계가 크고 밀접한 관계가 있어서 화학공학자가 가 장 쉽게 접근할 수 있고 많은 기여가 기대되는 분 야이다. 그러나, 대부분의 화학공학자가 효소공학 에 대해 갖고 있는 선입견은 효소가 매우 비싸다 는 것과 다루기 어렵다는 것인데 이는 전적으로 잘못 알려진 것이다. 필요한 효소는 생산 회사로 부터 값싸게 구입할 수가 있으며 그렇지 않은 경 우 생물체로부터 직접 얻으면 된다. 또한 화학 촉 매에 적용되었던 기본원리나 접근 방법은 대부분 생물 촉매에 그대로 응용되기 때문에 효소를 다루 는데 별로 어려운 점이 없다. 기본적인 효소에 대 한 지식과 효소 반응 속도론, 그리고 효소의 활성 측정법만 알면 곧 바로 효소공학을 시작할 수 있 다. 일반적으로 화학공학에서 다루는 내용 즉, 열 역학, 반응공학, 공정 제어 및 최적화, 물질전달, 단위조작 등이 그대로 효소공학분야의 효소반응 속도론, 효소의 분리 정제, 효소의 고정화, 효소 반 응기 설계 및 최적화 등에 적용된다. 그러므로 화 학공학자는 매우 쉽게 효소공학을 시작할 수 있고 이를 바탕으로 생물공학분야에서 많은 기여를 할 것으로 기대되고 있다.
효소의 많은 장점에도 불구하고 효소의 낮은 안 정성이 효소의 산업적 응용을 저해하는 요인으로 되어 왔으나, 최근 효소의 특성을 산업적 목적에 맞게 획기적으로 창출할 수 있는 directed evolution(분자진화) 기술이 개발되어 효소의 산 업적 응용이 무한적으로 확대될 것으로 기대되고 있다. 앞으로 효소공학은 화학 및 생물 산업에 접 목되어 새로운 산업 분야를 창출함은 물론 각 해 당 분야에서도 높은 상승 효과를 초래할 것이고 궁극적으로 화학/제약 산업 및 생물산업에서 핵 심기술로 자리매김할 것이다. 따라서, 많은 화학공 학자가 화학공학의 지식을 효소공학에 접목시킬 경우 효소공학 자체의 발전은 물론 화학공학의 진 로에 새로운 길을 열 것이며 화학공학의 역할 및
중요성이 더욱 더 증대될 것이다.
지난 반세기에 걸쳐 계속된 생명과학과 생물공 학의 획기적인 발전은 생물산업을 21세기의 대표 적 산업으로 자리잡게 하는데 결정적인 역할을 하 였다. 특히 효소나 세포를 촉매로 이용하는 생물 촉매기술은 생물촉매가 가지고 있는 높은 효율성 과 뛰어난 화학, 위치, 입체 선택성 등으로 인하여 많은 주목을 받아 왔다. 그러나 이러한 생물촉매 의 우수성에도 불구하고 지금까지의 산업적 응용 은 매우 제한적이었는데, 그 이유 중의 하나는 생 물전환공정에 적용되어 온 효소가 상온 상압에서 성장하는 중온성 미생물로부터 얻어진 것으로서 효소의 안정성이 낮은 점이었다. 화학공정을 효소 를 이용한 생물공정으로 대체하기 위해서는 고온, 고압, 산, 알카리, 유기용매의 사용 등이 가능하여 야 하는데 종전의 중온성 미생물로부터 얻어진 효 소는 이러한 조건에서 활성을 나타내지 못하고 단 백질 구조의 변형 등으로 인하여 활성을 빨리 잃 어버리는 문제를 지니고 있다.
한편, 지구상에는 지금까지 생명체가 살 수 없 다고 여겨진 환경, 즉 -10℃ 이하의 낮은 온도, 100℃ 이상의 높은 온도, 5M NaCl 이상의 높은 염분, pH<2의 강산, pH>11의 강알카리 등의 극한 환경에서도 생존하는 미생물이 존재한다는 것이 계속 보고되고 있다. 이러한 극한환경미생물로부
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…NICE, 제21권 제5호, 2003특/별/기/고
이 선 복
포항공과대학교 화학공학과 [email protected]
터 얻어진 효소는 종전에는 불가능하다고 생각해 온 극심한 조건에서도 안정적으로 활성을 나타내 기 때문에 생물전환공정에의 사용을 위한 생물촉 매로서 무한한 잠재력을 지니고 있다. 극한미생물 중 특히 많은 관심의 대상이 되는 것은 80℃ 이상 의 온도에서 성장하는 초고온성 미생물들이다. 지 금까지 수십종의 초고온성 미생물이 심해 열수 분 출공(thermal vent), 지표면의 화산지형, 유전지 대 등에서 발견되었는데, 2003년 8월 15일자 Science지에는 미생물의 멸균 조건인 121℃에서 도 성장하는 초고온성 미생물이 태평양의 한 해저 화산 분출구에서 발견되었다고 발표되어 세상을 다시 한번 깜짝 놀라게 하였다. 초고온성 미생물 의 발견은 현재의 상온 상압으로 한정된 생물촉매 기술 영역을 기존의 화학공업분야로까지 확대시 키는 계기가 될 것으로 전망되고 있다. 이러한 초 고온성 미생물로부터 얻을 수 있는 생체촉매는 100℃ 이상의 고온에서 안정하고, 유기용매나 산, 알카리의 첨가에 의해서도 쉽게 불활성화되지 않 기 때문에 이와 같이 안정한 생물촉매를 기존의 화학공정에 도입한다면 환경친화적인 생물공정으 로 기존의 공정을 대체하는데 많은 기여를 할 수 있을 것으로 예상된다.
세계의 전통적인 화학회사들이 최근 기존공정 들을 생명공학에 기반한 환경친화적인 공정으로 대체하고자 많은 노력을 기울이고 있는데, 최근에 는 고부가가치 정밀화학제품의 생산뿐만 아니라 범용 화학제품의 생산까지 생물촉매기술을 응용 하기 위한 연구를 진행하고 있다. 이러한 추세에 비추어 볼 때 기존의 화학공정을 개선하고 생물공 정으로 발전시키기 위하여는 극한환경에서 안정 성을 지닐 수 있는 효소의 사용이 필수적인 요소 이다. 특히 극한효소는 높은 안정성 뿐만 아니라 아직까지 알려지지 않은 새로운 화학반응을 가능 하게 할 수 있어 무한한 잠재력을 지니고 있다. 이
제 화학공학자들이 생명과학지식의 응용을 통하 여 극한효소를 이용한 새로운 생물화학공정의 산 업화를 목표로 연구한다면 또다시 화학공업의 전 성기를 맞을 것으로 기대된다.
21세기 경제의 화두는 단연 생명공학기술(BT) 과 정보통신기술(IT)이다. BT산업은 생명공학 기술을 이용하여 생물체가 가지고 있는 기능과 정 보를 활용하여 인류가 필요로 하는 재화 또는 용 역을 생산하는 산업이다. IT산업은 정보기술을 활 용하여 정보의 생산, 처리, 유통과 관련된 재화 또 는 용역을 생산하는 산업이다. 반면에 BIT(bio information technology)산업은 생명공학기술과 정보기술을 동시에 활용하여 재화 또는 용역을 생 산하는 산업 및 관련 산업을 일컫는다. BT와 IT 기술이 융합된 BIT기술은 단순히 정보통신기술 과 생명공학기술이 접목되었다는 것을 의미하지 는 않는다. BIT기술은 새로운 기술의 개발뿐만 아 니라 기존의 IT 및 BT기술의 연장을 뜻하기도 한 다. IT기술의 한계를 BT기술로 극복할 수도 있고 반대로 BT기술의 한계를 IT기술로 극복할 수도 있는 것이다. 예를 들면 IT기술의 대표적인 상용 화 제품인 컴퓨터의 기술적 한계를 BT기술을 이 용한 바이오컴퓨터, 바이오전자소자, 지능시스템, 생체정보시스템 등으로 극복할 수 있고, 반대로 IT기술을 활용하여 방대한 인간 유전체 정보의
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 21, No. 5, 2003…
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특/별/기/고
최 정 우
서강대학교 화학공학과 [email protected]
