동도 변화를 관찰하였고, CAPM에 고정화된 BCA의 경우에 1회 시의 활동도 대비 평균 95%로 유지되었다. 반복 실험은 3회 수행되었으며, 두 차례는 96%, 한 차례는 93%의 결과를 얻었다.
- 이는 반응에 영향을 주는 BCA 구조가 25℃보다 높은 온도에서 변형되는 것으로 해석할 수 있다. 25℃ 이상의 온도에서 자유상태의 BCA에서보다 고정된 BCA에서 활동도 감소가 상대적으로 적게 관찰되었다. 자유상태의 BCA는 40℃에서 25℃보다 활동도가 20%이하로 감소되었으나, 고정화된 BCA에서는 10% 남짓 감소되었다.
- 0 µM)로 주어진 조건에서도 실험이 수행되었다. BCA의 농도가 증가할수록 반응속도가 가시적으로 확인될 만큼 빠른 것으로 측정되었다 (Fig. 3).
- 반복 실험은 3회 수행되었으며, 두 차례는 96%, 한 차례는 93%의 결과를 얻었다. PS에 고정화된 BCA에서는 평균 92%로 유지되었으며 한 차례는 94%, 두 차례는 91%의 결과를 나타내었다.
- PS 미세입자표면에 BCA를 고정화시키기 위하여, 첫 단계로 과망간산칼륨과 황산으로 산화되며 PEI로 처리하는 그 다음 단계부터는 셀룰로스 다공성 막 세공표면에서의 과정과 동일하게 수행되었다. 각각의 경우에 대하여, 브래드포드 방법으로 주입된 BCA와 고정화 되지 못한 BCA의 양이 산출되었다. 따라서, 고정화된 BCA의 농도가 계산되었다.
- 이산화탄소가 포화된 용액에서 pH값을 측정하고 측정값을 이용하여 탄산탈수효소의 촉매작용을 계산하였다. 그 결과, 자유상태의 BCA, PS에 고정화된 BCA, 그리고 CAPM에 고정화된 BCA에서 각각 0.79, 0.67, 그리고 0.56 s-1,의 활성화도가 나타났다. 재활용면에서 10회 이용에도 95%의 활성이 유지됨을 확인하였으며, 열 및 저장에 대하여 평가된 안정성은 CAPM에 고정화된 BCA에서 활성화도의 저하율이 가장 낮은 것으로 관찰되었다.
- 10회까지 재활용을 하면서 활동도 변화를 관찰하였고, CAPM에 고정화된 BCA의 경우에 1회 시의 활동도 대비 평균 95%로 유지되었다. 반복 실험은 3회 수행되었으며, 두 차례는 96%, 한 차례는 93%의 결과를 얻었다. PS에 고정화된 BCA에서는 평균 92%로 유지되었으며 한 차례는 94%, 두 차례는 91%의 결과를 나타내었다.
- 각 조건에 따른 pH 값 변화의 차이가 명확하게 들어나는 조건을 고려하여, pH 7에서 측정을 수행하였고 완충용액을 사용하였다. 시간에 따른 pH 값의 변화가 자유상태의 BCA에 대하여 가장 빠르며 CAPM에 고정화된 BCA에 대하여 가장 느린 것을 알 수 있다. 이 결과는 BCA에 대한 이산화탄소 접근의 용이성이 반영된 결과인 것으로 판단된다.
- 표면처리과정이 시작되기 전인 순수한 셀룰로스 아세테이트 다공성 막의 표면 성분은 대부분 탄소와 산소만으로 구성된다. 오존처리 후, 산소함량비가 늘어난 것이 확인되었고, PEI로 처리한 후에는 질소 성분비가 급격히 늘어가는 것이 관찰되었다. 이는 PEI 성분이 CAPM 표면에 물리적으로 강하게 흡착되어 있음을 의미한다.
- 25℃ 이상의 온도에서 자유상태의 BCA에서보다 고정된 BCA에서 활동도 감소가 상대적으로 적게 관찰되었다. 자유상태의 BCA는 40℃에서 25℃보다 활동도가 20%이하로 감소되었으나, 고정화된 BCA에서는 10% 남짓 감소되었다. 이 결과들은 Fig.
- 56 s-1,의 활성화도가 나타났다. 재활용면에서 10회 이용에도 95%의 활성이 유지됨을 확인하였으며, 열 및 저장에 대하여 평가된 안정성은 CAPM에 고정화된 BCA에서 활성화도의 저하율이 가장 낮은 것으로 관찰되었다. 본 연구의 결과, 다공성 막은 이산화탄소의 포집을 위한 탄산탈수효소의 담지체로 활용될 수 있음을 알 수 있다.
- 이 결과도 역시 단백질의 고정화가 구조 변화를 방해하면서 나타난 결과로 판단된다. 재활용성과 저장에 대한 안정성측면에서 CAPM과 PS에 고정화된 BCA 들의 결과는 거의 차이가 나타나지 않는 것으로 관찰되었으나, 열적 안정성에서는 CAPM에 고정화된 BCA이 더 우수한 것으로 나타났다. 열적 안정성에서만 나타난 다소 상이한 결과는 BCA구조에 대한 열적 영향이라기보다는 온도변화에 따른 물질전달의 변화에 기인한 것으로 판단된다.
- 저장에 대한 안정성은 25℃에서 5일 간격으로 30일 동안 조사되었으며, 고정화된 BCA에서 활동도 감소가 작은 것으로 관찰되었다 (Fig. 6(b)).
- 중공사에 고정화된 탄산 탈수 효소 (CA)을 사용한 실험실 규모의 상압·상온 공정에서 90%의 이산화탄소가 포집 및 재생되었음이 관찰되었다.
후속연구
- 재활용면에서 10회 이용에도 95%의 활성이 유지됨을 확인하였으며, 열 및 저장에 대하여 평가된 안정성은 CAPM에 고정화된 BCA에서 활성화도의 저하율이 가장 낮은 것으로 관찰되었다. 본 연구의 결과, 다공성 막은 이산화탄소의 포집을 위한 탄산탈수효소의 담지체로 활용될 수 있음을 알 수 있다.
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