화학적인 클릭으로 결합된

고효율 친환경 생촉매 복합체 개발

 

- 신소재공학부 권인찬 교수팀 Chemical Communications 논문 게재
- 위치 선택적인 생촉매 결합으로 바이오 전환 공정 효율 향상

 

 

(그림 2) FDH(좌, 초록색)와 MDH(우, 주황색)이 클릭화학을 통해 연결됨. FDH와 MDH의 각각 특정 부위에 연결기를 붙이고 각 생촉매의 연결기를 결합하여 FDH와 MDH를 결합시킨 생촉매 복합체 (enzyme complex)를 만들었다.

 

 

□ 국내 연구진이 클릭화학* 반응을 이용해 생촉매(효소)들을 위치 선택적으로 결합함으로써 환경에 유해한 화학반응을 친환경적으로 대체하는 바이오 전환 공정의 효율을 향상시키는 데 성공했다.

 

*클릭화학 반응: 두 분자의 반응기간의 상호작용을 통해 두 분자를 연결하는 특정 결합 반응

 

  ∘ GIST(광주과학기술원) 신소재공학부 권인찬 교수(교신저자)가 주도하고, 미국 버지니아주립대 화학공학과 임성인 박사과정생(제1저자)과 GIST 신소재공학부 조진환 석‧박통합과정생(제2저자: GIST대학 생명전공 졸업)이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원자사업의 지원을 받아 수행되었다. 이번 연구 결과는 영국 왕립화학회가 발행하는 케미컬 커뮤니케이션즈(Chemical Communications) 7월 2일 자 온라인판 뒷면 표지 논문(Back Cover)으로 게재됐다. (* 논문명: Double clicking for site-specific coupling of multiple enzymes)

 

□ 산업적으로 사용되고 있는 화학반응 중에는 위험한 반응물이 사용되거나 환경오염을 일으키는 폐액이 배출되는 경우가 많다. 이러한 화학반응을 친환경적인 바이오 전환 공정으로 대체하려는 노력이 활발히 진행되고 있다.

 

  ∘ 여러 단계가 존재하는 바이오 전환 공정에는 대부분 하나 이상의 생촉매가 필요한데, 두 가지 이상의 생촉매를 연결해 생촉매 복합체(enzyme complex)를 만드는 방법이 공정 과정에서의 반응 효율을 높이기 위한 방법으로 주목받고 있다.

 

  * 생촉매 복합체: 연속된 반응을 효율적으로 보낼 수 있도록 두 개 이상의 생촉매가 결합된 형태

 

∘ 하지만 기존 연구에서는 다수의 생촉매를 연결하는 부위를 조절하기 어려워 생촉매의 여러 부위에 원치 않는 혼합물이 생성되는데, 이는 생촉매의 활성을 감소시키는 원인이 되고 있다. 이를 해결하기 위해 위치 선택적으로 생촉매를 결합하는 방법이 연구되고 있다.

 

 

 

 

 

(그림 1) FDH(개미산전환효소, formate dehydrogenase)와 MDH(만니톨전환효소, mannitol dehydrogenase). FDH와 MDH의 연계반응을 통해 만니톨이 생성되는 과정. FDH에 의해 개미산에서 이산화탄소로 바뀌면서 NADH 조효소를 생성하게 된다. 생성된 NADH 조효소는 MDH에 의해 과당에서 만니톨을 생성하는 데 사용되게 된다. 이러한 연계과정을 통해 최종적으로 값싼 과당에서 의약품에 사용될 수 있는 만니톨을 합성할 수 있게 된다.

 

 

 

 

 

(그림 3) FDH와 MDH가 결합했을 때(검은색)와 자유로운 상태일 때(회색) 만니톨 생산량 비교. FDH와 MDH가 결합했을 때, 자유로운 상태일 때보다 만니톨 생산량이 2배 증가하는 것을 알 수 있다.

 

 

□ 연구팀은 개미산을 이산화탄소로 전환시키는 개미산전환효소와 과당을 만니톨로 전환하는 만니톨전환효소를 클릭화학을 통해 위치 선택적으로 연결하여, 활성에 영향을 주지 않으면서 효율을 증가시킬 수 있다는 것을 확인했다.

 

  ∘ 연구팀은 이를 위해 자연계에 존재하지 않는 반응기를 가진 아미노산을 생촉매 활성에 영향을 주지 않는 특정 위치에 도입한 후 두 개의 생촉매를 결합하는 기술을 사용했다.

 

  ∘ 연구팀은 만니톨의 생성 정도를 비교해봄으로써 두 개의 생촉매를 결합시키면 만니톨 생산이 기존보다 2배 이상 증가하는 것을 확인했다.

 

 

 

           

 

(왼쪽부터) 권인찬 교수, 임성인 박사과정생, 조진환 학생(석박통합과정)

 

 

□ 권인찬 교수는 “이번에 개발된 기술은 다양한 생촉매를 결합시키는 데 적용할 수 있는 일반적인 기술”이라며 “효율이 향상된 바이오 전환 공정(셀룰로스분해, 이산화탄소 전환, 메탄가스 전환 등)을 개발하는 데 기여하고 생촉매의 활성 메커니즘을 연구하는 데에도 유용하게 활용될 것으로 기대된다”고 말했다.      <끝>

 

 

 

 

대외협력팀