바이오촉매 기술을 통한 의약용 D-트레오닌 생산 기술 개발
- 항생제 원료 D-트레오닌의 고순도 대량생산을 가능하게 하는 인공 효소 개발
- 의약품 원료의 친환경 고순도 합성을 통한 의약산업 발전에 기여할 것으로 기대
□ 국내 연구진이 고순도 의약용 D-트레오닌을 대량 생산하는 인공 효소 및 반응공정 신기술을 개발하였다. 해당 연구진은 저온 생육이 가능한 해양 유래 미생물에서 저온에서도 높은 활성을 나타내는 D-트레오닌 합성효소를 발굴하고, 저가의 원료물질인 글리신(glycine)과 아세트알데히드(acetaldehyde)로 고순도 D-트레오닌(threonine)을 제조하였다. 본 기술은 항생제 의약품 원료 등에도 사용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.
ㅇ 한국생명공학연구원(원장 김장성, 이하 생명연) 합성생물학전문연구단 이승구, 염수진(現 전남대 생명과학기술학부) 박사팀과 경북대학교 생명과학부 김경진 교수팀은 해당 효소의 발굴, 구조 규명, 입체특이성 개량, 반응공정 구축을 공동 진행하여 D-트레오닌을 고순도로 대량 생산(99%, >50g/L)하였다.
ㅇ 이 연구 결과는 촉매분야의 저명 저널인 미국화학회 전문학술지(ACS catalysis, IF 12.35, 화학분야 최상위 7.2% 저널) 5월 28일자 온라인 판에 게재(교신저자: 김경진/이승구/염수진 교수, 제1저자: 박성현 UST 석박통합과정, 서호균 포항가속기연구소 Post Doc)되었다.
- 논문명 : Cβ-selective aldol addition of D-threonine aldolase by spatial constraint of aldehyde binding (첨부파일 참조)
ㅇ 생명연은 D-트레오닌의 입체특이적 생산방법에 대한 특허를 ㈜엠에이치투바이오케미칼에 기술 이전하였으며 연내 시제품 개발을 추진하고 있다.
※ 입체특이적 합성(Asymmetric synthesis)
· 의약품 원료에 포함된 이성질체(분자식은 같으나 상대적 배열이 달라, 다른 입체·광학적 성질을 갖는 화합물) 불순물은 제거하기 매우 어려우며 심각한 부작용의 원인이 됨.
· 이성질체 중 하나의 성분만을 특이적으로 합성하는 생물학적 방법(입체 특이적 합성)을 개발하면 고순도 의약원료를 경제적으로 확보할 수 있음.
※ 기술이전 : 산업용 D-트레오닌 제조 바이오촉매 활용기술(0.6억, 경상 3%)
※ 특허 : 신규 D-트레오닌 생산 효소 및 이를 이용한 D-트레오닌의 입체특이적 생산 방법
□ 이 연구는 고순도 항생제 원료의 경제적 생산을 위한 신규 D-트레오닌 합성효소를 개발할 목적으로 시작되었다.
ㅇ 기존 화학적 방법으로는 입체특이적 합성이 어려우며, 자연에서 D-트레오닌 합성효소들이 발견되지만 역시 이성질체 부산물을 생성하는 문제가 있었다. 생명연-경북대-전남대 공동연구팀은 자연 효소의 핵심 활성부위 구조를 규명하고 단백질공학 연구를 통해 99.9%의 고순도로 D-트레오닌을 합성하는 신규 인공효소를 개발했다.
□ 또한 생명연 연구팀은 개량된 효소를 적용한 유가식 반응기를 개발하고 불안정한 기질을 연속 주입하여 6시간 내에 50g/L 이상의 D-트레오닌을 고순도로 생산하는 데 성공하였다. 이 효소는 유사 구조의 다양한 의약품 원료의 입체특이적 생산에 적용될 수 있을 것이다.
□ 생명연 합성생물학전문연구단 이승구 단장은 “인공 효소를 이용한 의약품원료의 친환경 고순도 합성은 화이트 바이오텍(white biotechnology)으로 지칭되며 지속 가능한 정밀화학 및 제약산업을 위한 핵심 이슈이다.”며, “본 연구는 구조기반의 인공 효소개발 및 반응공정 연구가 의약 및 화학산업의 고도화에 기여할 수 있음을 보여주는 사례이며, 향후 합성생물학 발전에 따라서 효소를 이용한 고부가가치 물질 합성이 더욱 가속화될 것으로 기대된다.”고 밝혔다.
< 그림 설명 >
- 그림 1. 신규 효소 탐색과 활성 및 입체선택성 확인
A) 신규 D-트레오닌 합성효소를 탐색하기 위해 기존 D-트레오닌 합성효소와의 아미노산 서열 상동성을 기반으로 효소 계통수를 도식화 한 것이다.
B,C) 얻어진 신규 D-트레오닌 합성효소들의 pH별 활성과 입체특이성을 비교함으로써, 고활성, 높은 입체선택성을 갖는 효소를 발굴하였다.
D,E,F) 고활성 및 높은 입체선택성을 갖는 효소의 최대 활성을 확인하기 위해 온도와 보조인자의 종류 및 농도별에 대한 활성을 확인하였다.
- 그림 2. 신규 D-트레오닌 합성효소의 구조 기반의 효소 개량 연구
A,B) 신규 D-트레오닌 합성효소의 구조를 분석하고, 효소의 활성부위 내에서 기질의 입체선택성에 영향을 줄 수 있는 잔기들을 선별하였다.
C,D) 선별한 잔기들의 아미노산 치환을 통해 활성과 입체선택성의 변화를 측정한 결과이다.
- 그림 3. D-트레오닌 합성효소의 입체특이성 향상 관련 잔기 확인과 반응시간에 따른 입체선택성 변화
A) 선별된 잔기들의 추가 개량과 입체특이성 변화 및 활성을 나타낸 것이다.
B) 다른 D-트레오닌 합성효소들에서도 해당 잔기를 동일하게 치환하였을 때, 입체선택성이 증가된 결과이다.
C,D,E,F,G,H) 야생형과 개량 효소의 반응시간별 입체특이성 변화를 나타낸 것이다.
- 그림 4. 개량 효소를 이용한 고순도 D-트레오닌 생산
A) D-트레오닌 생산을 위한 반응기 모식도이다.
B) A와 같이 설치된 반응기에서 기질인 글리신과 아세트알데히드로부터 D-트레오닌이 생산되는 것을 시간별로 측정한 결과이다.
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