본 총설에서는 유기용매 내성 리파아제와 그들의 산업, 생물공학 및 환경에서의 잠재적인 영향에 대하여 서술하고자 한다. 유기용매 내성 리파아제는 유기용매 내성 세균에서 처음 보고되었으나, 많은 유기용매 내성 리파아제들이 유기용매 내성 세균 뿐만 아니라 잘 알려진 Bacillus, Pseudomonas, Streptomyce 그리고 Aspergillus sp. 균주 같은 유기용매 비내성 세균 그리고 균류 균주들에서도 보고되고 있다. 이들 리파아제들은 유기용매에서 쉽게 불활성화되지 않기 때문에 유기용매에 의한 효소 불활성화를 방지하기 위하여 별도로 그들을 고정화할 필요가 없다. 그러므로 다수의 생물공정 및 생물변환 공정에서 이용될 수 있는 잠재적인 유용성을 가지고 있다. 이들 유기용매 내성 리파아제들을 사용하면, 유기용매계 또는 비수계에서 다수의 불용성 기질들의 용해도가 증가하며, 수계에서는 불가능한 다양한 화학반응들이 일어나고, 가수분해 대신에 합성반응이 일어나며, 물에 의한 부반응이 억제되며, 화학, 위치 그리고 엔안티오(대칭) 선택성(chemo, regio and enantioselective) 변환반응의 가능성이 증가한다. 나아가 고정화하지 않아도 효소의 회수와 재이용이 가능하며, 유기용매계와 비수계에서는 리파아제의 안정성이 더 좋아지는 경향도 있다. 그러므로 유기용매 내성 리파아제는 유기용매계와 비수계를 이용한 생물변환공정에 생물촉매로써 그들을 이용가능하다는 점에서 많은 주목을 받고 있다.
본 총설에서는 유기용매 내성 리파아제와 그들의 산업, 생물공학 및 환경에서의 잠재적인 영향에 대하여 서술하고자 한다. 유기용매 내성 리파아제는 유기용매 내성 세균에서 처음 보고되었으나, 많은 유기용매 내성 리파아제들이 유기용매 내성 세균 뿐만 아니라 잘 알려진 Bacillus, Pseudomonas, Streptomyce 그리고 Aspergillus sp. 균주 같은 유기용매 비내성 세균 그리고 균류 균주들에서도 보고되고 있다. 이들 리파아제들은 유기용매에서 쉽게 불활성화되지 않기 때문에 유기용매에 의한 효소 불활성화를 방지하기 위하여 별도로 그들을 고정화할 필요가 없다. 그러므로 다수의 생물공정 및 생물변환 공정에서 이용될 수 있는 잠재적인 유용성을 가지고 있다. 이들 유기용매 내성 리파아제들을 사용하면, 유기용매계 또는 비수계에서 다수의 불용성 기질들의 용해도가 증가하며, 수계에서는 불가능한 다양한 화학반응들이 일어나고, 가수분해 대신에 합성반응이 일어나며, 물에 의한 부반응이 억제되며, 화학, 위치 그리고 엔안티오(대칭) 선택성(chemo, regio and enantioselective) 변환반응의 가능성이 증가한다. 나아가 고정화하지 않아도 효소의 회수와 재이용이 가능하며, 유기용매계와 비수계에서는 리파아제의 안정성이 더 좋아지는 경향도 있다. 그러므로 유기용매 내성 리파아제는 유기용매계와 비수계를 이용한 생물변환공정에 생물촉매로써 그들을 이용가능하다는 점에서 많은 주목을 받고 있다.
This review described solvent-tolerant lipases and their potential industrial, biotechnological and environmental impacts. Although organic solvent-tolerant lipase was first reported in organic solvent-tolerant bacterium, many organic solvent-tolerant lipases are in not only solvent-tolerant bacteri...
This review described solvent-tolerant lipases and their potential industrial, biotechnological and environmental impacts. Although organic solvent-tolerant lipase was first reported in organic solvent-tolerant bacterium, many organic solvent-tolerant lipases are in not only solvent-tolerant bacteria but also solvent-intolerant bacterial and fungal strains, such as the well-known Bacillus, Pseudomonas, Streptomyces and Aspergillus strains. As these lipases are not easily inactivated in organic solvents, there is no need to immobilize them in order to prevent an enzyme inactivation by solvents. Therefore, the solvent-tolerant lipases have the potential to be used in many biotechnological and biotransformation processes. With the solvent-tolerant lipases, a large number insoluble substrates become soluble, various chemical reactions that are initially impossible in water systems become practical, synthesis reactions (instead of hydrolysis) are possible, side reactions caused by water are suppressed, and the possibility of chemoselective, regioselective and enantioselective transformations in solvent and non-aqueous systems is increased. Furthermore, the recovery and reuse of enzymes is possible without immobilization, and the stabilities of the lipases improve in solvent and non-aqueous systems. Therefore, lipases with organic-solvent tolerances have attracted much attention in regards to applying them as biocatalysts to biotransformation processes using solvent and non-aqueous systems.
This review described solvent-tolerant lipases and their potential industrial, biotechnological and environmental impacts. Although organic solvent-tolerant lipase was first reported in organic solvent-tolerant bacterium, many organic solvent-tolerant lipases are in not only solvent-tolerant bacteria but also solvent-intolerant bacterial and fungal strains, such as the well-known Bacillus, Pseudomonas, Streptomyces and Aspergillus strains. As these lipases are not easily inactivated in organic solvents, there is no need to immobilize them in order to prevent an enzyme inactivation by solvents. Therefore, the solvent-tolerant lipases have the potential to be used in many biotechnological and biotransformation processes. With the solvent-tolerant lipases, a large number insoluble substrates become soluble, various chemical reactions that are initially impossible in water systems become practical, synthesis reactions (instead of hydrolysis) are possible, side reactions caused by water are suppressed, and the possibility of chemoselective, regioselective and enantioselective transformations in solvent and non-aqueous systems is increased. Furthermore, the recovery and reuse of enzymes is possible without immobilization, and the stabilities of the lipases improve in solvent and non-aqueous systems. Therefore, lipases with organic-solvent tolerances have attracted much attention in regards to applying them as biocatalysts to biotransformation processes using solvent and non-aqueous systems.
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문제 정의
또한 최근 새롭게 Salihu 와 Alam에 의해 유기용매 내성 리파아제에 대한 총설이 보고되고 있다 [27].그러므로 본 논문에서는 이들 논문 발표 이후에 출간된 자료를 토대로 유기용매 내성 리파아제에 대하여 정리 보고한다. 전술한 바와 같이 유기용매 내성 리파아제는 일반 미생물 또는 유기용매 내성 여부가 조사되지 않은 미생물에서 주로 조사 보고되고 있다.
현재까지 많은 연구진에 의해 연구되어 온 비교적 새로운 효소인 유기용매 내성 효소는 유기용매 내성 미생물에서만 아니라 일반미생물에서도 널리 생산 분비되고 있는 것으로 알려져 있으며 산업적으로나 환경적으로 매우 활용성이 높은 생물소재이다. 그러므로 본 총설에서 유기용매 내성 미생물 뿐만 아니라 일반적인 미생물이 생산하는 산업적으로 활용도가 높은 유기용매 내성 리파아제에 대하여 초점을 맞추어 고찰하고자 한다.
성능/효과
Aspergillus japonicus LAB01 리파아제는 pH 5에서 9사이에서 90분간 안정성을 보이며, 45℃에서 3시간 후에 70% 활성이 유지되며 나아가 유기용매에 대한 내성을 즉 25%(v/v) isopropanol에서는 70% 활성, 25%(v/v) methanol과 25%(v/v) ethanol에서는 각각 98% 그리고 90%의 활성, 나아가 25%(v/v) hexane과 toluene은 오히려 활성을 촉진하여 각각 137% 그리고 150% 활성을 보이는 것으로 확인되고 있다[31]. Aspergillus niger AN0512 균주의 생육 최적 pH와 온도는 각각 pH 5.0과 50℃이었으나 pH 3에서 7에서 20시간 후 70% 이상의 효소활성을 유지하였고 pH 3에서 20시간 후 95% 효소활성을 유지하였고, 온도 20에서 50℃에서 20시간 후 70% 이상의 효소활성을 유지하여 Aspergillus niger AN0512리파아제는 내산성과 내냉성이 강한 효소임이 확인되었다[18]. Aspergillus niger AN0512 리파아제는 90%(v/v) 극성용매들(methanol, ethanol, acetone, isopropanol과 3차 butanol)에서 30분 후 효소활성이 촉진되었다[18].
Streptomyces sp. OC119-7균주는 최적 생육 pH 8.0 그리고 최적 생육온도 50℃이었으나, pH에서의 효소 안정성은 광범위한 pH에서 확인되었으며(pH 5.0과 pH11.0에서 1시간 그리고 2시간 후에 80% 이상의 효소활성을 보임), 1시간 후에 10℃에서 70℃의 범위에서 80% 이상의 효소활성을 보여주었고 20℃에서 60℃의 온도범위에서 2시간 후에 80% 이상의 효소활성을 보여 광범위한 온도에서 매우 높은 효소 안정성을 보여 주고 있으며, 나아가 hexane에서 1시간 후에 108% 효소활성을 methanol ethanol acetone 과 toluene에서 24시간 후 72% 이상의 효소활성을 보여주어 유기용매 내성도 있음이 밝혀져 있다[1]. Aeromicrobium sp.
Pseudomonas AKM-L5리파아제는 광범위한 pH 영역에서 효소 안정성이 높으며 효소의 온도 안정성도 겸비하고 있고 나아가 유기용매 내성도 있으며 특히 10%, 20% 그리고 30% 농도의 butanol, hexane, methanol, isopropanol과 ethanol 그리고 20%와 30% 농도의 xylene에서 100% 이상의 효소활성을 10% 농도의 xylene에서는 90% 이상의 활성을 보였으며 AKM- L5리파아제는 유기용매와 금속이온 존재하의 저온에서도 높은 안정성과 활성을 보이고 높은 유류 제거능력을 가지고 있어 유류로 오염된 토양 및 해양 복원에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다[19]. Pseudomonas stutzeri LC2-8 리파아제는 25%(v/v)의 isopropanol, acetone, ethanol, methanol, dimethylformamide(DMF) 그리고 DMSO에서 효소활성이 완전히 유지되거나 오히려 촉진되었으며, 25%(v/v) n-heptane에서도 90% 이상의 효소활성이 유지되어 리파아제 자체가 상당한 유기용매 내성을 가지고 있음이 밝혀졌으며 나아가 LC2-8 리파아제를 사용하여 만델산(mandelic acid)의 enantio-selctive acylation를 실현시켜 (s)-o-acetyl mandelic acid을 99.
Pseudomonas AKM-L5리파아제는 광범위한 pH 영역에서 효소 안정성이 높으며 효소의 온도 안정성도 겸비하고 있고 나아가 유기용매 내성도 있으며 특히 10%, 20% 그리고 30% 농도의 butanol, hexane, methanol, isopropanol과 ethanol 그리고 20%와 30% 농도의 xylene에서 100% 이상의 효소활성을 10% 농도의 xylene에서는 90% 이상의 활성을 보였으며 AKM- L5리파아제는 유기용매와 금속이온 존재하의 저온에서도 높은 안정성과 활성을 보이고 높은 유류 제거능력을 가지고 있어 유류로 오염된 토양 및 해양 복원에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다[19]. Pseudomonas stutzeri LC2-8 리파아제는 25%(v/v)의 isopropanol, acetone, ethanol, methanol, dimethylformamide(DMF) 그리고 DMSO에서 효소활성이 완전히 유지되거나 오히려 촉진되었으며, 25%(v/v) n-heptane에서도 90% 이상의 효소활성이 유지되어 리파아제 자체가 상당한 유기용매 내성을 가지고 있음이 밝혀졌으며 나아가 LC2-8 리파아제를 사용하여 만델산(mandelic acid)의 enantio-selctive acylation를 실현시켜 (s)-o-acetyl mandelic acid을 99.8% ee 로 획득되게 하였으며, 그 결과 15시간 이내 전환율이 49.15%에 도달하였다[2].
각종 오일에서 EPA 및 DHA함량을 증가시킴으로써 오일의 부가가치 향상에도 적용되고 있다. 또한 합성 화학분야에서는 키랄성 합성단위체(synthon)의 주요 전구물질인 만델산(mandelic acid) 등의 acetylation등에 이들 효소가 적용되며 특히 기질 (S)-O-Acetyl mandelic acid등에 대한 높은 enantiopreference을 가진 유기용매 내성리파아제의 적용은 효율적인 공정개발에 유효한 것으로 확인되었다. 그러나 무엇보다 에너지 측면 특히 바이오에너지 개발을 위한 바이오 디젤 생산에 많은 유기용매 내성 리파아제가 적용되어 성과를 내고 있어 유기용매 내성 리파아제의 적용 연구가 가장 활발히 이루어지고 있는 분야이다.
putida DOT-T1E [26] 등이 있다. 이어서 유기용매 내성 그람양성 세균들(Bacillus sphaericus 205y[10]와 Rhodococcus opacus B-4 [21])이 속속 분리 탐색되어 유기용매 내성 세균이 그람음성 뿐만 아니라 그람양성 세균에도 폭넓게 존재함이 확인되었다. 이에 비해 다소 늦게 유기용매내성 효소에 대한 연구가 시작되어 유기용매 내성 효소의 존재가 보고되었다.
후속연구
리파아제는 식품, 낙농, 제약, 농화학, 세제에서 유화학, 차산업, 화장품, 피혁 그리고 다양한 환경산업 등의 광범위한 산업분야에서 활용성이 높다[28]. 그러므로 최근 연구가 미진한 분야인 화장품 산업에서의 유화제로서의 이용 그리고 항산화제 개발을 위한 기능성 페놀류의 esterification 반응에의 적용 등에 유기용매내성 리파아제를 적극 활용하여야 할 것이다. 또한 합성 및 의약품 산업에서는 각종 racemic 화합물들의 입체화학적인 분할을 통하여 광학적으로 순도 높은 물질의 생산에 유기용매 내성 리파아제의 stereo-선택성 그리고 enantio-특이적인 특성을 이용할 수 있게 이에 대한 기초 연구가 이루어져야 할 것이다.
유기용매 내성, enantiopreference 그리고 에스터화 반응 및 에스테르 교환반응 효율 등은 균주 특이성이 매우 높은 것으로 알려져 있으므로 보다 많은 유기용매 내성 리파아제에 대한 탐색과 연구가 요구되고 있다. 그리고 유기용매 내성 리파아제의 식품 화학공학 환경 그리고 바이오에너지 분야에서의 적용도 이들 효소에 대한 기초연구를 토대로 하여 이루어지는 만큼 다양한 시도와 적용가능성 검토가 필요하다. 특히 토착미생물에서의 유기용매 내성 리파아제에 대한 선도적인 탐색연구가 필요하며 이를 기초로 하여 유기용매 내성 리파아제의 물리화학적 성질에 대한 특성화 연구를 함으로써 차별화된 그리고 의의가 있는 연구 성과 도출이 가능할 것이다.
그러므로 최근 연구가 미진한 분야인 화장품 산업에서의 유화제로서의 이용 그리고 항산화제 개발을 위한 기능성 페놀류의 esterification 반응에의 적용 등에 유기용매내성 리파아제를 적극 활용하여야 할 것이다. 또한 합성 및 의약품 산업에서는 각종 racemic 화합물들의 입체화학적인 분할을 통하여 광학적으로 순도 높은 물질의 생산에 유기용매 내성 리파아제의 stereo-선택성 그리고 enantio-특이적인 특성을 이용할 수 있게 이에 대한 기초 연구가 이루어져야 할 것이다. 한편 지방산 esters 합성을 위한 생물변환 반응에 대한 연구는 바이오디젤 생산과 풍미성분의 생산을 위하여 많은 연구가 진행되었으나 지방산 에스테르들은 바이오디젤과 풍미 및 아로마 화합물로서 이용될 뿐만 아니라 세제 화장품 나아가 제약 산업에서도 중요한 화합물로 이용되고 있으므로 유기용매 내성 리파아제를 적용하여 새롭고 효율적인 공정 개선 등이 필요하다.
또한 이런 변환공정에 적용하려면 효소 자체가 유기용매 내성을 가지고 있는 효소를 탐색하여 적용할 필요가 높다. 앞으로 유기용매 내성 효소가 가지고 있는 특성 기질(chemo-), 위치(regio-) 및 입체 특이적(stereo-specific)인 활성이 매우 다양하므로 다양한 생물변환반응에의 적용을 위하여 보다 다양한 유기용매 내성 리파아제에 대한 기초연구가 활발히 이루어질 것으로 예상되고 있다.
그리고 유기용매 내성 리파아제의 식품 화학공학 환경 그리고 바이오에너지 분야에서의 적용도 이들 효소에 대한 기초연구를 토대로 하여 이루어지는 만큼 다양한 시도와 적용가능성 검토가 필요하다. 특히 토착미생물에서의 유기용매 내성 리파아제에 대한 선도적인 탐색연구가 필요하며 이를 기초로 하여 유기용매 내성 리파아제의 물리화학적 성질에 대한 특성화 연구를 함으로써 차별화된 그리고 의의가 있는 연구 성과 도출이 가능할 것이다. 또한 우리나라에서 탐색한 유기용매 내성 리파아제의 다양한 분야에의 이용과 적용도 학문적으로나 산업적으로 많은 성과가 기대되는 분야이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
유기용매 내성세균은 초기에 주로 무엇에서 분리되었는가?
이 분리 균주는 고농도의 유기용매 cyclohexane, xylene, toluene 및 heptanol에서도 생존 가능함이 밝혀져 이후 다수의 연구자들에 의한 유기용매 내성세균에 대한 분리 탐색연구의 기폭제가 되었다. 유기용매 내성세균은 초기에는 주로 그람음성 세균에서 분리되었으며 주요 균주로는 Pseudomonas putida Idaho [4], P. putida S12 [9, 34].
리파아제는 무엇인가?
일반적인 유기용매 내성이 없는 효소는 유기용매에 의하여 불활성화되는 반면 유기용매 내성 효소는 이상계(two-phase system), 유기용매계 또는 비수계(non-aqueoussystem)에서 안정적으로 활성을 유지하기 때문에 이상계, 유기용매계 또는 비수계에서의 생물변환반응에 적용할 수 있는 최적의 생물촉매이다[5, 6, 27, 33]. 한편 리파아제는 esterification (에스터화반응), transesterification (에스테르교환반응), 산가수분해(acidolysis), 가아민 반응(aminolysis), 알코올분해(alcoholysis), 아실화 반응(acylation) 그리고 라시미체의 분해 등에 이용되는 가수분해 또는 합성반응을 촉매하는 triacylglycerol ester hydrolases (EC 3.1.1.3)이다[27]. 특히 유기용매 내성 리파아제는 수용액 뿐만 아니라 유기용매에서도 그들의 이용성과 안정성을 가지므로 생물공정에서 널리 이용될 가능성이 높다[28].
유기용매 내성 리파아제는 유기용매에서 쉽게 불활성화되지 않기 때문에 유기용매에 의한 효소 불활성화를 방지하기 위하여 별도로 그들을 고정화할 필요가 없는데 이런 특성은 어떤 잠재적인 유용성을 가지고 있는가?
이들 리파아제들은 유기용매에서 쉽게 불활성화되지 않기 때문에 유기용매에 의한 효소 불활성화를 방지하기 위하여 별도로 그들을 고정화할 필요가 없다. 그러므로 다수의 생물공정 및 생물변환 공정에서 이용될 수 있는 잠재적인 유용성을 가지고 있다. 이들 유기용매 내성 리파아제들을 사용하면, 유기용매계 또는 비수계에서 다수의 불용성 기질들의 용해도가 증가하며, 수계에서는 불가능한 다양한 화학반응들이 일어나고, 가수분해 대신에 합성반응이 일어나며, 물에 의한 부반응이 억제되며, 화학, 위치 그리고 엔안티오(대칭) 선택성(chemo, regio and enantioselective) 변환반응의 가능성이 증가한다.
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