[졸업논문][화학생물공학] 산화화원 효소의 이용을 위한 조효소 재생 방법

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목차: 1. 서론

2. 조효소 재생을 위한 다양한 방법들
2.1. 전체 세포를 이용한 재생 방법
2.2. 분리된 효소를 이용한 재생 방법
2.2.1. 기질 짝지음 시스템
2.2.2. 효소 짝지음 시스템
2.3. 전기화학적 재생 방법
2.3.1. NAD(P)H의 재생 방법
2.3.2. NAD(P)+의 재생 방법
2.4. 광화학적 재생 방법
2.5. 화학적 재생 방법

3. 종합고찰 및 향후 연구방향

본문내용: 2. 조효소 재생을 위한 다양한 기술들

2.1. 전체 세포 (Whole-cell)를 이용한 재생 방법

살아있는 세포 전체를 그대로 이용하면 그 세포 내부의 효소가 촉매하는 산화 환원 반응을 통해 원하는 생성물을 만들어 낼 수 있다. 미생물들의 대사 시스템 자체에 조효소를 재생할 수 있는 능력이 들어있기 때문에 여기서는 따로 조효소 재생 시스템을 만들어주지 않아도 조효소 재생이 계속 일어나고 있다고 할 수 있다. 다만 반응에 필요한 시약이나 재생 반응에 필요한 시약(regeneration reagent)만을 공급해주면 원하는 생성물을 얻을 수 있다. 반응을 위해 쓰이는 대표적인 세포로는 빵효모(baker's yeast, Saccharomyces cerevisiae), 유전자를 변형시킨 미생물 등이 있다. 이런 방법으로 예를 들면 monoxygenase를 이용하여 옥테인(octane)을 산화시킬 수 있다. 그리고 Rhodococcus ruber의 전체 세포를 사용하여 카이랄(chiral) 화합물인 (S)-alcohol을 합성할 수도 있다. keto ester를 hydroxy ester로 환원시킬 수도 있다 (Eckstein et al., 2004). 특히 빵효모는 다루기 쉽고 독성이 없으며, 다양한 기질에 잘 견딜 수 있고, 가격이 저렴하다는 등의 이유로 조효소 재생이 필요한 반응에서 많이 이용되어 왔다. 한편 유전 공학 기술을 이용하면 대장균(Eschericia coli)에서 생성물을 만드는 반응 뿐 아니라 필요한 조효소 재생반응도 할 수 있도록 외부 유전자를 삽입해 재생에 필요한 효소를 새롭게 발현시켜 줄 수 있다. 이렇게 하면 생성물을 만드는 반응과 함께 조효소를 재생해내는 반응도 같이 일어나게 되는 것이다. 몇 가지 예가 다음의 그림에 나와 있다.

Figure 2 Cofactor regeneration by whole-cells (Wichmann et al., 2005) : Dotted lines mean that the main reactions and the regenerating reactions are taking place in the same cell.

이렇게 전체 세포를 이용하는 방법은 필요한 효소를 따로 분리하는데 필요한 비용이 들지 않기 때문에 가격이 저렴한 편이다. 또한 조효소 재생 반응이 자발적으로 일어나며, 재생을 위한 시약도 산소나 포도당(glucose)같은 것이 이용되기 때문에 저렴하게 반응을 진행시킬 수 있다. 하지만 반응기 부피 생산성(reactor volume productivity)이 낮고 바이오매스 폐기물(biomass waste)이 많으며, 생성물을 분리해내는 공정이 복잡하다. 또 효소의 단위 무게 당 활성도(activity)가 낮을 것이며, 기질이나 생성물에 의해 세포의 성장이 방해를 받을 수 있어서 세포의 안정성이 낮고, 세포 내 효소들의 상대적인 활성을 조절하기가 힘들다. 그래서 기질 특이성이

참고문헌: 1 Andreas S. Bommarius, Michael Schwarm Karlheinz Drauz (1997), "Biocatalysis to amino acid-based chiral pharmaceuticals - examples and perspectives". Journal of Molecular Catalysis B:Enzymatic, 5:1-11

2 Frank Hollmann Andreas Schmid (2004), "Electrochemical regeneration of Oxidoreductase for cell-free biocatalytic redox reactions", Biocatalysis and Biotransformation, 22:63-68

3 F. Hollmann, K. Hofstetter, A. Schmid (2006), "Non-enzymatic regeneration of nicotinamide and flavin cofactors for monooxygenase catalyst", Trends in Biotechnology, 24:163-171

4 Huimin Zhao, Wilfred A van der Donk (2003), "Regeneration of cofactors for use in biocatalysis", Current Opinion in Biotechnology, 14:583-589

5 Marrit Eckstein, Thomas Daubmann, Udo Kragl (2004), "Recent developments in NAD(P)H regeneration for enzymatic reductions in one- and two-phase systems", Biocatalysis and Biotransformation, 22:89-96

6 R. Wichmann, D. Vasic-Racki (2005), "Cofactor regeneration at the lab scale", Adv Biochem/Biotechnol, 92:225-260

7 Wenfang Liu, Ping Wang (2007), "Cofactor regeneration for sustainable enzymatic biosynthesis", Biotechnology Advances, 25:369-384

8 Wilfred A van der Donk, Huimin Zhao (2003), "Recent developments in pyridine nucleotide regeneration", Current Opinion in Biotechnology, 14:421-426

9 Stryer, Berg, Tymoczko, "Biochemistry" (6th edition), 2006, Freeman

Oxidoreductases are very useful biocatalysts for the oxidation and reduction of various compounds. Most of them require nicotinamide cofactors such as NAD(P)+ and NAD(P)H to catalyze many redox reactions. It's impossible, however, to use stoichiometric amounts of cofactors because they are too expensive. Cofactor regeneration is therefore indispensible for the economical bioprocess. As a result, many cofactor regeneration systems have been developed. This thesis focuses on various methods to regenerate NAD(P)+ and NAD(P)H. Regeneration methods by whole cells, isolated enzymes, electrochemical reactions, photochemical reactions and chemical reactions were presented and discussed.

Keywords oxidoreductase, cofactor, cofactor regeneration,
NAD(P)+, NAD(P)H

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