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바이오촉매
바이오촉매(Biocatalyst)란 체내의 갖가지 화학반응이 일어날 때 중개역할을 하는 물질을 의미하며, 효소가 가장 대표적인 바이오촉매이며, 이외에 특정 효소가 포함된 미생물, 동물세포, 식물세포 등이 촉매로 이용되고 있다. 대표적인 바이오촉매인 효소는 현재까지 약 3,000종이 알려져 있으며, 그 숫자는 해마다 증가하는 경향을 보이고 있다. 이 가운데 산업적으로 응용이 가능한 바이오촉매는 약 150여종이며, 현재 상업적으로 생산되고 있는 효소는 60여종에 불과하다. 그리고 바이오촉매로서 효소외 세포자체를 사용하는 바이오촉매는 일반적으로 필요로 하는 회사들이 직접 세포배양을 통해 얻고 있는 실정이며, 세포 자체를 이용할 경우 목적산물외에 부가적인 산물이 생성될 가능성이 높은 단점이 있다. 바이오촉매는 생체촉매, 생촉매, 생물촉매로 불리어지고도 있다.
바이오촉매 효소(enzyme)는 초정밀성, 특이성, 선택성 및 고효율성의 특성을 가지고 있어서 다양한 산업분야에 이용되고 있고, 점차 그 이용분야가 확대되고 있다. 이는 산화환원 반응, 전이 반응, 가수분해 반응, 이탈 및 부가 반응, 이성화반응, 합성반응 등을 촉매하는 일반적인 기능은 물론이고, 고온, 고압, 유기용매 등의 특수한 반응조건에서도 촉매반응을 수행할 수 있는 특성을 가지고 있어, 산업적 적용범위가 무한하다고 할 수 있으며, 미래 산업용 소제로서 활용가치가 매우 높은 품목이라 할 수 있다.
목차
개요[편집]
바이오촉매는 생물학적 기원을 가진 촉매로, 생화학 반응을 촉진하는 역할을 한다. 주로 효소(enzyme)나 리보자임(ribozyme)이 바이오촉매로 작용하며, 생명체 내에서 복잡한 생화학 반응을 보다 빠르고 효율적으로 일어나도록 돕는다. 바이오촉매는 환경 친화적인 특성과 고효율성 때문에 산업적, 의학적, 환경 보호 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 하고 있다.
바이오 촉매는 여러 가지 이유로 전통적인 화학 촉매에 대한 유용한 대안적인 촉매를 대표한다. 효소 관련 바이오 촉매 반응의 특징:
- 높은 화학적, 위치 선택적 및 enantiospecific 특이성
- 종종 빠른 역학
- 화학 촉매보다 약한 조건에서 작동
- 금속 촉매의 폐기물, 독성 및 비용 관련 문제 해결
- 화학 반응과 관련된 에너지 필요를 감소시킴
역사[편집]
바이오촉매의 개념은 19세기 중반에 처음 도입되었다. 1833년 프랑스의 화학자 아눌드 파야스(Anaurd Payen)는 맥아에서 발견한 효소가 전분을 당으로 분해할 수 있다는 것을 발견하였다. 이후 19세기 후반과 20세기 초반에 걸쳐 효소의 역할과 메커니즘이 점차 밝혀지며 바이오촉매의 중요성이 대두되었다. 특히, 20세기 중반 효소의 구조와 기능에 대한 이해가 발전하면서 다양한 산업 분야에서 바이오촉매가 활용되기 시작했다.
바이오촉매의 종류[편집]
- 1. 효소 (Enzyme)
효소는 단백질로 구성된 생물학적 촉매로, 특정 반응의 활성화 에너지를 낮추어 반응 속도를 증가시킨다. 효소는 매우 높은 선택성과 효율성을 가지며, 다양한 생화학적 반응을 촉진한다. 효소는 크게 다음과 같은 카테고리로 나눌 수 있다.
- 산화환원효소 (Oxidoreductase): 산화와 환원 반응을 촉매하는 효소. 분자의 산화 및 환원을 촉진시킨다. 산소 분자를 이용한 단일 산화효소는 C-O 결합 형성을 가능하게 하고 특이적 효소를 조작하여 알코올, 케톤, 알데히드 및 아민의 산화를 가능하게 한다. 환원과 관련하여, 케톤 환원효소(KREDS)와 탈수소효소는 enantiospecific 알코올의 합성을 가능하게 한다. 그 밖의 효소는 C=N과 같은 결합을 환원시켜 나이트릴을 아민으로 변화시킨다.
- 전이효소 (Transferase): 특정 화학 작용기를 하나의 분자에서 다른 분자로 옮기는 효소. 인산화 효소 및 인산 분해 효소(인산염의 첨가 및 제거)는 분자 신호전달 연쇄반응, DNA 복제, RNA 전사 및 기타 기능에 있어서 특히 중요하다. 또한 케톤 또는 알데히드의 아민으로의 전환과 같은 기능을 하고 입체 선택적인 기능을 할 수 있는 생물학적으로 중요한 전이효소가 많다.
- 가수분해효소 (Hydrolase): 물을 이용하여 화합물을 분해하는 효소. 핵산 분해효소(nuclease) 또는 프로테아제(protease)는 핵산 및 펩티드 재생 시에 풍부하며 필수적인 기능을 한다. 리파아제, 프로테아제 및 아실라아제와 같은 가수 분해효소는 C-C 결합 및 탄소-헤테로원자 결합을 형성하는 데 광범위하게 사용되는 Michael 1,4-addition에 대한 촉매로 작용한다.
- 분해효소 (Lyase): 비가수분해 반응을 통해 분자를 분해하는 효소. 일반적으로 이중 결합의 형성 또는 제거를 통해 반응을 촉진한다. 가수분해효소의 치환반응과는 달리, 카르복실라아제 또는 탈카르복실라아제 반응은 CO₂의 첨가 또는 제거를 위한 제약 분야의 바이오 촉매반응에서 일반적으로 나타나며, 이는 치환된 아스파트산 및 알라닌을 포함하는 아미노산을 생성하는 데에 사용될 수 있는 C-N 분해효소와 유사하다.
- 이성질화효소 (Isomerase): 분자의 이성질화를 촉매하는 효소. 분자 내 원자들의 재배열을 가능하게 한다. 라세미화 효소와 같은 이성질화 효소는 표적 키랄 탄소에서 입체화학을 도치시키고 시스-트랜스(cis-trans) 이성질화 효소는 알켄 또는 시클로알칸의 시스-트랜스 이성질체의 이성질화를 촉진한다. 포도당 이성화 효소를 통해 과당으로의 포도당 전환은 산업의 주요한 효소 생체 내 변환을 대표한다.
- 합성효소 (Ligase): 두 분자를 연결하는 반응을 촉매하는 효소. 즉 연결 효소는 더 큰 분자를 형성하기 위해 두 개의 분자를 결합함으로써 새로운 화학 결합을 형성한다. 재조합 DNA 분자를 형성하는 데에 DNA 연결 효소를 사용하는 것과 핵속핵산분해효소(endonuclease) 또는 핵산말단분해효소(exonuclease)에 대한 보완이 가장 중요한 Application 중 하나에 해당한다.
- 2. 리보자임 (Ribozyme)
리보자임은 RNA로 구성된 촉매로, 효소와 유사한 촉매 기능을 수행한다. 리보자임은 특정 RNA 서열을 절단하거나 연결하는 등의 반응을 촉진하며, 유전자 발현 조절과 RNA 처리 과정에서 중요한 역할을 한다.
- 3. 세포 전체 (Whole Cells)
때때로 특정 효소를 분리하지 않고 세포 전체를 바이오촉매로 사용하기도 한다. 이렇게 하면 세포 내의 여러 효소가 동시에 작용하여 복잡한 반응을 수행할 수 있다. 특히, 미생물(예: 박테리아, 효모)은 산업적 바이오촉매로 많이 사용된다.
바이오 촉매 지원 작업[편집]
- 효소 촉매 생산. 일반적으로 바이오 촉매를 위한 천연 또는 재조합 효소는 먼저 박테리아를 사용한 발효를 통해서 합성되지만 때때로 효모 배양을 통해서도 유도된다. 효소가 보다 복잡한 포유류 세포 배지에서 생성될 수 있지만, 박테리아와 효모에는 일반적으로 충분한 자연발생 분자 경로가 포함되어 있어서 재조합 바이오 촉매 효소를 필요로 하는 접힘 및 중간 수준의 번역 후 변형을 달성할 수 있다. 이러한 발효를 통해서 생성된 효소는 일반적으로 세포 구조물의 용해 또는 그 밖의 분해에 의해서 수집되어 재조합 효소를 분비하고 기타 바이오 의약품 및 제약과 유사한 공정에서 추가적으로 정화된다. 발효, 수집 및 다운스트림 공정은 자체적인 도전 과제가 있으며 이는 공정 분석 기술(PAT)을 사용함으로써 해결할 수 있다.
- 안정화 및 고정화. 효소 고정화는 보다 안정되고 활성이 있으며 재사용 가능한 효소를 생성하는 데 사용된다. 일반적으로 교차 결합 효소 응집(CLEA)은 실리카, 수지 또는 PEG와 같은 폴리머 및 심지어 지질 나노입자(LNP)와 같은 기타 복합체를 포함하여 많은 다양한 고체 기질로 형성될 수 있다. 일부 유동 화학 Application의 경우, CLEA는 표면에서 또는 촉매 용도뿐만 아니라 촉매 용도로 표면 강화 측정에 사용되는 것과 같은 센서에서 형성될 수 있다. 제품 안정성 및 제형 뿐만 아니라 관련 성분의 합성, 흡수, 접합 또는 기타 결합에 있어서의 문제는 백신 제형 및 보조제 공정을 위한 유사한 솔루션으로 해결한다.
- 제품 캡처 및 분리. 바이오 촉매 후에 CLEA를 제품과 잔여 반응물에서 분리하고 그 다음에 재활용하거나 다른 경우 보유한다. 그 다음 저분자 제품은 여과와 크로마토그래피 공정을 통해서 분리될 수 있으나, 많은 공정은 결정화 방법을 계속해서 촉진시킨다. 고분자 바이오 촉매 생성물은 일반적으로 일반적인 다운스트림 공정 작업흐름을 유지한다.
바이오 촉매에 영향을 주는 변수[편집]
적절한 바이오 촉매 프로토콜의 설계에 있어서 모든 유리 효소, 기질 결합 효소 또는 표면 고정 효소의 실질적인 반감기 및 안정성을 이해하는 것은 중요할 수 있다. 고려 사항은 다음과 같다.
- 용매 - 많은 천연 효소는 유지 용매 반응에 작용하는 데 어려움을 겪는다. 조작되거나 재조합 효소의 계속 진화하는 프로필은 유기 용매 조건의 상호 호환성을 향상시키고 있다. 예를 들어 현재 재조합 효소는 유기 용매 환경에서 촉매 반응을 일으킬 수 있어서 올리고뉴클레오타이드 합성에서 변형된 포스포라미다이트(phosphoramidite)를 사용할 수 있다.
- pH - 효소는 일반적으로 좁은 pH 범위에서 가장 우수하게 작용하고 pH 변동 <0.5pH 단위를 허용한다. 따라서 pH 제어는 종종 많은 바이오 촉매 반응을 고려하기 위한 주요한 파라미터이고 이를 수동으로 조절하는 것을 어렵거나 지루할 수 있다.
- 온도 - 천연 효소 및 그 재조합 효소는 상당히 좁은 범위의 특정한 온도에서 효율적으로 기능하다. 온도 편차는 반응 역학, 제품 수율 또는 기타 주요한 공정 결과의 변화를 야기할 수 있다.
- 용존 산소 - 이러한 주요한 공정 파라미터는 특히 산소화 및 환원 반응에 중요한 것으로 일반적으로 산소 및 불활성 기체의 살포 또는 헤드 공간에서 조절된다. 산화 환원 효소가 가장 효율성있게 기능할 수 있도록 보장하기 위해서 용존 산소량과 반응 혼합물로의 용존 산소(기포 특징 포함)의 질량 전달을 최적화하는 것이 중요하다.
- 혼합, 유체 역학 및 기체 - 적절한 혼합 장치는 특히 장기간, 유동 화학 또는 관류 방식의 실행 동안 바이오 촉매 효소의 수명 주기에 많은 효과를 줄 수 있다. 혼합의 특성이 충분히 규명되지 않은 경우 바이오 촉매 반응의 스케일업은 부적절할 수 있다. 또한 혼합은 기체의 적절한 분산과 질량 전달에 중요하다.
- Reaction Stoichiometry - 시약 대 효소의 정확한 비율은 매우 중요하며 이 비율은 시험 설계(DoE) 연구로 결정되고 화학 반응기에 의해 자동화되고 공정 개발에 통합된 PAT의 지원을 받을 수 있다.
바이오촉매의 장점[편집]
- 환경 친화성: 화학 촉매에 비해 바이오촉매는 생물학적이고 생분해 가능하여 환경에 덜 해롭다.
- 높은 선택성: 바이오촉매는 특정 기질에 대해 매우 높은 선택성을 보이기 때문에 부작용을 최소화할 수 있다.
- 에너지 효율성: 반응의 활성화 에너지를 크게 줄여 주기 때문에 적은 에너지로 반응을 촉진할 수 있다.
- 온화한 반응 조건: 바이오촉매는 보통 낮은 온도와 중성 pH에서 활성화되기 때문에 에너지 소비와 환경 부담을 줄일 수 있다.
바이오촉매의 응용 분야[편집]
- 1. 의약 및 제약 산업
바이오촉매는 의약품 합성에서 중요한 역할을 한다. 특정 화학 합성 반응에서 효소를 사용하여 높은 순도의 의약품을 생산할 수 있으며, 이는 부작용을 최소화하고 제조 비용을 절감하는 데 기여한다.
- 2. 식품 산업
식품 산업에서는 전분의 당화, 유제품 가공, 맛과 향료의 제조 등 다양한 과정에 바이오촉매가 사용된다. 예를 들어, 락타아제(lactase)는 유당 분해에 사용되어 유당 불내증이 있는 사람들을 위한 유제품 생산에 기여한다.
- 3. 바이오 연료
바이오촉매는 셀룰로오스 분해를 통해 바이오연료를 생산하는 과정에서 중요한 역할을 한다. 이를 통해 재생 가능 에너지원의 사용이 증가하며, 화석 연료 의존도를 낮출 수 있다.
- 4. 환경 보호
폐수 처리, 오염물질 분해 등 환경 보호 분야에서도 바이오촉매가 중요한 역할을 한다. 미생물을 이용한 폐수 정화는 대표적인 예이다.
참고자료[편집]
- 〈바이오 촉매 (Biocatalysis) | 효소 촉매〉, 《메틀러 토레도》
- 〈바이오 촉매〉, 《바이오인》
같이 보기[편집]
