[생화학개론]효소의 고정화(고정화 효소) 6부






고정화 효소를 이용함에 있어서의 장단점


1) 장 점

• 반응 후 생산물과의 분리가 쉽고 효소를 재사용할 수 있다.

• 연속공정이 가능하여 반응기의 생산성을 향상시켜 경비를 절감시칸다.

• 반응액 단위 체적당 효소의 고농도 집적으로 생산성을 높일 수 있다.

• 효소 단백질의 입체구조 유지에 의하여 외부 환경에 대한 활성의 안정화를 기할 수 있다.

• 고가의 효소인 경우 경제적으로 사용할 수 있다.


2) 단 점

• 효소 형태가 변화될 수 있다.

• 고정화에 따른 물질의 확산 저항이 존재한다.



고정화 효소의 제조 방법


효소를 화학적 또는 물리적 방법에 의하여 불용성 담체(matrix)에 고정하여 이동성을 제한하는 것을 효소 고정화(enzyme immobilization)라고 한다.

• 고분자 매트릭스막 속에 효소를 포괄적으로 고정화하는 방법

• 효소를 막에 물리적으로 흡착시키는 방법

• 고분자 막 또는 무기담체막에 효소를 공유결합시키는 방법

• 효소끼리 서로 가교화하여 막 모양으로 형성하는 방법


1) 물리적 방법

물리적으로 효소를 고정화시키는 방법에는 흡착(adsorption), 격자포괄법(matrix entrapment), 막가두기(membrane confinement) 등으로 나눌 수 있다. 이 방법들은 효소 고정화의 불안정성, 확산저항, 환경조건을 조절하기가 곤란하다는 문제점을 갖고 있다.

① 흡착(adsorption)

가장 간단한 방법으로 Van der Waals의 힘과 같은 물리적 힘에 의해 불용성 지지체의 표면에 효소를 흡착시키는 방법이다. 지지체로는 alumina, activated carbon, silicagel, clay, polyaminomethyl styrene, polyester, alkylamino agarose, phenoxyacetyl cellulose 등 불용성의 고분자 물질과 유기 물질 또는 무리 물질을 사용한다. 수행방법이 간단하고 고정화에 의한 효소 형태가 거의 영향을 받지 않으나, 흡착력이 약하여 쉽게 탈착되는 경향이 있다. 가축용 효소제에 많이 사용된다.


② 격자포괄법(matrix entrapment)

단량체의 중합에 의해 생성된 고분자 물질의 격자 내에 효소가 함유된 형태로 겔상의 구조를 갖는 것이 일반적이다. 중합체의 격자 간격은 기질과 생성물의 출입이 자유롭고, 내부 포괄된 효소는 빠져 나오지 않을 정도로 격자 유발 물질을 겔화시켜야 한다. 격자물질로는 cellulose acetate, polystrene, polyuretane, polyacrlyamide 등을 들 수 있다.


③ 막가두기(membrane confinement)

막가두기는 microencapsulation법, liposome법과 mambrane reactor를 이용하여 이루어지며, 3가지 방법 모두가 선택적 투과막을 사이에 두고 효소를 제한시키는 방법이다.

• microencapsulation

고분자 중합체로 된 막에 의하여 효소가 둘러싸인 형태로서 막의 직경은 1~100㎛가 된다. 막을 제조하는 원리는 친수성 물질과 소수성 물질의 중합에 의해 생성되는 미세한 캡슐 내에 함입시키는 계면 중합(boundary layer polymerization)을 이용한 것이다. Hexamethylene diamine(친수성)과 sebacic acid dichloride(소수성)를 중합시키므로써 polyamide 미세캡슐을 만들 수 있다. 시중에 팔고 있는 ‘닥터캡슐’도 이 원리를 이용한 것으로, 캡슐 안에 효소 대신에 유산균을 넣은 것이다.


• liposome

액체막 형성법으로 친수성기와 소수성기에 의해 형성된 이중막 내부에 효소를 함입시키는 방법으로 실용적 공정에서는 막 구조의 불안전성으로 알맞지 않은 면이 있다.


• membrane reactor

효소가 직접 어떤 지지체에 포괄되어 있거나, 고정화되어 있는 것이 아니라 반응기 내부에 갇혀 있도록 한다. 생성물만 반응기 외부로 빠져 나오도록 하는 방법으로서 hollow-fiber membrane을 이용한 예를 들 수 있다. 반응기의 적절한 설계와 운영이 가장 중요하며, 실용적 측면에서 유망한 방법이라 할 수 있다.


2) 화학적 방법

화학적으로 지지체와 효소의 결합에 의해 고정화하는 방법에는 이온결합(ionic binding)에의한 방법, 공유결합(covalent binding)에 의한 방법, 가교현성(cross linking)에 의한 방법으로 나눌 수 있다.

① 이온결합(ionic binding)

지지체와 효소의 반대 전하 사이에서 발생하는 정전기적 인력에 의한 것이다. 이온교환 수지가 널리 쓰이며, 음전하 또는 양전하를 갖는 이온교환수지는 양성을 띄는 단백질의 양이온, 또는 음이온과 이온결합을 형성하게 된다. 지지체로는 carboxylmethyl cellulose, Dowex 50, DEAE-cellulose, DEAE-sephadex, amberlite, octylamino-sephadex 등이 사용된다. 흡착방법처럼 비교적 간단하게 수행할 수 있으나 공유결합에 비해 결합력이 약하며, 공존하는 이온들의 영향을 받기 쉽기 때문에 pH와 이온강도를 잘 유지시켜 탈착을 방지해야 한다.


② 공유결합(covalent binding)

효소와 지지체의 원자간 전자쌍의 공유에 의해 형성되는 고정화로 효소끼리, 또는 효소와 지지체 사이에서 이뤄지고, 결합할 때 연결자(linker)를 이용하기도 한다. 공유결합에 의한 고정화는 비교적 강하지만, 공유결합 시 발생하는 효소의 구조와 형태의 변화를 일으켜 활성이 저하되는 단점이 있다. 지지체로는 전처리된 다공성 유리, sephrose, dextran, cellulose, polyacrylamide, nylon acrylate copolymer 등이 사용되며, 연결자로서는 glutaraldehyde, cyanuric chloride, hexamethylene diisocyanate 등이 사용된다.



③ 가교형성(cross linking)

가교형성 물질을 이용하여 효소들을 결합시키거나, 지지체를 사이에 두고 가교결합(co-cross linking)이 일어나도록 하는 방법이다. 가교제로는 앞에서 설명한 바와 같이 공유결합 시 연결자로 응용되는 glutaraldehyde, cyanuric chloride, hexamethylene diisocyanate 등이 사용된다.


3) 복합적인 방법(combined method)

흡착과 가교형성 병용법처럼 흡착법에 의해 지지체에 효소를 흡착시킨 후 흡착된 효소들 사이에 가교를 형성시킴으로써 흡착법에서 발생되는 효소의 탈락현상을 줄일 수 있다. 흡착법, 공유결합법과 가교형성법을 병용하여 고정화의 효율성을 높이며, 물리적인 방법과 화학적인 방법을 병용하는 복합방법이 많이 시도된다.





Reactions





댓글 쓰기

0 댓글