바이오인

핵심내용

오랫동안 반복 사용할 수 있는 효소 고정화 소재(나노케이지) 개발
- 정밀화학·제약·바이오기술 등 적용 기대 -

□ 한국연구재단은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구 등)의 지원을 받은 박지웅 교수(광주과학기술원), 양성윤 교수(충남대학교) 공동연구팀이 장기간 반복 사용이 가능한 효소 고정화 소재*를 개발하였다고 밝혔다. 
     *효소 고정화 소재 : 효소를 고체 상태의 지지체의 표면에 붙이거나 그 안에 걸려 있도록 고정한 소재 

 - 생물체의 몸 안에서는 영양분을 흡수하여 성장하고, 에너지를 얻고, 번식하고, 병균을 퇴치하는 등 생물체가 살아가는 모든 과정에서 많은 화학반응이 일어나는데, 이 화학 반응들이 정확하고 빠르게 일어나게 하는 촉매 역할을 하는 것이 효소이다.

 - 현대 과학자들은 효소를 공업적으로 적용하여 약품이나 연료를 생산하고, 물을 정화하거나 대기 중의 이산화탄소를 줄이고자 노력하고 있다. 그러나 효소는 생물체 밖의 환경에서는 쉽게 변질되어 그 촉매 활성을 잃기 쉽고, 한 번 사용 후 다시 사용하기가 어려워 비용이 많이 드는 단점이 있어서 이런 문제를 해결할 수 있는 신기술 개발이 요구되고 있다.

□ 연구팀은 수 나노미터(백만분의 1mm)인 효소 분자와 크기가 비슷한  구멍이 삼차원의 미로처럼 얽혀 있는 구조를 가진 플라스틱 신소재를 개발하고 이 미로에 효소를 가두어 효소의 활성을 반영구적으로 유지하고 여러 번 반복 사용할 수 있도록 새로운 효소 고정화 소재인 나노케이지*를 개발하였다. 이 소재는 대면적의 얇은 필름이나 입체적이고 복잡한 모양으로도 가공할 수 있어서 효소화학반응을 기반으로 한 큰 규모의 화학공정뿐만 아니라 진단이나 검출 기능을 가진 초소형 반응기 등의 신기술에 적용할 수 있다.
      *효소 나노케이지 : 나노미터 크기의 구멍 안에 효소가 갇혀 있는 구조를 가진 소재를 의미하며 구멍 안에서 효소 분자는 구멍으로 들어오는 작은 분자들과의 화학반응에 참여할 수 있지만, 밖으로 빠져 나오지 못하게 되어 있다.

□ 또한 압력을 가해 다양한 종류의 효소를 나노케이지 필름 안으로 밀어 넣는 방법을 개발하였다. 이것은 효소를 고정하는 기존의 어떤 방법보다 간단하게 진행하면서 효소의 변성이나 손실 없이 원하는 양만큼 정량적으로 효소를 고정할 수 있는 최초의 방법이다. 

□ 박지웅 교수는 “이번 연구 성과는 생물체 밖의 인공적인 환경에서도 효소를 보다 쉽고 경제적으로 공업적인 분야에 이용할 수 있게 하는  원천 기술을 개발한 것이다. 이 기술을 이용한 효소 나노케이지 필름은 반응하는 화합물이 필름을 통과하면 원하는 물질을 생성할 수 있어  의약품 제조, 환경 감지기 등 생체막을 모방한 막반응기* 기술 개발에 기여할 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.
     *막반응기 : 액체나 기체상의 화합물이 투과할 수 있고 그 안에 촉매가 들어 있어서, 액체나 기체상의 반응 가능한 화합물이 투과하고 나면 다른 화합물로 변하는 화학반응을 할 수 있는 막

□ 이 연구성과는 화학 분야의 세계적 학술지 앙게반테 케미(Angewandte Chemie) 8월 11일자에 게재되었다.  

 
□ 논문명, 저자정보

   - 논문명 : Bicontinuous Nanoporous Framework: Caged Longevity for Enzymes
   - 저자 정보 : 박지웅(광주과학기술원, 교신저자), 양성윤(충남대학교, 교신저자), 배재성(광주과학기술원, 제1저자), 전은경(광주과학기술원, 공동저자), 문수영(광주과학기술원, 공동저자), 오왕석(광주과학기술원, 공동저자), 한선영(광주과학기술원, 공동저자), 이정훈(충남대학교, 공동저자), 김동명(충남대학교, 공동저자)

□ 논문의 주요 내용

 1. 연구의 필요성
  ○ 효소를 고체 상태의 물질에 고정하는 기술은 고정되지 않은 효소보다 그 활성을 더 오래 유지할 수 있고 반응 후에 회수하여 재사용이 가능하기 때문에 공정에서 효소에 대한 비용을 낮출 수 있을 뿐만 아니라 에너지 사용을 줄이면서 친환경적인 효소 기반의 화학 공정을 가능하게 할 수 있다.

  ○ 하지만 효소는 고정할 때 손실이 많고, 고정 방법이 복잡하고 정량적이지 않다. 또한 고정된 효소 활성이 감소하는 단점이 있다. 효소의 활성을 영구적으로 유지할 수 있고, 고정된 효소를 계속 재사용할 수 있도록 할 수 있는 기술이 필요하다. 
 
 2. 연구 내용
  ○ 연구팀은 유기 졸-겔법*을 이용해 유기분자망*을 용매에 분산된 졸(sol) 상태로 만들고, 여기에 용액에 잘 녹는 고분자를 혼합하면 분자망과 고분자 물질이 서로 분리되는 상분리 현상이 일어나는 동시에 분자망 입자들끼리 반응하여 겔(gel)이 되는 현상이 일어나는 점을 이용하여 나노 구조를 제어함으로써 삼차원 연속성 구조에 그 폭이 평균 5~30나노미터인 나노 다공성 필름을 제조하였다. 
      *유기 졸-겔법 : 용액 중에서 3개 이상의 작용기를 가진 유기화합물 분자들이 서로 연결되는 반응을 통하여 유기분자망 입자가 분산된 용액인 졸(sol)을 먼저 생성한 다음 이 분산되어 있던 입자들이 응집되어 연결되도록 함으로써 겔(gel)을 생성하는 것을 단계로 하는 유기분자망을 제조하는 방법.
      *유기분자망 : 3개 이상의 작용기를 가진 분자들이 삼차원적으로 서로 연결되어 만들어지는 그물 구조의 물질

  ○ 개발한 나노다공성 필름 소재의 삼차원적인 기공 구조, 그리고 열적, 화학적, 기계적 안전성을 확인하였으며 대면적으로 제조 가능함을 증명하였다.

  ○ 나노다공성 필름에 리파제 (lipase) 용액*을 질소로 가압하여 투과시켜 리파제를 쉽게 원하는 양만큼 필름 내부의 나노 기공 안에 주입할 수 있음을 규명하였고 삼차원 연속성의 기공구조로부터 효소가 유실되지 않음을 확인하였다.
     *리파제 용액 : 지질을 가수분해하여 지방산과 글리세롤을 만들며, 동물의 췌장, 곰팡이와 효모에서 생산된다. 에스터화 반응에 리파제를 촉매로 사용할 수 있다.

  ○ 리파제가 들어 있는 다공성 필름의 촉매 반응을 올레산과 부탄올의 에스터화 반응*을 이용하여 확인하였으며 여러 번 재사용해도 활성이 계속해서 유지되고 장시간 동안 특별한 처리 없이 사용이 가능함을 증명하였다.
    *에스터화 반응 : 알코올과 산이 반응하여 에스터 결합이 생기는 화학반응

3. 연구 성과
  ○ 효소를 손실 없이 원하는 양만큼 막 내부의 나노 기공 안에 주입할 수 있으며, 가압하여 효소 용액을 흘러 주는 방법은 기존의 어떤 방법보다 간단하고 효과적인 효소고정화 방법이다. 연구팀이 개발한 삼차원연속 나노기공소재는 반영구적으로 효소의 활성을 유지하고, 반응 용액으로부터 손쉽게 분리할 수 있고, 재사용해도 효소 활성이 저하되지 않는 획기적인 효소 고정화 소재이다.

  ○ 효소나노케이지 소재는 다양한 새로운 화학 기술 개발에 기여할 것으로 기대된다. 예를 들어 값비싼 효소를 이용해야만 제조할 수 있는 의약품의 제조에 적용하여 그 가격을 낮출 수 있고, 효소에 의한 병의 진단이나 환경 감지기 등을 가능하게 할 수 있으며, 일반적으로는 기존의 화학공정을 효소기반의 신공정으로 대체하여 에너지를 절감하거나, 생성물의 수율을 올리고 부산물의 생성을 줄일 수 있다.

상세내용

연 구 결 과  개 요

1. 연구배경
  ㅇ 효소는 생물체가 생명을 유지하고 번식하는 데에 필요한 생화학적 반응이 빠르고 정밀하게 일어나도록 하는 촉매이다. 효소에 의한 화학반응은 특정 구조의 화합물에 선택적으로 일어나고, 부반응 없이 저온에서도 높은 수율로 생성물을 제공하는 장점이 있어서 효소 화학 및 공정에 대한 이해와 연구는 에너지 효율성이 높고 친환경적인 미래 바이오 기술 및 공정 개발을 위해 필수적이다. 그러나 효소는 반응 후 회수, 재사용이 어렵고, 생체와 다른 온도나 매질에서는 활성이 급격하게 저하되므로 오히려 생산성이 낮고 고비용이 드는 문제점을 야기한다.

  ㅇ 이와 같은 한계점을 극복하고자 효소를 고체 상태의 물질에 고정하는 기술이 개발되어 왔다. 고정된 효소는 고정되지 않은 효소보다 그 활성이 더 오래 유지되고 반응 후에 회수하여 재사용이 가능하기 때문에 공정에서 효소에 대한 비용을 낮출 수 있다. 하지만 아직도 효소를 고정할 때 손실이 많고, 고정 방법이 복잡하고 정량적이지 않으며, 고정된 효소의 활성이 감소하는 단점이 있다. 효소의 활성을 영구적으로 유지할 수 있고, 고정된 효소를 계속 재사용할 수 있도록 할 수 있는 기술이 아직도 요원한 실정이다. 획기적인 효소 담지 기술은 고가의 약품이나 화합물의 가격을 크게 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 에너지 사용을 줄이면서 친환경적인 효소 기반의 화학 공정을 가능하게 할 수 있다.

  ㅇ 효소 고정에 바람직한 소재는 효소를 정량적으로 그 안에 고정할 수 있고 고정하는 과정 중에 손실이 적어야 한다. 고정된 후에는 효소 분자가 유체에 쓸려 떨어져 나가거나 효소끼리 서로 응집되어 활성을 잃지 않아야 하며, 외부로부터 유입되는 화합물, 촉매, 미생물 등에 의해 변성되지 않도록 해야 한다. 이런 성능을 달성하기 위해서는 효소를 잘 보호하는 구조가 필요해 보이지만, 효소가 반응화합물과 원활히 접촉하려면 반대로 외부 용액의 출입이 용이한 열린 구조가 필요하다.
 
 2. 연구내용
 ㅇ 반응할 수 있는 작용기가 3개 이상인 분자들이 서로 반응하면 삼차원적인 망 구조가 형성된다. 연구팀은 이런 분자망이 나노 입자로 성장하여 유기 용매에 잘 분산되어 있는 졸(sol) 상태가 되게 하고 여기에 용액에 잘 녹는 고분자를 혼합하여 삼차원 연속적인 (bicontinuous) 미세상(microphase) 나노 구조를 형성하게 하였다. 용매가 완전히 증발한 다음 필름에서 용매에 녹는 고분자만 선택적으로 녹여 냄으로써 삼차원 연속성 나노 기공을 가진 필름을 손쉽게 제조할 수 있었다. 특히 상분리겔화 현상에 사용한 고분자인 폴리에틸렌글리콜(PEG)*이 기공의 표면에 남아 기공의 친수성*을 높여 주고, 알맞은 조성과 공정에 의해서 삼차원 연속성(bicontinuous) 구조에 그 폭이 평균 5~30 나노미터인 나노 다공성 필름을 대면적으로 제조할 수 있었다.
      *폴리에틸렌글리콜 : 산화에틸렌을 중합하여 얻는 고분자 물질로 물에 녹으며, 휘발성이 없는 끈적끈적한 액체 또는 고체이다.
       *친수성 : 어떤 물질의 성질이 물과 강하게 상호작용을 하고 높은 친화력을 가지는 것을 말하며, 친수성이 큰 물질은 물과 같은 극성용매에 녹거나 잘 섞일 수 있다

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 ㅇ 개발된 다공성 필름은 간단한 용액공정으로 대면적의 유연한 필름으로 제조할 수 있으면서도 필름이 형성된 후에는 용매나 열에 의해 그 나노 구조가 변하지 않아서 넓은 응용성을 가진다.

 ㅇ 대표적인 예로서 연구진이 개발한 소재의 기공의 크기는 효소의 일반적인 크기와 유사하므로 효소가 쉽게 통과하지 못하지만, 압력을 가하여 효소의 용액을 필름에 통과시켜 주면 효소가 삼차원으로 연결된 나노 채널의 곳곳에 고르게 들어가게 된다. 이 효소들은 다른 액체가 통과하더라도 이동하지 못하므로 유실되지 않지만 채널 안에서는 분자의 일부 구조가 회전하거나 움직이는 데는 문제가 없으므로 그 촉매적 기능이 유지된다. 또한 삼차원의 기공을 통해 외부와 연결되어 있어서 반응물과 생성물의 출입이 자유로운 이상적인 효소의 우리(Enzyme cage)를 제공한다. 연구진은 실제로 효소의 한 종류인 리파제*를 이 신소재의 나노채널 안에 넣어서  여러 번 재사용해도 활성이 계속해서 유지되고 수개월 동안도 사용이 가능함을 증명하였다.
     *리파제 : 지질을 가수분해하여 지방산과 글리세롤을 만들며, 동물의 췌장, 곰팡이와 효모에서 생산된다. 에스터화 반응에 리파제를 촉매로 사용할 수 있다.

3. 기대효과
 ㅇ 이번 연구의 성과는 열적, 화학적, 기계적으로 안정하며 대면적화가 가능한 삼차원 연속성 나노다공 구조를 가진 새로운 막 (membrane) 소재, 이에 효소가 고정된 효소담지소재 및 기술 등 독창적인 원천기술을 개발한 것이다.  효소를 손실 없이 원하는 양만큼 막 내부의 나노 기공 안에 주입할 수 있으며, 효소 용액을 가압하여 흘러 주면 되는 방법은 기존의 어떤 방법보다 간단하고 효과적이다. 삼차원 연속 나노기공소재는 반영구적으로 효소의 활성을 유지하고, 반응 용액으로부터 손쉽게 분리할 수 있고, 재사용해도 효소 활성이 저하되지 않는 획기적인 효소 고정화 소재라고 할 수 있다.

 ㅇ 연구팀은 논문에서 보인 리파제뿐만 아니라 다른 종류의 효소의 고정화도 가능함을 보이고 있고, 배치 반응기뿐만 아니라 막 형태로 연속유체반응기 등에도 적용하는 연구를 수행하며 여러 건의 국내외 특허 등록을 추진하고 있으며, 이 연구결과는 비용이 높거나 효율이 낮은 화학 또는 의약품 제조 공정을 대체할 효율적인 효소기반의 기술을 개발할 수 있게 하거나, 이산화탄소 포집이나 의료/환경 감지 기능이 있는 효소들을 나노케이지 필름에 담은 신기능성 필름 소재 개발이 가능할 것으로 기대된다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

효소에 의한 화학 반응은 높은 선택성과 에너지 효율성 때문에 친환경적인 미래 바이오산업을 위해 필수적이지만 효소를 고정한 소재 및 고정화 기술은 국내에서는 상업적으로 미비한 상태이며 주로 선진국에서 고가로 수입하여 사용하고 있는 실정이다. 획기적인 효소 담지 기술 개발이 필요했다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개 

연구팀은 유기 졸겔법이라는 새로운 방법으로 분자수준의 망 구조를 가진 고분자 신소재를 개발한 바 있다. 이 신물질을 계속 연구하는 과정에서 이 물질과 다른 고분자 물질 사이에 발생하는 상분리와 겔화 현상을 발견하고 그 메카니즘을 분석하여 나노구조가 제어된 다공성 필름을 제조할 수 있었다. 이어서 열적, 화학적으로 안정한 구조적 특징을 바탕으로 효소 및 촉매 반응기로의 응용에 초점을 두고 연구를 진행하였다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

연구팀이 개발한 물질의 성질과 물질이 생성되는 메커니즘을 이해하기 위해 오랫동안 다양한 조건에서 실험을 반복하였다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

삼차원적인 미로 형태의 나노케이지로 효소를 반영구적으로 보호하면서 장시간 반복해서 그 촉매기능을 사용할 수 있게 된 것은 매우 획기적인 것으로 생각된다. 특히 이 효소신소재를 필름형태로 다양하게 가공할 수 있으므로 효소 공정 분야에 파급효과가 클 것으로 기대한다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

연구팀이 개발한 소재를 활용하여 배치 반응기뿐만 아니라 막 형태로 연속유체반응기 등에도 적용하는 연구를 수행하는 중이며, 정밀화학 및 제약, 센서 분야에서 파급효과가 큰 새로운 화학기술 개발에 적용하고자 한다.

...................(계속)

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