바이오인

핵심내용

- 효소를 이용한 친환경적인 고품질의 비천연 아미노산 생산 기술 확보 -

□ 국내 연구진이 에이즈, 간질, 항암제 등 다양한 의약품의 핵심원료로 사용되는 비천연 아미노산*을 효소를 이용하여 기존보다 품질은 향상시키면서도 비용을 훨씬 줄일 수 있는 공정 기술을 개발하였다.
* 비천연 아미노산 : 생명체가 생산하는 천연아미노산과 달리 인공 합성에 의해 만들어지는 아미노산으로, 다양한 의약품이나 건강식품의 핵심 원료로 사용되는 고부가가치 화합물
◦ 이번 연구를 통해 지금까지 전량 해외에서 수입하고 있는 고가의 비천연 아미노산(연 500억원)을 대체할 뿐 아니라, 국내 기업이 해외 시장(3조원 규모)으로 진출할 수 있는 교두보를 마련했다.

□ 이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프론티어사업 ‘차세대바이오매스연구단(양지원 단장)’의 지원을 받아 연세대학교 생명공학과 신종식 교수팀이 수행하였으며, 응용화학 분야의 세계적 권위지인 Advanced Synthesis & Catalysis 11월호(11월 24일) 표지 논문으로 선정되었다.
※ 논문명 : Deracemization of amino acids by coupling transaminases of opposite stereoivity

□ 생명체를 구성하는 단백질의 구성요성인 아미노산은 생산방법에 따라 식품이나 동물사료에 쓰이는 저가의 천연 아미노산과 의약품이나 건강식품 등 인체에 활용되는 고가의 비천연 아미노산으로 구분된다.
◦ 대장균 등을 이용하여 생산하는 천연 아미노산은 대량생산 기술을 갖춘 세계적 수준의 국내기업들이 있는 반면, 정밀화학 공정을 필요로 하는 비천연 아미노산은 의약품 핵심원료로 쓰이는 산업적 중요성에도 불구하고 국내 생산기술이 부재하여 독일과 일본 등에서 전량 수입하고 있다.

□ 이번에 연구진이 개발한 비천연 아미노산 생산 기술은 저가의 라세믹 화합물에 효소(트랜스아미나제)를 촉매로 사용하여 아미노산을 생산하였으며, 기존 해외 기술보다 고품질·저비용·자연친화적인 기술이다.
◦ 기존 해외 기업이 보유한 아미노산 생산 기술은 유기촉매나 산화효소를 사용하기 때문에 아미노산의 순도가 낮을 뿐 아니라 유독한 부산물이 생성되는 문제점이 있었으나, 이번 개발된 기술은 트랜스아미나제를 촉매로 사용함으로써 높은 아미노산 순도(99% 이상)에도 불구하고 유독물질의 발생이 없는 친환경적인 공정 기술이다.
◦ 더 나아가 연구팀은 이번 기술을 활용해 L-터트류신(에이즈치료제,항암제), L-호모알라닌(간질, 결핵 치료제), L-노르발린(고혈압 치료제), D-알라닌(항암제), D-세린(인지향상약물), D-글루타메이트(장질환 치료제) 등 각종 의약품의 핵심원료로 쓰이는 다양한 아미노산을 성공적으로 생산하였다.

□ 신종식 교수는 “국내에는 바이오공정을 이용한 고부가가치 화학 제품 생산기술이 매우 취약한 편이다. 이번 연구는 기존 특허와 차별되는 원천기술로서 향후 국내 바이오화학업체가 가격경쟁력을 갖춘 고품질의 비천연 아미노산을 생산하여 국내외 시장을 개척하는데 크게 기여할 것으로 기대된다.”라고 밝혔다.

상세내용

연 구 결 과  개 요

1. 연구배경

○ 최근 화학산업의 전세계적인 추세는 친환경 공정의 개발을 통해 전통적인 유기화학공정을 대체해나가는 것이다. 이러한 추세에 발맞추어 바이오공정을 이용한 고부가가치 정밀화학제품의 생산은 화학기업들의 초미의 관심사중 하나이다.

○ 국내에는 MSG, 라이신, 트레오닌과 같은 저가의 천연아미노산을 발효에 의해 생산하는 세계적인 기업들이 있다. 그러나 비천연아미노산의 경우 천연아미노산에 비해 훨씬 고부가가치이며 다양한 의약품의 핵심 원료로 쓰이는 산업적 중요성에도 불구하고 국내에 생산기술을 보유한 기업이 드문 실정이다. 이는 비천연아미노산은 전통적인 발효나 유기화학적 방법으로는 생산이 어려우며 효소를 사용하는 바이오공정을 써야 하나 원천기술을 대부분 해외 거대 화학회사들이 보유하고 있어 기술적 진입장벽이 크기 때문이다.

○ 비천연 아미노산 생산기술은 크게 광학분할, 비대칭합성, 탈라세믹화를 들 수 있다. 이중 탈라세믹화는 이론수율이 100 %이고 저렴한 라세믹 혼합물을 원료로 사용하는 이점이 있어 가장 이상적인 방법이다. 그러나, 여러 가지 기술적 제약 때문에 탈라세믹화를 통한 비천연 아미노산 생산의 상용화는 아직 초기단계이다. 예를 들어 화학촉매를 사용하는 공정으로는 의약품원료에 요구되는 99 % 이상의 순도를 달성하기 어렵다. 또한 산화효소를 사용하는 기존의 생물학적 공정은 부산물로 생성되는 유독한 과산화수소를 제거하기 위해 추가 효소가 대량 투입되어야 하는 문제점이 있다.

○ 연구팀은 이러한 문제점을 인식하여 해외 기업의 보유 특허와 기술 중첩성이 없는 비천연아미노산 생산 원천기술을 개발하고자 하였다. 연구팀은 트랜스아미나제라는 아미노기 전달효소를 오랫동안 연구하였으며 2종의 효소를 적절히 조합할 경우 화학적 합성법에 의해 값싸게 제조되는 아미노산 라세믹 혼합물을 순수한 L-형 및 D-형 아미노산으로 전환하는 것이 가능하리라는 점에 착안하였다.

2. 연구내용

○ 연구팀이 개발한 탈라세믹화는 투입된 2종의 효소가 서로 간섭없이 두 개의 반응을 독립적으로 수행하도록 설계되었다. 먼저 라세믹 혼합물에서 원치 않는 형태의 아미노산만을 선택적으로 케토산으로 전환시키고 이 케토산을 원하는 형태의 아미노산으로 역전환시킨다. 이를 통해 궁극적으로 라세믹 혼합물을 순수한 L-형 또는 D-형 아미노산으로 전환하는 탈라세믹화가 가능하다.

○ 이 기술의 장점은 투입되는 두 효소의 조합을 변경하여 동일한 원료로부터 L 또는 D-형 아미노산을 모두 생산할 수 있다는 점이다. 또한 순도 99 % 이상의 다양한 아미노산의 생산이 가능하며 이는 의약품 원료로 바로 사용될 수 있는 높은 순도로서 기존의 유기합성법과 비교하여 월등히 높다. 또 다른 장점은 반응의 부산물 또한 고순도의 아미노산으로써 분리정제가 용이한 두 가지 고가의 비천연아미노산의 동시생산이 가능하다는 것이다.

3. 기대효과

○ 에이즈, 간질, 결핵 치료제 및 항암제 등의 다양한 의약품의 원료로 사용되는 비천연아미노산은 해외 거대 화학회사들이 대부분의 생산기술을 보유하고 있는 상황이다. 이번 연구는 기존의 탈라세믹화 생산기술의 난제를 해결함으로써 상용화에 매우 근접한 것으로 평가된다. 이를 통해 전 세계 3조원 규모로 추정되는 비천연아미노산 시장에 국내 바이오화학 및 제약업체가 진출할 수 있는 생산기술 확보에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

연 구 결 과 문 답