[생화학개론]효소의 고정화(고정화 효소) 7부






고정화 효소의 산업적 이용


고정화 효소는 유용물질의 생산, 환경 자원의 재활용뿐만 아니라 분석용, 의료용, 생화학적 기초연구용으로 활용될 수 있다. 고정화효소 공정은 효소를 반복적으로 사용할 수 있으며, 연속공정에 대한 가능성을 가지고 있고, 소요되는 장치 비용이 낮다는 장점에도 불구하고, 아직까지는 일반적인 효소(native enzyme) 반응 공정을 선호하는 경우가 많다.


다음의 예를 통한 산업적인 이용현황을 알아보면 공업용 응용 예로 고정화된 포도당 이성화효소(glucose isomerase)가 있다. 과당은 포도당보다 2배정도 달기 때문에 청량음료의 감미료로 사용된다. 이 과당을 생산하기 위하여 고정화된 포도당 이성화효소를 이용하여 전분을 가수분해하여 얻은 포도당을 과당(fructose)으로 전환시키는 공정이 산업화되어 있다. 포도당 이성화효소를 고정화하는 방법으로는 글루타르알데히드로 처리한 젤라틴을 사용하거나 실리카나 알루미나 같은 무기질 담체를 사용한다.


의료분야에 응용한 예는 선천적 대사질병 치료나 인공신장이 있다. 사람의 선천성 대사질병의 대부분은 체내의 한 가지 특정 효소에 결함이 있기 때문에 생긴다. 이러한 선천적 대사질병의 치료가 미래에는 유전자 치료법에 의해 그 특정효소의 결함을 제거하는 것이 가능해 지겠지만 아직은 효소투여의 방법이 쓰인다. 


그런데 이때 사용되는 효소는 인체의 외부에서 배양에 의해 생성된 것이기 때문에 인체의 면역계에 나쁜 영향을 줄 수 있으므로 직접 인체에 투여하지 않고 그 효소를 마이크로캡슐, 실관 또는 겔안쪽에 격리시켜 투여하면 막 안에 들어 있는 효소는 항체의 공격을 받지 않고 그 기능을 수행할 수 있다. 또 다른 예로 인공신장(artificial kidney)에 사용되는 효소인 우레아제(urease)는 흡착제인 수지(resin) 또는 탄(charcoal)이 함께 캡슐화된다. 우레아의 분해로 생성되는 암모니아를 마이크로갭슐 안에 흡착시킨다. 요즈음 시판되는 임신진단키트 또한 고정화 효소(또는 항체)가 사용된다.


또한 분석에 응용한 예는 여러 종류의 효소 센서에서 찾을 수 있다. 이 중에서 포도당 센서는 혈당 측정, 식품 중의 당도 측정, 생의학 연구에서 당의 측정 등에 활용된다. 더 나아가 포도당 센서는 검지된 당 농도 정보에 따라 마이크로 칩에 의해 작동되는 인슐린 펌프가 필요량만큼의 인슐린을 방출하게 하는 장치에도 사용된다. 


마지막으로 산업적인 측면에서 볼 때, 단순 효소반응인 경우라 할지라도 분리된 효소 또는 이 효소의 고정화에 의한 공정보다는 관련 효소를 생성하는 미생물을 이용하는 공정을 채택하기도 한다. 이는 이용 주체인 각 산업체가 보유하는 기술적 배경에서도 연유되지만 새로운 공정 도입에 따르는 다른 공정과의 경쟁력, 경제성, 공정의 호환 가능성 등이 고려되기 때문이다. 어떠한 공정에서도 그 공정을 선택하는데 고려사항이 반드시 있으나, 고정화 효소 공정의 선택에 대한 주요 인자들은 다음과 같다.

① 반응기작(reaction mechanism)에서의 적합성

② 기질의 분자량

③ 기질용액의 점도

④ 반응에서 coenzyme 요구성

⑤ 효소의 가격

⑥ 생산물의 순도

⑦ 생산물의 시장가격과 시장규모

⑧ 다른 공정과의 경쟁성



1) 고정화 효소의 응용 예

① L-amino acid의 생산

DL형 라세미체 아미노산은 acrolein(propenal)을 출발물질로 화학합성을 통하여 비교적 용이하게 합성되며, L형으로의 전환을 위하여 분할공정(racemate resolution)을 거치게 된다. aminoacylase는 라세미체 아미노산을 분할하는데 이용되며, DEAE sephadex에 이온결합시키므로써 고정화된다.


② fructose(HFCS)의 생산

포도당은 이성화효소인 glucose isomerase에 의해 과당으로 전환되는데 고정화 효소법에 의한 과당 생산공정은 이미 산업적으로 보편화되고 있다. 효소 고정화법에 의해 생산된 고과당시럽은 감미도와 청량감이 포도당에 비해 우수하며, 이 제품은 국내에서도 생산, 판매되고 있다. 고정화 방법은 다양하여 glucose isomerase를 DEAE-cellulose와 이온결합시키는 방법, silanized ceramic에 공유결합을 시키는 방법, 또는 사멸세포에 가교형성법에 의해 상업적인 고정화 효소가 생산된다. 고정화된 효소에 의해 제조공정은 보통 packed-bed, 또는 fluidized-bed reactor(유동층 반응기)에서 연속반응공정으로 이루어지고 있다.


③ 기 타

식품첨가물로 많이 사용되는 L-aspartic acid는 fumaric acid로부터 polyacrylamide gel에 포괄시키는 방법으로 고정화된 aspartase의 작용에 이해 생산된다. 그리고 의약용 항생제인 penicillin계 물질(ampicillin 등)의 원료물질로 중요한 6-aminopenicillanic acid(6-APA)는 penicillin amidase의 작용으로 penicillin G에서 phenylacetic acid를 유리시키므로써 얻어진다. 고정화는 DEAE-cellulose에 공유결합에 의해 이루어진다. 반응 시 생성되는 phenylacetic acid에 의한 pH 조절 문제로 인하여 packed-bed reactor를 단독으로 사용하는 것보다는 stirred tank reactor와의 절충형의 반응기가 알맞다.





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