Bacillus lentimorbus B-6 균주로부터 생산된 α-Glucosidase 억제제의 생물 유화제로서의 특성
양용준·김경자
*
,#상명대학교 식물산업 공학과, *순천향대학교 생명공학과
(Received February 20, 2009; Revised April 2, 2009; Accepted May 15, 2009)
Emulsifying Character of
α-Glucosidase Inhibitor Produced from Bacillus lentimorbus B-6
Young-Joon Yang and Kyoung-Ja Kim*
,#Department of Horticultural Science, Sangmyung University, Cheonan 330-180, Korea
*Department of Biotechnology, Soonchunhyang University, Asan 336-745, Korea
Abstract— Bioemulsifiers are those chemicals which are produced from microorganisms but which have both hydrophilic and hydrophobic groups. α-Glucosidase inhibitor (α-GI) produced from Bacillus lentimorbusB-6 (B-6) showed bioemul- sifying activity. But β-glucosidase inhibitor produced from B-6 didn't show emulsifying activity. α-GI was purified from supernatant of B-6 grown in minimal culture medium containing glucose and sodium glutamate by Sephadex G-100 column chromatography and isolated from β-GI by dialysis against water. Toluene was determined as the best substrate for emul- sifying activity of α-GI. α-GI showed thermostability at 100oC for 15 min, high salt tolerance up to 32% NaCl and wide range of pH-stability at pH 4~10. Emulsifying character of α-GI can be useful for the liposome formation for the treatment of dia- betes mellitus.
Keywords □ α-glucosidase inhibitor, Bacillus lentimorbus, bioemulsifier
생물유화제(Bioemulsifier)1,2)는주로미생물이생성하는일종
의계면활성제로서무독성유화제의장점을지니고있다. 계면 활성제3,4)는한분자내에친수성기와소수성기를동시에가지고 있는분자로써표면이나계면의성질을변화시켜표면장력을감 소시키는물질이다. 화학합성계면활성제는제조과정이복잡 하고대부분난분해성으로생분해도가극히낮아생태계에축 적되어강한독성을나타내므로심각한환경문제를야기시킨 다. 이에반해미생물균주에따라세포외또는세포내에생산되 는생물계면활성제5)는화학합성계면활성제에비해무독성으 로친환경적인물질6,7)이다. 또한기존의방법으로는합성하기어
려운복잡한화학구조를가지고있어특수한목적으로사용될
수있어사용가치가매우높은물질8-10)이다. 현재생물계면활
성제11)는의약품, 식품, 화장품, 세제, 해상의유류오염정화등
다양한산업분야12,13)에서사용되고있다. 생물계면활성제에대
한연구가세계적으로활발하게진행되어많은종류의생물계면
활성제가보고되었다. 생물계면활성제의 4가지형으로는당지
질류, 인지질류, 지질단백질류와중합체가있다. 이들계면 활성제중 Pseudomonas sp.15-17)가생산하는 rhamnolipid18,19)계열 의계면활성제, Bacillus subtilis20)가 생산하는 cyclic lipopeptide, Acinetobacter종21)이 생산하는 지방산, glyceride, emulsan, Candida종22.23)이생산하는 mannosyl erythritol lipid24)등이잘
알려져있다. 본연구에서는전보25)에서 α-, β-glucosidase 억제
제를생산하는것으로보고된 Bacillus lentimorbus B-6균주의 탄소원이용에관한실험을하던중 olive oil, dibutyl phthalate, toluene 등을이용하는것으로나타나, 이균주로부터생산된α-,
β-glucosidase 억제제의유화활성을조사한결과, α-glucosidase
억제제는유화활성을가졌으나β-glucosidase 억제제는유화활
성이없는것으로나타나, α-glucosidase 억제제의유화제로서의
특성을파악하여추후산업적으로활용하고자하였다.
실험방법
시약
배지 및 α-, β-glucosidase 등의 효소와 n-hexadecan, 2-
#본논문에관한문의는저자에게로
(
전화) 041-530-1352 (
팩스) 041-530-1256
(E-mail) [email protected]
methylnaphthalene을 비롯한 기타 실험에 사용된 시약들은 Sigma-Aldrich사에서구입하였으며, 흡광도측정은 Jasco V550 UV-visible spectrophotometer를이용하였다.
생물계면활성제생산균주및배양조건
실험균주는전보25)에서α-glucosidase 억제제및β-glucosidase
억제제를생산하는것으로보고된 Bacillus lentimorbus B-6(B- 6)균주를사용하였으며, 배양조건및배지조건도전보에서보고 된것과같은조건을사용하였다. B-6균을 PGI 배지(polygalac- turonase inhibitor 생산배지; glucose 0.5%, sodium glutamate 0.25%, K2HPO4·3H2O 0.1%, MgSO4·7H2O 0.05%, CuSO4·
4H2O, MnSO4·4H2O, ZnSO4·4H2O 혼합액 0.0002%)에서 2~
3일간 30oC에서 배양한상등 액을 동결 건조 후물에 녹여
Sephadex G-100 column chromatography를 2번 수행하여 α-
glucosidase 억제활성이있는분획을모아다시동결건조하여증
류수에녹여투석막(celluluose dialysis tubing, Sigma, MW cut off- 10 kDa)에넣고 100배부피의증류수로 4oC에서 18시간동안 증류수를 2번교환시키면서투석하여유화활성시료로이용하였다.
유화활성의측정
유화활성의측정은 E. Rosenberg등의방법21)을변형하여사
용하였다. 즉 0.01 M MgSO4·7H2O를함유한 0.05 M Tris·HCl buffer(pH 8.0) 7.0 ml에유화기질인 n-hexadecane과 2-methyl- naphthalene의 1 : 1(v/v) 혼합액 0.1 ml를섞은후, 1.0 ml의시료
를첨가하고 2분간 vortexing하여유화시킨다음 10분후 540 nm에서흡광도를측정하였다. control로는시료대신시료를녹 인용매를첨가하여반응시킨후시료의흡광도에서 control의
흡광도를뺀값을유화활성값으로정하였다.
α-Glucosidase 억제제의발색반응
α-Glucosidase억제제의구성성분의특성분석을위하여여러
가지 발색 반응을 행하였다. phosphomolybdic acid(PMA), antimony(III) chloride, dragendorff's reagent, borntrager reagent, Ninhydrin, Ehrlich reagent, Bial's reagent, Rhodamine B reagent, ferric chloride를사용하여발색여부를조사하였다.
α-Glucosidase억제제의특성조사
α-Glucosidase 억제제(α-GI)의특성을조사하기위하여 200~
700 nm까지 UV scanning을 실시하였으며, ethyl acetate : methanol(2 : 1), chloroform : methanol(2 : 1)을 전개 용매로
silica gel TLC를이용하여 Rf치를조사하였다. 각종유기용매및 물에대한용해도를조사하기위하여부분정제된 α-GI에각종
유기용매및물을소량씩첨가하여 300 rpm으로 5분간강하게
교반한후용해된정도를육안으로확인하여결정하였다.
α-Glucosidase억제제의유화활성에대한열안정성과 pH안 정성
분리된억제제를 100oC에서 15분간가온한후얼음에서식힌 다음유화활성을측정하여열안정성을조사하였다. pH 안정성
은 NaOH 용액과 HCl 용액으로 pH를조정한 pH 3~11까지의 물에 1% 농도로시료를녹여 4oC에서 15시간보관후중화시켜 유화활성을측정하여조사하였다. 결과는 3번씩실험하여평균
±표준편차로나타내었다.
생물유화제의기질특이성
α-Glucosidase 억제제(α-GI)의생물유화제로서의기질특이 성을 조사하기위하여 kerosene, hexane, benzene, crude oil, toluene등을유화시키는정도를비교하였다. 시험관에기질 2 ml
을넣고동량의 α-GI(1% 용액)를첨가하고 2분간 vortex 후 24
시간정체시킨다음유화된층의높이를전체액의높이로나누 어 %로계산하여유화지수(emulsion index, E24)로비교하였다.
NaCl농도에따른유화지수의변화
NaCl을 0~32% 농도로첨가한α-glucosidase 억제제(1% 용액) 2 ml과기질로 toluene 2 ml을섞은후 2분간 vortex 후 24시간 정체시킨다음유화된층의높이를전체액의높이로나누어 %
로유화지수(E24)를비교하여 NaCl 농도에따른변화를조사
하였다. 결과는 3번씩실험하여평균±표준편차로나타내었다.
실험결과 및 고찰
α-Glucosidase억제제의유화활성
α-Glucosidase 억제활성과β-glucosidase 억제활성을모두
가진 B-6 균주 상등액을 동결 건조 후 전보13)에서와 같이
Fig. 1 −Emulsifying activity of glucosidase inhibitor purified from
Bacillus lentimorbus
B-6 (B-6). A: β-glucosidase inhibitor purified from B-6; B: α-glucosidase inhibitor purified from B-6.Sephadex G-100 column chromatography를실시하여 α-gluco- sidase 억제활성분획을모아동결건조후 cellulose 투석막 (MW cut off, 10 kDa)으로투석후 β-glucosidase 억제활성이
완전히제거된α-glucosidase 억제제를유화활성측정시료로
사용하였다.
Fig. 1에서보는바와같이 B-6 균주상등액에서분리한 α- glucosidase 억제제(α-GI, B)와 β-glucosidase 억제제(β-GI, A)의
유화활성을비교한결과, 전자(B)는유화활성을가졌으나후자
(A)는전혀없는것으로나타났다. α-Glucosidase 는식이중의 탄수화물을분해하여포도당으로전환시키는효소이므로이효 소의저해제는탄수화물의소화와흡수를지연시켜식후혈당증 가를완화시킨다. α-GI는인슐린분비를촉진시키며, 소장에서 글루카곤분비를억제하는 glucagon-like peptide-1의분비를촉
진하는것으로알려져있다. 현재 acrbose, voglibose와 miglitol
등의 α-glucosidase 억제제가시판되고있으며, α-GI의유화활 성을활용하면당뇨병치료제개발의일환으로연구되고있는 α-GI의리포좀제제개발에도도움이될것으로사료된다. 리포 좀형성으로약물방출이지연되도록하여약물의효과를오래 지속시킬수있을것이다.
α-Glucosidase억제제의발색반응
Table I에서 보는 바와 같이 B-6 균으로부터 분리된 α-
glucosidase 억제제(α-GI)의발색반응은 α-GI와각각의시약이
반응하여나타나는색을육안관찰로조사한결과, terpene류
와 반응하는 phosphomolybdic acid(PMA)반응, diterpene, flavonoid와반응하는 antimony(III) chloride 반응, alkaloid와반 응하는 dragendorff's reagent 반응, indole과반응하는 Ehrlich reagent 반응, 당과반응하는 Bial's reagent 반응, 페놀성화합물
과 hydroxamic acid와반응하는 ferric chloride 반응에대해서는 음성반응을나타내었다. 그러나아미노산, 아민류, 단백질과반
응하는 ninhydrin 반응, 지방과반응하는 rhodamine B 반응과 coumarin, anthraquinone과반응하는 borntrager reagent에서는 양성반응을보였다. 유화활성을가진 α-GI의발색반응결과
지방과단백질로이루어진물질로추정된다. 이와유사한발색
반응을 하는 것으로는 Bacillus subtilis21)가생산하는 cyclic lipopeptide와 Bacillus amyloliquefaciens LP03이 생산하는
bamylocin A18)가 lipopeptide계생물유화제로보고되었다.
α-Glucosidase억제제의특성
α-Glucosidase 억제제의최대흡광도는 272 nm에서나타났으며 silica gel TLC에서 ethyl acetate : methanol(2 : 1)과 chloroform : methanol(2 : 1)을전개용매로전개한결과각 Rf 치가 0.55와
0.89로나타났다. 여러가지용매에대한용해도는물, ethanol과 methanol에서는용해되었으나 acetone, chloroform, ethyl acetate, hexane 등에서는용해되지않는것으로나타났다(Table II).
α-Glucosidase억제제의유화활성의기질특이성
Table III에서보는바와같이α-glucosidase억제제의유화활
성에대한여러가지기질들을조사한결과, Toluene이가장좋
은기질로나타났으며, n-Hexane이가장활성이낮은기질로나 타났다.
α-Glucosidase억제제의생물유화제로서의열안정성과pH안 정성
α-Glucosidase 억제제(α-GI)의생물유화제로서의열안정성을
Table I −Visualization results of bioemulsifier purified from
Bacillus lentimorbus
B-6Reagent Result
Phosphomolybdic acid negative
Antimony(III) chloride negative
Dragendorff's reagent negative
Ehrlich reagent negative
Bial's reagent negative
Ferric chloride negative
Ninhydrin positive
Borntrager reagent positive
Rhodamine B positive
Table II −Physico-chemical properties of bioemulsifier purified from
Bacillus lentimorbus
B-6Nature White powder
UV λmax 272 nm
TLC Rf value* (A) 0.55, (B) 0.89 solubility:
Soluble: water, ethanol
methanol
Insoluble: hexane
acetone chloroform ethyl acetate
*Precoated silica gel plate (Merck) Developing solvent:
(A) ethyl acetate : methanol (2 : 1) (B) chloroform : methanol (2 : 1)
Table III −Substrate specificity of the bioemulsifier purified from
Bacillus lentimorbus
B-6Substrate Emulsion index E24
Crude oil 51
Kerosene 42
Hexadecane 40
n
-Hexane 33n
-Decane 45Cyclohexane 48
Benzene 50
Toluene 56
조사하기위하여 100oC에서 15분간가온한후얼음에서식힌다 음유화활성을측정하여가온전의활성과비교한결과, 약 95%
정도의활성을그대로지니고있는것으로열에안정한것으로
나타났다. pH 안정성을조사하기위하여 pH 3~11까지의물에
녹여 15시간후중화하여유화활성을비교한결과 pH 4~10까
지넓은범위의 pH에서안정된것으로나타났다(Fig. 2). α-GI
는높은열안정성과넓은범위의 pH에안정한물질로산업적 응용에유용한물질로활용도가높을것으로사료된다.
NaCl농도에따른유화지수의변화
NaCl의농도(0~32%)에따른 α-glucosidase억제제(α-GI)의
toluene에대한유화지수를비교한결과 32% NaCl을함유한
경우에도거의변화가없었으며, 그보다높은농도에서는 NaCl
이녹지않아유화지수를잴수가없었다(Fig. 3). α-GI는높은
염농도에서사용할수있는생물유화제로산업적가치가높을 것으로사료된다. 이러한결과는 5% 이상의 NaCl 농도에서는유
화지수가감소되는 Aeromonas spp.11)가생산하는유화제와는다 른것으로추정된다.
결 론
Glucosidase 억제제를생산하는 Bacillus lentimorbus B-6(B- 6)균주의α-glucosidase 억제제(α-GI)와β-glucosidase 억제제(β- GI)의유화활성을조사한결과, 전자는유화활성을나타내었으
나후자는나타내지않는것으로조사되었다. 유화활성을가지 는 α-GI는 sodium glutamate와 glucose를함유한최소배지에서
배양한 B-6균의 상등 액을 동결 건조 후 Sephadex G-100
column chromatography를이용하여 α-glucosidase 억제활성분
획을모아물로투석하여 β-glucosidase 억제활성을완전히제
거후정제하였다. α-GI의유화활성에대한기질특이성을조
사한결과, toluene이가장유화지수가높은좋은기질로나타
났으며, n-Hexane이가장유화지수가낮은것으로나타났다.
α-GI의열안정성을조사한결과 100oC에서 15분가온한후에도
유화활성에변화가없어열에안정한것으로판단되었으며, pH
안정성은 pH 4~10까지넓은범위에서안정된것으로나타났으
며고농도(32%)의 NaCl 하에서도유화지수가변화없었다.
감사의 말씀
본논문은 2008년도농촌진흥청의수확후관리연구사업단의
연구비지원에의하여연구되었으며이에감사드립니다.
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Fig. 2- pH stability of α-glucosidase inhibitor purified from
Bacillus lentimorbus
B-6. Results are means±SD from 3 separate experiments.Fig. 3- Effect of NaCl concentration on the emulsion index of α- glucosidase inhibitor purified from
Bacillus lentimorbus
B- 6. Results are means±SD from 3 separate experiments.sites. Bioresour. Technol. 97, 868 (2006).
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