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: 바이오화학 효소 산화환원효소
성봉현

이산화탄소 환원 활성이 증가된 포메이트 탈수소화 효소 스크리닝 시스템과 이의 용도

기술완성도

3/9

기술완성도

TRL09

사업화

  • 본격적인 양산 및 사업화 단계
TRL08

시작품 인증/ 표준화

  • 일부 시제품의 인증 및 인허가 취득 단계
    - 조선 기자재의 경우 선급기관 인증, 의약품의 경우 식약청의 품목 허가 등
TRL07

Pilot 단계 시작품 신뢰성 평가

  • 시작품의 신뢰성 평가
  • 실제 환경(수요기업)에서 성능 검증이 이루어지는 단계
TRL06

Pilot 단계 시작품 성능 평가

  • 경제성(생산성)을 고려한, 파일로트 규모의 시작품 제작 및 평가
  • 시작품 성능평가
TRL05

시제품 제작/ 성능평가

  • 개발한 부품/시스템의 시작품(Prototype) 제작 및 성능 평가
  • 경제성(생산성)을 고려하지 않고, 우수한 시작품을 1개~수개 미만으로 개발
TRL04

연구실 규모의 부품/
시스템 성능평가

  • 연구실 규모의 부품/시스템 성능 평가가 완료된 단계
  • 실용화를 위한 핵심요소기술 확보
TRL03

연구실 규모의 성능 검증

  • 연구실/실험실 규모의 환경에서 기본 성능이 검증될 수 있는 단계
  • 개발하려는 시스템/부품의 기본 설계도면을 확보하는 단계
  • 모델링/설계기술 확보
TRL02

실용 목적의 아이디어/
특허 등 개념 정립

  • 실용 목적의 아이디어, 특허 등 개념 정립
TRL01

기초 이론/ 실험

  • 연구과제 탐색 및 기회 발굴 단계

기술 개요

본 발명은 포메이트 탈수소화 효소를 스크리닝 하는 방법과 그 방법을 이용하여 수득한 환원활성이 증대된 변이 포메이트 탈수소화 효소에 관한 것이다. 구체적으로 환원 활성이 증가된 포메이트 탈수소화 효소 스크리닝용 미생물, 상기 미생물을 이용하여 환원 활성이 증가된 포메이트 탈수소화 효소의 스크리닝 방법에 관한 것이다. 또한 이산화탄소를 포메이트로 환원시키는 활성을 가지는 변이형 폴리펩티드, 상기 효소를 코딩하는 폴리뉴클레오티드, 상기 폴리뉴클레오티드를 포함하는 벡터, 상기 벡터가 도입된 미생물, 상기 미생물을 배양하여 상기 환원 활성이 증가된 포메이트 탈수소화 효소를 생산하는 방법 및 상기 환원 활성이 증가된 포메이트 탈수소화 효소를 이용하여 이산화탄소부터 포메이트를 생산하는 방법에 관한 것이다.

기술개발배경

대기 중 이산화탄소의 농도가 높아짐으로써 발생한 기후변화에 따라 자연재해 문제가 심각해지면서, 전 세계적 으로 이산화탄소를 감소시키기 위한 연구가 활발히 진행 중이다. 연구 초기에는 이산화탄소를 포획하여 지하 탱 크 시설에 저장하는 CCS (Carbon Capture and Storage) 방법으로 접근하였지만, 최근에는 이산화탄소를 기타 유 용한 물질로 전환하여 이용하는 CCU (Carbon Capture and Utilization) 방법의 연구가 활발해지고 있다. 이산 화탄소를 다른 화합물질로 전환시키기 위해서 고온과 고압의 상태에서 화학 반응을 일으키는 화학적인 방법(KR 제10-1832049호, KR 제10-1824661호)은 현재까지 가장 높은 효율을 갖는 방법이지만 고가의 설비 시설이 필요하 고, 반응에 의한 부산물로 다시 환경오염을 일으킬 수 있다는 단점을 가지고 있다. 반면 생물학적 효소를 이용 하여 이산화탄소를 전환시키는 접근 방법은 고온이나 고압의 상태가 아닌 일반적인 환경에서 환경오염을 일으키 는 부산물 없이 이산화탄소를 전환 시킬 수 있다는 장점이 있다.
이산화탄소(CO2)를 전환시켜서 얻을 수 있는 다음 단계 화학 물질 중 하나는 포메이트 (formate, 화학식 COOH-) 또는 포름산 (formic acid, 화학식 HCOOH)이다. 포름산은 환경 친화적이고 매우 효율적인 유기산으로서 그 활용 범위가 넓다. 예를 들어 산성 성질을 이용하여 가축 사료의 방부제와 사료 첨가제로 사용 되거나, 가죽 생산, 섬유의 염색과 마무리제로 사용 된다. 또한 포메이트의 형태로는 고무 생산에 사용 되거나 세제 생산에 사용된 다. 삶의 질이 올라갈수록 수요가 올라가는 산업에 주로 사용되고 있고, 2009년 이후로는 매년 3% 이상의 세계 소비 수요 증가가 이루어지고 있다.
생물학적 효소를 이용하여 이산화탄소를 포메이트로 전환시키는 방법은 이산화탄소를 감소시키고, 유용 화합 물 질을 환경오염없이 생산할 수 있는 좋은 대안이지만 여전히 단점이 존재한다. 열역학적으로 매우 안정한 이산화 탄소를 반응시키기 위해서 환원 활성이 높은 효소가 필요한데, 현재까지 알려진 효소의 대부분은 포메이트를 이 산화탄소로 전환시키는 산화 반응의 활성이 더 높다.
효소의 활성을 증가시키기 위해서는 효소를 스크리닝할 수 있는 시스템이 필요한데 이산화탄소와 포메이트는 두 물질 모두 매우 작은 크기의 분자이므로 적당한 스크리닝 시스템을 구축하는데 어려움이 있다. 스크리닝 시스템 의 질은 용액 내 포메이트의 농도를 측정하는 기술 수준에 따라 평가될 수 있다. 현존하는 포메이트 농도 측정 방법은 화학적인 방법과 생물학적 효소를 사용하는 두 가지 방법이 대표적이다. 화학적인 방법은 사용되는 케미 컬 대부분이 독성이 높고, 한 번의 반응으로 측정이 끝나므로 연속적인 모니터링이 불가능하다. 따라서 세포 내 에서 작용하는 효소의 활성을 반영하거나, 한 번에 많은 숫자의 변이 체를 검사해야 하는 스크리닝 방법으로는 적합하지 못하다. 생물학적 효소를 사용하는 방법은 용액 내 존재하는 포메이트가 세 번의 연속적인 효소 반응 을 일으켜서 마지막 단계에서 발광을 하면 흡광도계를 이용하여 측정하는 방법을 주로 사용하게 된다. 하지만, 이 효소 반응에서 사용되는 효소(Formate dehydrogenase, diaphorase, luciferase)와 조효소(NADH)들은 이산화 탄소를 포메이트로 전환 시키는데 작용하는 반응과 공통적으로 사용되기 때문에 역시 스크리닝 시스템에 적용하 기에는 문제가 된다.
이러한 배경하에, 본 발명자들은 환원 활성이 증가된 변이형 생물학적 효소를 제조하고, 가장 환원 활성이 증가 된 변이형 효소를 찾아낼 수 있는 in vivo 포메이트 스크리닝 시스템을 제조하여 본 발명을 완성하였다. 즉, 본 발명자들은 상기 스크리닝 시스템을 이용하여 효소 유전자의 돌연변이 유발을 통하여 포메이트 탈수소화 효소 활성을 증가시킨 변이체를 선별하는 방법을 최초로 규명하였다.

개발기술 특성

본 발명의 환원 활성이 증가된 포메이트 탈수소화 효소 스크리닝 시스템을 사용하면 신속하고 효율적으로 환원 활성이 증가된 포메이트 탈수소화 효소를 제조할 수 있으며, 신규하게 분리된 포메이트 탈수소화 효소 활성을 갖는 변이형 폴리펩티드를 이용하여, 이산화탄소를 포메이트로 환원시키는 경우 많은양의 포메이트의 생산이 가 능하다.

시장동향