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생물전환반응 (bioconversion 또는 biotransformation) 이란 생체의 기능, 또는 생체가 가지고 있는 생촉매의 기능을 이용하여 새로운 신생물 제품을 생산하거나, 기존 화학합성공정에 의해 합성 및 생산되고 있는 기존 화학제품을 신생물 제품으로 대체하고자 하는 기술을 말하며, 인간과 환경을 고려한 신기술 및 대체기술 그리고, 청정기술을 의미한다. 따라서, 생체 및 생촉매의 기능을 활용하여 의약품, 의약품 원료물질, 비타민, 유용 아미노산, 인지질, 식품 원료, 농업용 화학제품 등을 포함한 다양한 화학제품을 생산해 낼 수 있는 생물산업의 꽃이라 할 수 있다.

 

 

 

생물전환반응의 시발점을 찾는다면, 1800년대 Louis Pasteur의 업적으로 거슬러 올라가야 할 것 같다. 프랑스가 낳은 위대한 이 천재 과학자는, 자연발생설을 실험적 증명을 통하여 최초로 부정한 것이 대표적인 업적으로 알려져 있지만, 포도주 발효액으로부터 유기산인 tartaric acid를 결정화하였고, 이 결정이 겹쳐지지 않는 두 가지의 mirror image 형태로 되어 있다는 것을 보고한 유기화학의 stereochemistry 의 선구자이기도 하다. 바로 이러한 입체이성질체가 생체 효소에 의하여 특이하게 인식되고 기질로 사용된다는 사실이, 생물전환 기술의 유용성을 인식하는 계기가 된 것이다. 또한, Pasteur는 최초로 미생물의 존재를 인식하고 발효조를 디자인하여 산업적으로 응용하였던 현대 생물 산업의 원조인 셈이다. 이와 같은 지식을 기초로, 초기의 생물전환 기술은 주로 광학이성질체를 합성, 분리하거나 diastereo isomer를 제조하는 분야로 집중되었다. 즉, 생물전환기술의 유용성은 효소가 갖는 기질에 대한 특이성, 정확성, 효율성, 선택성에 의하여 화학공정이 갖는 복잡한 반응을 one-step으로 실현시킬 수 있다는 장점이 유효했던 것이다.

 

광학이성질체가 섞여 있는 mixture는 biocatalysis를 통해 각각 화학적 특징과 물리적 특징이 다른 물질들로 전환될 수 있고, 이들 각각의 물질은 쉽게 분리될 수 있다. 이러한 방법을 kinetic resolution이라고 부르는데, 이것은 두 가지 이성질체의 reaction 비율이 다른 점을 이용한 것이다. 예를 들어, Pseudomonas putida의 aminopeptidase의 경우, 두 가지 이성질체가 가능한 amino acid amide를 L-form은 L-amino acid로 (NH₂를 OH로) 전환시키지만, D-form은 NH₂가 그대로인 D-amino acid amide 상태로 전환시키게 된다. 이 반응은 고도의 stereoivity를 보여주는 예이며, 이후 단 한번의 분리 조작으로, 이론상으로는 50%의 확률로 얻을 수 있는 각각의 L-acid와 D-amide를 모두 순수하게 분리하여 광학적 활성을 갖는 순수화합물을 제조 할 수 있게 되는 것이다. 이와 같은 효율성에 힘입어 많은 화학공정이 생물전환반응 공정으로 대체 되었으며, 이 중 대표적인 것을 표1에 나타냈다.

 

Reaction type	Process	Catalyst
Steroids Hydroxylation Side chain oxidation Prochiral reduction	Cortisteroid manufacture 17-Ketosteroid manufacture Total synthesis of (13-ethyl)-steroid nucleus	Metabolizing cells Metabolizing cells Metabolizing cells
β-lactams Amide hydrolysis Ester hydrolysis	6-APA manufacture 3-Hydroxymethyl cephalosporin derivatives	Immobilized enzyme Non-viable cells
Sorbitol oxidation Aldol condensation Benzylic hydroxylation N-Acetyl hydrolysis	Ascorbate manufacture D-Ephedrine manufacture Oxamniquine manufacture L-amino acid manufacture	Metabolizing cells Metabolizing cells Metabolizing cells Immobilized enzyme

현재, 많은 대학과 산업체에서 미래 생물산업의 약속의 땅인 생촉매에 주목하고 있는데, 특히 화학물질의 청정 생산(Green chemistry)을 위해 의약과 농약 분야에서 좀더 선택적이고 복합 활성을 갖는 첨가제의 생산에 주목하고 있다. 따라서, 높은 입체선택성과 순수광학활성 생산물이 생촉매의 가장 매력적인 특징이 되고 있다. 대표적인 생촉매제의 large-scale 산업적 적용 예로서는, 저칼로리 감미료인 aspartame의 thermolysin-catalyzed 합성과 acylase를 사용하는 semi-synthetic β-lactam 항생제의 합성이 있다. 또한, acrylamide와 nicotinamide는 nitrile hydratase를 이용하여 생산되고, 유기용매인 1,5-dimethyl-2-piperidone (1,5-DMPD)는 nitrilase의 사용에 의해서 제조된다. 소규모의 생물전환 공정예도 다수 존재하는데, 특히 의약적 성분 제조 등에 많이 사용되고 있다.

 

대학과 산업체에서의 이런 연구 와 노력에도 불구하고 생촉매 적용의 수와 다양성은 그렇게 많지 않다. 이러한 상황은 생촉매의 유용성, 기질의 범위, 조작상의 안정성을 포함한 여러 제약요인들에 기인한 것일 수도 있다. 그러나, 최근의 비약적인 과학 발전이 이러한 제약들을 극복하는데 도움을 줄 수 있고, 생촉매의 적용을 확장시킬 수 있을 것으로 기대하고 있다. 유전체학의 발전, directed evolution, gene 과 genome shuffling, 지구상의 생물학적 다양성의 개발 등이 bioinformatics와 high-throughput screening system의 발전과 유기적으로 협력하여, 필요한 과정에 적합하게 적용될 수 있는 효소를 발견하고 이용성을 촉진시킬 수 있을 것이다.

 

이러한 기술을 기반으로, 효소의 용매에 대한 저항성 향상, 공정상의 안정성 증가, 최적 반응 pH와 온도의 변화, 광학특이활성의 향상을 기대할 수 있고, 심지어는 동일 효소에서 정 반대 광학특이활성도 유도해 낼 수 있을 것으로 전망된다. 이와 같은 흥미로운 발전은 기존의 대규모 산업적 합성에 있어 생촉매가 갖고 있는 제한요소에 대한 화학자들의 인식을 변화시킬 수 있을 정도로, 다양한 패러다임의 변화를 예고하고 있다.

 

 

 

최근까지, 효소 활성은 site-directed mutagenensis에 의해서 성공적으로 변형되거나 향상되었는데, 한 개나 그 이상의 아미노산 잔기가 합리적인 계산 하에 직접적인 방법으로 대체되었다. 그러나, 이러한 site-directed mutagenensis에 의한 protein engineering이 항상 원하는 결과만을 이끌어 낼 수는 없었고, 이러한 방법이 고전적인 방법보다 더 많은 시간을 소비시키기도 하는 비능률적인 면이 지적되어 왔다.

 

Directed evolution 같은 현대의 분자 생물학적 기법과 high-throughput screening은 genomics와 bioinformatics와 결합되어서 효소의 이용성에 있어 획기적인 전기를 가져왔다. Directed-evolution techniques은 최적화 되지 않은 알려진 효소들을 산업적인 합성공정에 유용하게 사용할 수 있도록 하는 방법이다. Directed evolution에서는 무작위로 제작된 변이 유전자 pool을 선발용 틀에 넣고, 각 변이효소의 공정에서의 적합성과 부적합성을 구분하는 기술이다. 이 기술을 이용하여 정반대의 stereoivity를 갖는 효소를 얻는 기술도 개발 되었다. 즉, 몇 세대에 걸친 directed evolution으로, (R)-ive hydantoinase로부터 (S)-ive hydantoinase가 개발되었으며, (R)-ive lipase로부터 (S)-ive lipase가 개량 되었다.

 

유전적이고 기능적인 수준에서 신규효소의 다양성을 개발하기 위한 노력은, 산업적으로 유용한 생촉매의 영역을 확장시킬 수 있는데, 다음에 설명하고 있는 aldolases 와 nitrilases가 그 예이다. 또한, metagenome 연구를 통하여 일반적인 방법으로는 접근할 수 없는 다양한 난배양성 미생물의 유전학적 및 기능 다양성 연구를 실시함으로서, 생촉매의 유용성을 증가시킬 수도 있다.

 

Nitrilase는 prochiral 기질인 3-hydroxyglutaronitile을 stereoive하게 전환시킬 수 있다. 이렇게 3-hydroxyglutaronitile을 전환시키기 위해 사용할 nitrilase를 선별하기 위해 200여개의 유전적으로 다양한 nitrilase 유전자를 포함하는 유전자 library를 대상으로 ultrahigh-throughput 방법으로 screening 한 결과, 몇 개의 nitrilase는 (R)-4-cyano-3-hydroxybutyric acid 만을, 또 다른 몇종은 (S)-enantiomer만을 특이적으로 합성할 수 있었다. 이와 같은 예는 high-throughput 탐색법이 효소 탐색에 얼마나 효과적인 방법인지를 여실히 보여주는 것이다.

 

탄소와 탄소 결합의 형성은 유기화학에서 중추적인 과정이다. 최근, 고무나무인 Hevea brasiliensis로부터 유래한 재조합 (S)-hydroxynitrile lyase(HNL)를 사용하여, pyrethroid 살충제 합성원료인 (S)-meta-phenoxybenzaldehyde cyanohydrin을 순수광학이성질체로 생산하는 공정이 산업화 되었다. 효소를 이용한 C-C 결합 합성의 가장 오래된 예들 중의 하나는 아몬드로부터 (R)-HNL을 이용한 광학활성 hydroxynitriles의 합성이다. 이 효소는 응용성이 큼에도 불구하고 한정된 자원으로 사용에 제약을 받고 있었으나, 최근 그 유전자가 클로닝 되어 산업용 host 생물체에서 과발현에 성공하였다. 현재는 (R)-HNL 과 (S)-HNL 효소 모두 대량으로 이용할 수 있고, 따라서 추후 산업적 응용분야가 급속히 증가할 전망이다.

 

입체선택적 C-C 결합 형성에서 주요한 도전분야는 aldol condensation 반응이다. 이 반응은 많은 화학적 방법들이 개발되었지만, 원하지 않는 부산물의 형성을 방지하기 위해 관능기의 불필요한 반응을 차단하기 위하여 보호기 (protecting group)를 사용 한다. 일반적으로, 보호기를 사용하지 않고 C-C 결합 형성을 유도하는 것은 유기합성을 하는 화학자들에게 중요한 도전으로 남아 있다. 이 도전의 해결방안으로 C-C 결합 형성 효소들을 생각 할 수 있다. 이러한 효소를 이용하여 epothilone을 완전하게 합성할 수 있었고, threonine aldolases를 이용하여 다양한 amino acid alcohol을 제조하기도 하였다.

 

한편, 현재까지 유전자의 도입과 제거를 통해 원하는 대사물을 생산하도록 미생물의 대사를 변화시키는 metabolic engineering 기술을 이용하여, amino acids, 유기산, nucleotide 같은 자연적인 다양한 물질을 생산해 낼 수 있었다. 그러나, 최근의 metabolic engineering은 blue dye indigo, 항생제 모핵인 7-ADCA, biopolymer 재료인 1,3-propanediol등과 같이 자연적으로 합성할 수 없는 화합물을 합성하도록 대사를 제어하는 방향으로 사용되어지고 있다.

 

의약품의 경우, 다양한 actinomycetes로부터 조합된 유전자들로 구성된 대사경로를 이종 호스트에 도입하여 아주 가능성 있는 polyketide library가 제작되었다. 유사한 방법으로, nonribosomal peptide synthesis를 촉매하는 peptide synthetases를 재조합하여 nonnatural peptide도 합성에도 성공하였다. 이러한 성공의 예는, 다양한 유전체 프로그램으로부터 수집된 유전자의 도입에 의한 metabolic pathways의 engineering이, 자연적 또는 비자연적 화합물의 산업적 제조에 성공적으로 적용될 수 있다는 커다란 가능성을 보여주고 있다.

 

 

 

지난 수년간, 생물전환 반응은 유기 용매, polymer 원료, 의약 및 농업용 화합물, 의약 첨가물, 항생제, 감미료, 비타민, 식품 첨가물 같은 많은 산업적 생산 공정의 강력한 도구가 되어 왔다. 의약 및 농약 산업에서는 주로 광학활성반응에, 화학 산업에서는 polymer 합성에 가장 많은 관심이 집중되어 왔다. 생촉매를 이용한 생물전환 기술은, 유기용매 대신 물을 사용하는 청정기술이며 미래 지향적 산업이라는 점과, 인공합성과는 대별되는 natural 합성이라는 점에서 지극히 친환경 공정이라는 이미지를 주게 되는 강점이 있다. 그러나, 생촉매 반응은 그의 자랑거리인 specificity와 ivity로 인하여 다른 반응에 병용이 안 되며, 또한 공정에서도 생물학적 전문지식이 필요하다는 약점을 갖고 있다. 더욱이, 일견하여 보면 화학공정에 비하여 효율이 낮게 보이는 생물학적 특성이 있음에도 불구하고, asymmetric synthesis, chiral separation, chiral support 기술 등의 화학공정과 경쟁해야 하는 운명을 맞고 있다. 그러나, 이러한 단점들은 directed-evolution 기술, 유전적 정보의 증가, 강력한 효소를 발견하게 하는 기술들의 도움으로 극복되고 있으며, 이제 산업적 합성에 있어서 생물전환기술을 적극적으로 적용할 수 있는 시대가 도래 하고 있다.

 

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