NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 30, No. 5, 2012…
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연구실 소개
본 연구실에서는 생물정보학을 기반으로 단백질공 학과 대사공학을 이용하여 효소/세포 생촉매를 개량 하는 연구와 nano-formulation/immobilization을 활 용하여 바이오소재 및 바이오에너지 제조 관련 연구 과제를 수행 중이다.
해양유전체 및 생물자원 기반의 비대칭 에폭사 이드 가수분해효소(epoxide hydrolase) 생 촉매 소재 및 통합형 생변환기술 개발
본 과제는 국토해양부 및 해양과학기술진흥원 (KIMST) 지원으로 진행되고 있는 해양극한 분자유 전체 연구단 과제로, 광학활성 의약품 합성에 널리 사 용되고 있는 고부가가치 키랄 에폭사이드와 다이올을 제조하기 위해 해양유전체 및 다양한 해양생물자원으 로부터 에폭사이드 가수분해효소 생촉매를 개발하고 있다. 에폭사이드 가수분해효소를 이용하면, 저가의 라세믹 에폭사이드 기질로부터 특정 이성질체만을 입 체 선택적으로 가수분해하여 제거함으로써 키랄 에폭 사이드를 제조할 수 있다. 또한, 서로 상보적인 입체특 이성과 위치특이성을 가진 에폭사이드 가수분해효소
를 조합사용하면 수율 100%로 키랄 vicinal diol 중간 체를 생합성할 수 있다 [그림 1]. 에폭사이드 가수분 해효소는 cofactor가 필요 없어 효소 및 세포 자체를 생촉매로 사용할 수 있으며, 높은 기질 특이성, 입체특 이성, 위치특이성으로 인해 상업화 특성이 우수하다.
본 연구실에서는 comparative homology modeling 을 기반으로 한 단백질공학을 통해 해양 어류 유래의 에폭사이드 가수분해효소 활성을 35배 이상 향상시켰 다. His-Tag과 선택적으로 결합할 수 있는 Ni 나노입 자가 부착된 자성 나노입자를 담체로 사용하여 재조 합 에폭사이드 가수분해효소만을 선별적으로 분리/고 정시켜 효소를 고효율로 재사용하는 기술을 개발하였 다 [그림 2].
또한 에폭사이드 가수분해효소 집합체를 격자화시 킨 다음, 다양한 종류의 magnetic nanoparticle, nanofiber 및 mesoporous silica 등에 고정화시켜 효소 활성을 안정화시키는 방법을 개발하였다. 최근에는 이성질체에 대한 입체선택적 분할 반응에 대한 열역 학적 해석을 바탕으로 저온 반응 후 상온에서 phase transition을 통해 생촉매를 회수하여 재활용하기 위 이 은 열
경희대학교 화학공학과, [email protected]
그림 1. 에폭사이드 가수분해효소를 이용한 광학활성 diol 생합성.
그림 2. 자성의 나노입자를 이용하여 효소 고정화.
하여 elastin-like polypeptide를 부착시킨 에폭사이드 가수분해효소 생촉매를 개발하였다.
이차대사산물의 당 수식을 위한 고효율 당전이 생촉매 시스템 개발
본 과제는 연구재단 협동과제로 진행되고 있으며, 항산화 특성이 있는 flavonoids의 수용성 및 bioavailability를 향상시키고, 생리활성이 우수한 flavonoids 유도체를 생합성하기 위하여 당전이효소 (glycosyltransferase, GT)를 이용하여 glycosyl donor로부터 당을 전이시켜 다양한 glycoside 유도체 를 생합성하는 연구를 진행 중이다 [그림 3].
Streptomyces antibioticus 등 방선균, 해양미생물, 식물 등으로부터 얻은 다양한 유전자재조합 당전이효 소를 생촉매로 사용하여 apigenin, chysin, lueteolin, kaempferol, quercetin, naringenin, daidzein, genistein, resveratrol, amentoflavone 등에 대하여 80% 이상의 높은 수율로 당전이 반응을 수행하여 flavonoid glycoside유도체를 생합성하는 기술을 개발하였다.
갈조류 바이오매스를 이용한 바이오 에탄올 및 바이오폴리머 생산을 위한 고효율 당화공정기술 개발
갈조류 바이오매스에 다량으로 존재하고 있는 알긴 산은 β-D-mannuronate (M)과 α-L-guluronate (G) 가 여러 가지 비율로 결합된 다당류이다. 알긴산 분해 효소(alginate lyase)는 알긴산 모노머의 C-4와 C-5 에 이중결합을 형성시키면서 β-elimination 반응을 통
해 glycosidic 결합을 분해시키는 효소이다. 알긴산 분 해효소는 자르는 부위에 따라, 알긴산의 중합체의 중 간을 자르는 endo-type과 끝 부분을 자르는 exo- type으로 나눌 수 있고, 기질 특이성에 따라 polyM, polyG, 그리고 polyMG 특이적 알긴산 분해효소로 나 눌 수 있다 [그림 4].
본 연구의 일부는 지경부 신재생에너지기술개발사 업 연구비의 지원을 받아, Sphingomonas sp. MJ-3, Pseudomonas sp. KS-408 등의 해양미생물로부터 polyM, polyG, polyMG 특이적 endo-type 알긴산 분 해효소를 개발하였으며, 불포화 알긴산 단당류로 분 해시키는 활성을 가진 exo-type 알긴산 분해효소도 개발하였다. 재조합 알긴산 분해효소를 이용하여 알 긴산을 당화시키는 공정 기술을 개발하였으며, 알긴 산 단당류로부터 biofuels, biopolymers, biochemicals 을 생합성하는 미생물 생촉매를 개발하기 위한 대사 공학 연구를 진행 중이다.
미세조류 바이오매스를 이용한 바이오디젤 합성, glycerol 고부가가치화 기술 및 바이오매스 당화 공정 개발
본 연구실에서는 경희대학교 우수과학연구자 프로 그램의 지원을 받아 dimethyl carbonate(DMC)를 fatty acid methyl ester(FAME) 합성을 위한 acyl doner와 transesterification 반응을 통한 glycerol로부 터 glycerol carbonate 합성용 기질로 사용함으로써 90% 이상의 고효율로 바이오디젤과 동시에 고부가가 치 glycerol carbonate를 생합성하는 기술을 개발하였 536…NICE, 제30권 제5호, 2012
연구실 소개
그림 3. 당전이 효소를 이용한 flavonoid의 글라이코실화 반응.
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경희대학교 화학공학과 나노바이오공학연구실
그림 4. 알긴산 구조 및 알긴산 분해효소의 종류.
그림 5. Lipase를 생촉매로 이용한 triglyceride와 glycerol로부터 FAME와 glycerol carbonate 동시 합성 반응.
다 [그림 5].
미세조류는 신재생에너지와 지속가능한 화학소재 를 생산하기 위한 제 3세대 바이오매스로 최근 관심 이 집중되고 있다. 미세조류는 특히 triglyceride 함유 량이 매우 높아 바이오디젤 제조용 바이오매스로써의 활용가치가 높다. 바이오디젤 제조를 위하여 지질을 추출하고 남은 미세조류 잔여 바이오매스로부터 탄수 화물을 추출하고 당화시켜 바이오에탄올을 제조하는 연구를 국토해양부 및 해양과학기술진흥원 지원으로 진행되고 있는 해양바이오에너지 사업단 과제로 진행 중이다. 미세조류 수확 및 지질 추출 후 화학적 방법 으로 다당류를 분리한 다음 잔존 염류 및 독성물질에 대한 별도의 정제 과정이 없이 바로 활용할 수 있는 효소 생촉매 당화 공정 기술을 개발 중이다.
본 연구실은 현재 포스닥 1명, 박사과정 1명, 석사 과정 3명, 학석사연계 과정 2명이 연구에 참여하고 있 으며, 경성대, 고려대, 이화여대, 충남대, 인하대, 한국 해양연구원, 홍익대, Osaka City University 등과 연 구 교류를 활발히 진행하고 있다.
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