효소의 활용-과학 심화 탐구

효소의 활용, 생명공학적 응용, 효소 치료, 효소 고정화 기술, 산업 응용,

 

▣ 생명체 내에서의 화학 반응

(1) 생명체에서 일어나는 대부분의 화학 반응에는 효소의 촉매 반응이 필요하다.

(2) 촉매: 화학 반응에서 소모되거나 변화되지 않으면서 활성화 에너지를 변화시켜 반응 속도를 조절하는 물질이다. 생명체 밖에서 화학 반응을 촉진하는 무기 화합물은 무기 촉매라고 부른다.

(3) 생명체에서 합성되는 효소는 생체 촉매라고 부르며, 생명체에서 화학 반응의 속도를 증가시킨다.

02 효소

 

▣ 효소의 작용

(1) 활성화 에너지는 화학 반응이 일어나는 데 필요한 최소한의 에너지로, 반응물이 넘어야 할 에너지 장벽이다.

(2) 반응물이 활성화 에너지 이상의 충분한 에너지를 가지고 있어야만 화학 반응이 일어날 수 있다.

(3) 효소는 활성화 에너지를 낮춤으로써 더 많은 반응물이 화학 반응에 참여할 수 있도록 하여 화학 반응의 속도를 증가시킨다.

(4) 반응열: 화학 반응이 일어날 때 방출되거나 흡수되는 열로 반응물과 생성물의 에너지 차이를 의미한다. 반응열은 효소의 영향을 받지 않기 때문에 효소의 유무에 상관없이 반응열의 크기는 일정하다.

(5) 효소와 결합하는 반응물을 기질이라고 하며, 효소는 기질과 결합하여 효소·기질 복합체를 형성함으로써 활성화 에너지를 낮추어 화학 반응을 촉진한다.

(6) 기질이 효소의 활성 부위에 결합하여 복합체를 이루고 있는 동안 효소의 촉매 작용으로 기질은 생성물로 전환되며, 화학 반응이 끝나면 효소와 생성물이 분리된다. 분리된 효소를 다시 새로운 기질과 결합하여 촉매 작용을 반복한다.

(7) 효소는 화학 반응 동안 소모되거나 변화하지 않으면서 기질과 결합하여 촉매 작용을 반복하기 때문에 생명체에서 효소가 촉매하는 화학 반응은 매우 빠르게 일어난다.

 

Use of Enzymes in Dairy Industry: A Review of Current Progress

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8410156/

유제품 산업에서의 효소 활용: 현재 진행 상황 검토

 

이 리뷰 논문은 유제품 응용 분야에서 다양한 효소의 기능과 사용에 대한 귀중한 정보를 제공하는 것을 목표로 했습니다. 효소는 단백질이라고 불리며 특정 반응을 촉매합니다. 모든 효소는 특정한 결과를 가져오는 특정한 반응을 시작하도록 고안되었습니다. 또한, 인체에는 수많은 효소가 존재합니다. 유제품 응용에는 소유제품의 알레르기 특성을 줄이기 위한 프로테아제와 치즈의 풍미를 향상하기 위한 리파아제와 같은 다양한 효소의 사용이 포함됩니다. 산에 용해되는 카세인은 향이 없고 단백질 분해의 한계로 인해 음료 및 산성 식품에 첨가하기에 적합할 수 있습니다. 카세인 가수분해물은 소 우유에 알레르기가 있는 신생아를 위한 우유 단백질 기반 식품에 사용하는 것이 더 좋습니다. 지방분해는 스위스 치즈의 맛에 중요한 역할을 합니다. 블루 치즈의 후추 맛은 단쇄 불포화 지방과 메틸 케톤에 의해 생성됩니다. 유제품 공정에 제한적으로 적용되는 많은 보조 효소로는 설프하이드릴 산화효소, 락토페록시다제, 포도당 산화효소, 카탈라제, 라이소자임 및 슈퍼옥사이드 디스뮤타제가 있습니다. 카탈라아제와 포도당 산화효소는 모두 식품 보존 과정에 활용됩니다. 유제품의 더 나은 생산과 유제품 기술의 미래를 위해 필요한 유제품의 미량 효소 범위. 유제품 가공에 사용되는 미생물 효소 생산을 위한 세계 시장은 눈에 띄게 증가하고 있습니다. 그러나 시장에는 제한된 수의 효소 생산 산업이 있습니다. 단백질분해효소, 락타아제, 리파아제의 생산, 미생물 레넷은 실험실과 소규모에서 증가하고 있습니다. 가까운 장래에, 영양실조와 비만을 극복하고 저지방 및 건강식품으로 전환하기 위해 국가에서 상당한 영양 가치가 있는 유제품에 대한 요구로 인해 이러한 효소에 대한 필요성은 의심할 여지 없이 많이 증가할 것입니다.

키워드: 유제품 산업, 효소, 유제품, 유제품 기술

 

효소	원천	응용
아밀라아제	바실러스 (Bacillus) 및 아스퍼질러스 (Aspergillus) 종 .	전분 액화 . 베이킹 , 양조 , 섬유 , 세제 등
베타 -글루카나제	바실러스 종 .	양조 및 동물 사료
브로멜라인	파인애플	고기연화 , 맥주의 냉각
셀룰라아제	트리코데르마종 (Trichoderma spp.)	섬유 바이오연마 , 펄프 및 종이 , 세제
키모신	종아리 위	치즈 제조
피신	무화과	고기 연화
포도당	바실러스 (Bacillus) 및 스트렙토마이세스 (Streptomyces) 종 .	포도당을 과당으로 이성질체화
리파제	슈도모나스 종 .	세제 , 유지 , 베이킹 , 가죽 , 종이 등
파파인	파파야 라텍스	고기 연화 , 양조
펙티나제	아스퍼질러스종	과일 주스 정화의 펙틴 가수분해
프로테아제	바실러스 (Bacillus) 및 아스퍼질러스 (Aspergillus) 종 .	세제 , 양조 , 고기 연화 , 베이킹 , 세척 , 동물성 단백질 가수분해 , 기능성 고기 단백질 등
펩신	도살된 동물의 위	소화 보조제
트랜스글루타미나제	스트렙토미세스 종 .	단백질 가교 및 겔화 및 고기 결합
트립신	도살된 동물의 위	소화 보조제 .

 

Current Technological Improvements in Enzymes toward Their Biotechnological Applications

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2016.00965/full

생명공학적 응용을 위한 효소의 현재 기술 개선

 

극한성 물질의 효소는 고유한 특성과 극한 조건에서 엄청난 촉매 작용 능력으로 인해 연구자들 사이에서 관심을 불러일으키고 있습니다. 커뮤니티의 요구가 더욱 강화됨에 따라 연구자들은 다양한 접근 방식을 적용하고 있습니다. 호극성 종의 데이터베이스를 늘리기 위한 메타유전체학. 더욱이, 재조합 DNA 기술과 단백질 공학의 다양한 도구를 활용하여 자연 발생 효소에 대한 혁신이 이루어지고 있으며, 이를 통해 공정에 더 잘 맞도록 효소를 재설계할 수 있습니다. 이 리뷰에서 우리는 낮은 온도에서 생존하는 동안 호냉성균의 생화학적 제약에 대해 논의합니다. 우리는 그러한 효소의 출처와 시험관 내에서의 현재 지식을 요약합니다. 생명공학적 잠재력을 탐구하기 위해 돌연변이 유발을 통한 변형. 마지막으로, 비용 효율적인 방식으로 공정의 효율성을 높이기 위해 미생물 세포 표면 디스플레이를 요약합니다.

표적 효소 또는 단백질을 코딩하는 새로운 유전자의 채굴

 

새로운 효소를 복구하기 위해 배양 독립적인 접근 방식인 메타게놈학은 현대 생명공학에 축복이 되었습니다. Metagenomics는 환경 샘플에서 직접 게놈 DNA를 분리하는 것으로 구성되며, 이는 높은 처리량 시퀀싱 즉, 분석됩니다. 배양 중 중요한 개체의 손실을 최소화하는 샷건 시퀀싱, 454 파이로시퀀싱. Metagenomics 접근법은 미생물 군집의 구조와 기능적 잠재력을 분석하는 데 사용됩니다. 유전자/종 풍부함, 분포 등의 구조적 분석은 종종 서열 기반 스크리닝으로 수행되는 반면, 환경 미생물 군집의 기능적 잠재력은 기능 기반 스크리닝을 통해 평가됩니다. 메타유전체학은 배양이 거의 불가능하고 산업적 가치가 있는 새로운 효소를 제공하는 극한균에 대한 관문을 열었습니다.

 

 

Enzyme Therapy: Current Challenges and Future Perspectives

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8431097/

효소 치료: 현재의 과제와 미래의 전망

최근 몇 년 동안 효소는 섬유증 상태, 안구 병리 또는 관절 문제와 같은 대사 결핍부터 암 또는 심혈관 질환에 이르기까지 다양한 병리학에 대한 유망한 치료 도구로 떠 오르고 있습니다. 효소의 촉매 활성을 기반으로 한 치료법은 광범위한 표적 분자를 전환하여 올바른 생리학적 대사를 회복시킬 수 있습니다. 이러한 치료법은 친화력과 특이성으로 인해 확립된 치료법에 비해 몇 가지 장점이 있습니다. 그러나 효소는 짧은 생체 내 반감기, 표적 작용의 결여, 특히 효소에 대한 환자의 면역 체계 반응과 같은 몇 가지 문제를 제시합니다. 이러한 이유로 치료 중 혈청 면역 반응을 감시하는 것이 중요합니다. 이는 기존 기술(ELISA)뿐만 아니라 마이크로어레이와 같은 새로운 유망 도구를 통해서도 달성할 수 있습니다. 이러한 분석은 높은 처리량의 분석 능력, 단순성 및 효소 치료 중 환자의 면역 반응을 감시할 수 있는 잠재력으로 인해 인기를 얻었습니다. 성장하고 있는 이 분야에서는 코로나 19와 같은 현재의 건강 문제를 해결하기 위한 연구가 여전히 진행 중입니다. 현재 안지오텐신 전환 효소 2(ACE2)를 사용하는 유망한 치료 대안이 코로나19 치료를 위해 연구되고 있습니다.

 

키워드: 생명공학, 효소 치료, 캡슐화, 효소의 분자 변형, 면역 반응 모니터링, 마이크로어레이, 코로나19

질병 / 상태	원인 /병리	치료 효소 *	참조 .
리소좀축적질환
고셔병	글루코세레브로시다제 결핍	글루코세레브로시다아제 [Cerezyme, Vprip, Taliglucerase alpha]	[ 25 ], (a,b,c)
헌터증후군	이두로네이트 -2-설파타제 결핍	이두로네이트 -2-설파타제 [Elaprase]	[ 26 ], (d)
파브리병	α-갈락토시다아제 A 결핍	α, β-갈락토시다아제 A [Replagal, Fabrazyme]	[ 28 ], (e,f)
헐러증후군	α-L-이두로니다제 결핍	α-L-이두로니다제 [알두라자임 ]	[ 29 ], (g)
모르퀴오 증후군 A 형	N-아세틸갈락토사민 -6-설페이트 설파타제 결핍	N-아세틸갈락토사민 -6-설페이트 설파타제 [비미짐 ]	[ 30 ], (h)
마로토 -라미 증후군	아릴설파타제 B 결핍	N-아세틸갈락토사민 -4-설파타제 [나글라자임 ]	[ 31 ], (i)
교활한 증후군	β-글루쿠로니다제 결핍	β-글루쿠로니다아제 [Mepsevii]	[ 32 ], (j)
α-만노신증	α-D-만노시다제 결핍	벨마나제 α [람제데 ]	[ 33 ], (k)
바텐병	트리펩 티딜 펩티다제 1 의 결핍	세리포나제 α [브리네우라 ]	[ 34 ], (l)
폼페병	산성 α-글루코시다제 결핍	α-글루코시다제 [미오자임 ]	[ 35 ], (m)
대사 결핍
외분비 췌장 부전 (EPI)	췌장 효소 의 분비 부족	췌장효소 [엔제피 ]	[ 36 , 37 , 38 ], (n)
페닐케톤뇨증 (PKU)	페닐알라닌 수산화효소 (PAH) 결핍	PAH 및 페닐알라닌 암모니아 분해효소 PAH [Palynziq]	[ 39 ], (o)
중증복합면역결핍증 (SCID)	아데노신 탈아미노 효소 (ADA) 결핍	폴리에틸렌글리콜 공액 ADA	[ 40 , 41 ]
월만병	리소좀산 리파제 결핍	리소좀산 리파제 [카누마 ]	[ 42 ], (p)
급성 간헐 포르피린증 (AIP)	하이드록시메틸빌란 합성효소의 결핍	하이드록시메틸빌란 신타제 및 포르포빌리노겐 데아미나제	[ 43 ]
선천성 수크라제 -이소말타제 결핍증 (CSID)	수크라제 및 이소말타제 결핍	사크로시다아제	[ 44 ]
저인산염 결핍증	알칼리성 포스파타제 (TNSALP)의 조직 비특이적 동종효소 결핍	TNSALP [스트렌시크 ]	[ 45 ], (q)
단백질 C 결핍	단백질 C 결핍	단백질 C [세프로틴 ]	[ 46 ], (r)
유당불내증	락타아제 -플로리진 가수분해효소의 활성 감소 또는 상실	락타아제	[ 47 ]
섬유증 상태
만성 완전 폐쇄	관상동맥을 막는 섬유성 플라크	콜라게나제 Clostridium histolyticum (CCH)	[ 48 ]
듀피트렌병	손의 근막 조직이 두꺼워짐	콜라게나제 Clostridium histolyticum (CCH) [Xiapex]	[ 22 , 49 ], (들 )
페이로니병	음경에 섬유질 플라크 형성	콜라게나제 Clostridium histolyticum (CCH)	[ 20 ]
자궁근종	자궁 주변의 섬유종 조직 성장	콜라게나제 Clostridium histolyticum (CCH)	[ 50 ]
켈로이드 질환	육아 흉터 조직의 과성장	콜라게나제 및 매트릭스 메탈로펩티다제	[ 51 , 52 ]
폐낭포성 섬유증	폐의 비스코스 분비물	디옥시리보뉴클레아제 I [풀모자임 ]	[ 21 ], (티 )
녹내장	눈의 섬유주 에 있는 섬유질 형성	콜라게나제	[ 54 ]
안구 애정
유리체절제술로 치료되는 다양한 안 질환	눈의 유리액 기능 장애를 효소 제거 로 해결	콘드로이티나제 , 히알루로니다제 , 나토키나제 및 오크리플라스민 [제트레아 ]	[ 55 ], (유 )
공동 문제
추간판 탈출증	척추경막을 관통하는 디스크 물질	황산콘드로이틴 ABC 엔도리아제	[ 56 ]
관절염	골극 형성 및 염증	단백질 분해 효소	[ 57 , 58 ]
암
암 의 종류	종양 미세환경에서 아미노산 대사 증가	PEG 화 아르기닌 데아미나제 및 키누레니나제 [Voraxaze, PEG 히알루로니다제 PH20]	[ 14 , 59 ], (v,w,x)
백혈병	종양 미세환경에서 아미노산 대사 증가	L-아스파라기나제 [Spectrila, Kidrolase, Erwinase, Oncaspar]	[ 16 , 59 ], (y,z)
화학요법으로 인한 고요산혈증	종양용해증후군으로 인한 요산 증가	요산산화효소 및 라스부리카제 [Fasturtec]	[ 60 ], (aa)
심혈관 질환
심혈관 질환	플라스민에 의해 분해된 피브린 혈전 형성	나토키나제 및 유로키나제 [Streptase, Syner-Kinase, Kinclytic, Rapilsyn, Actilyse, Metalyse]	[ 17 ], (ab,ac,ad,ae,af)
세포외 기질 장애
화상	괴사 조직의 변성 콜라겐	콜라게나제 Clostridium histolyticum (CCH) [Nexobrid]	[ 63 , 64 ], (ag)
셀룰라이트	진피 중격에 피하 콜라겐 축적	콜라게나제	[ 65 ]
활성산소종 손상
출혈성 쇼크 로 인한 장기 손상	활성산소종 (ROS) 조직 손상	과산화물 제거효소	[ 66 ]
파킨슨병	활성산소종 (ROS) 조직 손상	나노자임 (PtCu 나노합금 )	[ 68 ]
기타 애플리케이션
체강 질병	글루텐 불내증	글루텐 분해 효소	[ 69 ]
미생물 감염	감염 중 미생물 생물막 형성	기질 분해 효소 (다당류 분해 효소 , 뉴클레아제 및 프로테아제 )	[ 70 ]
염증	생리적 항상성을 방해하는 과발현 경로의 염증	단백질 분해 효소 (트립신 또는 세라티오펩티다제 )	[ 71 , 72 ]
코카인 과다 복용	코카인 독성	인간 부티릴콜린에스테라제 (BChE ) 또는 세균성 코카인 에스테라제 (CocE )	[ 73 ]

 

효소로 치료한 주요 병리 및 상태 요약.

* 괄호 안에는 효소의 상품명이 표시되어 있습니다. EMA가 승인한 효소 약물에 대한 소문자 참조, 해당 목록은 부록 A 에 자세히 나와 있습니다 .

 

Industrial Applications of Enzymes: Recent Advances, Techniques, and Outlooks

https://www.mdpi.com/2073-4344/8/6/238

효소의 산업적 응용: 최근 발전, 기술 및 전망

 

산업용 생체촉매로서의 효소는 지속 가능성 및 공정 효율성 측면에서 전통적인 화학 공정에 비해 많은 이점을 제공합니다. 효소 촉매작용은 제약, 식품 및 음료 산업의 상업적 공정을 위해 확장됐지만, 바이오 연료 생산과 천연가스 전환을 위한 에너지 부문의 최적 생체촉매 공정을 위해서는 안정성과 생체촉매 기능의 추가 향상이 필요합니다. 고정화 효소의 구현과 관련된 기술적 장벽은 이러한 산업 규모 공정에 적용할 수 있는 고정화 생체촉매의 개발을 위해서는 다 학문적 접근이 필요함을 시사합니다. 구체적으로는 효소고정화 분야의 기술적 전문성이 중복되어, 단백질 및 공정 공학은 차세대 고정형 생체촉매와 유도 공정의 성공적인 확장을 정의할 것입니다. 이 리뷰에서는 생체촉매가 어떻게 성공적으로 활용되었는지, 효소고정화가 산업 공정을 개선할 방법을 논의할 뿐만 아니라 시장 수익성을 최대화하고 물류 부담을 최소화하면서 제품 수율을 높이기 위해 효소 고정화의 다중 규모 구현에 중요한 분석 도구에 중점을 둡니다.

 

키워드:효소, 고정화, 산업 응용, 규모 확대, 기술경제적 분석, 수명주기

결론

상업적 규모의 효소 촉매작용은 바이오연료 생산 및 천연가스 전환에 대한 최근 추세에 따라 제약 및 식품과 같은 여러 산업에서 구현되었습니다. 이러한 산업의 제품 수율은 더 온화한 공정 조건과 더 적은 에너지 소비, 폐기물 발생 감소, 탁월한 높은 제품 선택성에서 구현되는 효소 촉매 작용에 의해 제어되어 공정 경제성 및 환경 지속 가능성이 향상되는 것으로 나타났습니다. 그러나 효소 공정의 규모 확대는 생체촉매 안정성의 한계로 인해 크게 방해를 받습니다. 이를 위해 효소 촉매작용의 범위를 확대하고 공정 효율성을 향상하기 위한 매력적인 접근법으로 효소고정화가 제안되고 연구되었습니다. 최적의 효소 개발을 촉진하기 위해서는 고정화 전략에 대한 비판적인 조사가 여전히 필요하며, 상업적 규모의 공정에서 효소 촉매 작용 구현의 적절성을 위해서는 주변 공정 개발을 위한 경제적 원동력에 대한 전체적인 지식이 여전히 필요합니다. 차세대 고정화 생체촉매의 성공적인 산업적 적용은 궁극적으로 단백질 공학, 효소고정화, 프로세스 엔지니어링 및 수명주기 분석이 가장 중요합니다. 향후 구현 전망에서는 효소 수준과 고정화에 사용되는 플랫폼 모두에서 구조-기능 관계뿐만 아니라 낮은 구현 비용으로 최적화된 제품 수율과 통합 조합을 위한 실험 및 전산 접근 방식을 함께 고려해야 합니다.

 

Enzyme Immobilization Technologies and Industrial Applications

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsomega.2c07560#

효소 고정화 기술 및 산업 응용

 

효소는 다양한 산업 분야에서 중요한 역할을 하며 많은 산업 제품의 필수 구성 요소입니다. 고정화된 효소는 환경 변화에 대한 저항성이 더 높으며 유리 형태에 비해 쉽게 회수/재활용할 수 있습니다. 고정화의 주요 이점은 열악한 환경 조건(예: 상승된 온도, 극한 pH 값 등)으로부터 효소를 보호하는 것입니다. 고정화된 효소는 수처리장 이외에도 의료, 식품, 세제, 섬유, 제약산업 등 다양한 대규모 산업에 활용될 수 있다. 필요한 응용 분야에 따라 적합한 효소고정화 기술과 적합한 담체 재료가 선택됩니다. 효소고정화 기술에는 공유 결합, 캡슐화, 포착, 흡착 등이 포함됩니다. 이 검토에서는 주로 다양한 기술에 의한 효소고정화와 1992년부터 2022년까지 다양한 산업 응용 분야에서의 효소 활용을 다루고 있습니다. 또한, 특정 제품의 수율을 최대화하기 위한 고정화 효소의 다중 규모 작업에 중점을 둡니다. 마지막으로, 전 세계 효소 생산에 대한 코로나 19 대유행의 심각한 결과에 대해 간략하게 논의합니다.

결론

단백질 추출 기술의 발전과 단백질 공학의 새로운 발전으로 인해 향상된 특성을 보인 특정 효소를 능숙하게 제조할 수 있게 되었습니다. 바이오 촉매에 대한 수요는 많은 산업 분야에서 꾸준히 증가하고 있습니다. 화학 촉매보다 효소의 여러 장점으로 인해 거의 모든 산업 응용 분야에 유리한 대안이 됩니다. 효소고정화는 작동 안정성과 재사용성을 포함하여 여러 가지 경제적, 생태학적, 기술적 이점을 가지고 있습니다. 효소고정화는 생물학적 정화/수질 정화 외에도 식품, 제약, 동물 사료, 섬유, 의료, 세제 분야 등 다양한 산업 분야에 광범위하게 적용됩니다. 여러 효소는 다양한 전략을 사용하여 고정되고(예: 공유 결합 및 포획) 새로운 담체에 결합하고 다양한 대규모 공정에 사용됩니다. 새로운 고정화 전략을 개발할 여지가 여전히 남아 있습니다. 글로벌 효소 시장의 주요 동인은 주로 세제, 의약품, 섬유, 동물 사료, 바이오 연료와 화장품 제조업체의 환경친화적 대체품에 대한 높은 수요와 관련이 있습니다. 산업용 효소 시장은 지난 10년 동안 상당한 성장과 수익을 보였지만 2020년에는 코로나바이러스 전염병으로 인해 부정적인 영향을 받았습니다. 글로벌 공급망의 붕괴로 인해 지난 2년 동안 산업용 효소에 대한 수요가 급격히 감소했습니다. 고정된 형태의 효소는 가까운 미래에 더욱 일반적으로 적용될 것입니다.

 

 

추천도서

효소, 생명을 작동시키는 작지만 강한 분자기계, 폴 엥겔 저자(글) · 최가영 번역, 김영사 · 2023년 05월 08일

 

나는 부엌에서 과학의 모든 것을 배웠다, 화학부터 물리학 생리학 효소발효학까지 | 요리하는 과학자 이강민의 맛있는 과학수업

이강민 저자(글), 더숲 · 2017년 03월 17일

 

 

핵심 생화학(Stryer), John L. Tymoczko , Jeremy M. Berg , Gregory J. Gatto, Jr. , Lubert Stryer 저자(글) · 유진철 , 임정빈 외 번역, 범문에듀케이션 · 2021년 03월 02일

 

이해하기 쉬운 식품효소공학, 장판식 , 노봉수 , 유상호 , 김묘정 , 김영완 저자(글), 수학사 · 2017년 02월 27일 (1쇄 2010년 02월 15일)

 

유전공학의 이해, 남상욱 , 권혁빈 , 최선심 저자(글), 라이프사이언스 · 2016년 09월 01일

 

효소

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