유용천연물질의보고 ( 寶庫 )_ 광합성미생물 CJ 제일제당바이오연구소강창덕 광합성미생물은지구의무한자원인태양 ( 빛에너지 ), 물, 그리고이산화탄소를주영양원으로하여, 천연항암제를비롯한생리활성물질에서부터화석연료를대체할수있는바이오에너지까지인류에게다양한유용물질을제공할수있는무한잠재력을지닌친환경자연공장이다. 최근에는다양한광합성미생물들중에서특히 Algal Biotechnology 부분이크게부각되고있는데, 이것은 algae를이용하여생산가능한유용물질의다양성뿐만아니라지구온난화이슈부각으로인한 algae의탁월한이산화탄소고정화능력에대한관심집중으로인해나타난결과라고할수있다. Table 1에나타낸바와같이, 소나무를이용한단위면적당이산화탄소고정화속도를 1 이라고할때 algae를이용하였을경우에그것의 15 배빠른단위면적당이산화탄소고정화속도를얻을수있다. 따라서 algae 기반광합성미생물공정은친환경적이며, 동시에고생산성능력을갖추고있는생물공정이라고할수있다. Algae는전통적분류상으로 cyanobacteria, green algae, red algae, brown algae, charophytes, cryptophytes, chrysophytes, diatoms, dinoflagellates 등을모두포함한다. 앞으로본고 ( 정보제공 ) 에서는이들 algae의 tree of life 구별없이기술적또는산업적으로한걸음더나아가있는 microalgae 형태의것들만기본적으로다루고자한다. 본회에서는 microalgae를이용하여생산할수있는고부가의다양한천연물질중에서사람또는가축 ( 양어포함 ) 에게직접첨가제로사용될수있는고영양성물질 (Nutritional products), 고순도의약리활성물질 (Pharmaceutical products), 형광색소 (Fluorescent pigments) 및다양한탄소동위원소유도체 (Stable isotopes) 를포함한의료및생물공학연구용정밀천연물질등을중심으로각각의생산유용물질과 microalgae 균주에대해차례로다루어보고자한다 (Fig. 1). 1. Nutritional products 영양첨가제 (Nutritional supplements) 물질의분리및생산은 Microalgal bio-technology 분야에서가장고전적으로관심이집중되어온분야이다. 가장기초적으로는고단백질함유또는고카로티노이드함유특성을보이는 Chlororella, 1
Dunaliella, Spirulina 등의 microalgae 균체자체를특별한회수공정없이건조된바이오매스형태로직접생산하여이용하는것이다. 이러한고영양성 microalgae 바이오매스직접생산은그공정이단순하고, 운전비또한저렴하여현재가장널리대형화되고상업화된 microalgae 공정의형태이다. Table 1. CO 2 fixation rate of various biomass Biomass CO 2 fixation rate per unit area Pine tree 1 Macro-algae 2.3 Tropical plant 3.5 Sugar cane 5.3 Microalgae 15.0 R&D Report of Global Environment Department, Tokyo Electric Company (1994) Nutritional products - Dried biomass (Cell extract) - Algal oils containing LCPUFAs ; DHA, EPA -Pigments (for aquaculture feeds) ; Xanthophylls Pharmaceutical products - Bioactive substances ; Anticancer, antimicrobial, anti-hiv, antiviral, and various neurological activities - Highly potent toxin Fluorescent pigments - Phycobiliproteins PE (Phycoerythrin) ; A 560, E 580 PC (Phycocyanin) ; A 620, E 650 AP (Allophycocyanin) ; A 650, E 660 Microalgae Stable isotopes - 13 C-glycerol, 13 C-glucose, 13 C-galactose, 13 C-DHA - from relatively inexpensive inorganic compounds (i.e. 13 CO 2, 15 NO 3, 2 H 2 O) Fig. 1. Recent applications of microalgae. 2
또한최근에는 microalgae를이용한또하나의영양첨가제로써 long-chain polyunsaturated fatty acids (LCPUFAs) 성분을포함하고있는 algal oil 생산에많은노력들이집중되고있다. 이들 LCPUFAs 중에서도 omega-3 LCPUFAs 물질들이가장관심이두드러지는데, docosahexaenoic acid (DHA, Fig. 2) 와 eicosapentaenoic acid (EPA, Fig. 3) 가이것에속한다. DHA는 22 개의탄소를기반으로 6 개의이중결합 (22:6) 을지닌불포화지방산이며, 인간뇌의회백질조직에존재하는전체지방산의 20~25% 를차지하고있는신경조직에있는가장중요성이큰지방산이다. EPA는 20 개의탄소를기반으로 5 개의이중결합 (20:5) 을지닌불포화지방산이며, 항혈전효과를지닌생리활성물질로알려져있다. 인간은체내에서 DHA 및 EPA 등의 LCPUFAs를직접합성할수없으므로외부영양원섭취를통해이를확보해야한다. 전통적으로 LCPUFAs는이들성분들이풍부한것으로알려진해당어류및어유 ( 漁油 ) 를통해공급되어왔으나, 최근에는어류에직접축적되거나어유에농축된다양한독성물질에대한염려로점차고순도또는고품질의 LCPUFAs를직접생산할수있는 microalgae 공정들이널리개발되고있다. 고농도 DHA 생산을위해 cryptophytes, chrysophytes, diatoms, dinoflagellates 등을포함한다양한 microalgae가동정되었으며, 특히 dinoflagellates에서그생산성이우수하여 DHA 생산공정에가장적합한균주로조명을받고있다. Dinoflagellate Crypthecodinium cohnii는 EPA를비롯한다른 LCPUFAs는축적하지않고대부분을 DHA 형태로만균체내부에축적하는특성을지니고있으며, 이러한특성으로인해현재미국에서 DHA 생산공정으로써 Crypthecodinium 공정이널리보급되고있다. DHA와는대조적으로 EPA는대부분의 algae에서높은농도로축적되지않는특성을보이며, 이로인해 EPA 함유 algal oil 형태보다는 EPA 함유건조 algal 바이오매스형태로 EPA 시장을형성하고있다. Fig. 2. Chemical structure of DHA (docosahexaenoic acid) 3
Fig. 3. Chemical structure of EPA (eicosapentaenoic acid). 연어또는송어와같이자체색깔의우열이품질및가치를결정하는양식산업 ( 특히치어양식산업 ) 에서새로운고기능성의천연색소시장이점차확대되고있다. Microalgae에의해생산되는천연색소중에서 Haematococcus 종으로부터생산되는붉은색의 astaxanthin은치어의발색에효과적이고부가적인항산화성생리활성기능이있어가장범용적이며성공적으로상업화되어활발히사용되고있다. Microalgae에의해생산되는카로티노이드계물질은그것의높은항산화기능으로인해식품및사료첨가제영역으로그사용범위가확대되고있으며, 그중에서위에언급한 Haematococcus astaxanthin은광합성유래카로티노이드물질중에서가장탁월한항산화활성을지니고있어, 향후 microalgae biotechnology 산업에서그역할이크게기대되는항목이다. 2. Pharmaceutical products Microalgae는다양성이매우큰미생물그룹중에하나이며, 동시에그것으로인해매우다양한생리활성물질을획득할수있는잠재력을지니고있는유기체이다. 과거에는광합성유래고급약리활성물질을식물에만의존하여생산하였으나, 다양한 microalgae 균주동정, 배양기술, 생산및분리기술등의발전결과로다양한 microalgae로부터다양한생리활성물질을생산하려는시도가증가하고있다. 항암성, 항균성, 항바이러스성 (anti-hiv 포함 ) 등다양한기능의생리활성물질들이 microalgae로부터분리되고있고, 그것의효과적인생산을위해산업용 microalgae 균주들이광범위하게동정되고있다. 몇몇 blue-green algae에의해고항균성물질인원형펩타이드그룹의 microcystin이생산되고있으며, 인간또는어류에탁월한생리활성을지닌것으로알려진 saxitoxin, brevetoxin은 dinoflagellate에의해생산되고있다. 미국의 NCI (National Cancer Institute) 는항 HIV 바이러스성물질인 cyanovirin을 blue-green algae Nostoc ellipsosporum으로부터분리하는데성공하였으며, 이는 algae로부터다양한고약리성생리활성물질을분리및생산할수있다는가능성을제시해준좋은사례라고여겨지고있다. 4
3. Fluorescent pigments Algae의광합성시스템으로부터분리된많은종류의광합성유래색소 (pigment) 들이상업화되어활용되고있으며, 그중에서 phyobiliprotein들이가장널리사용되고있다. Phyobiliprotein은 cyanobacteria, red algae, cryptomonads, glaucophyte 등의광합성미생물에서발견되는 Light-harvesting macromolecule ( 광합성기관에존재 ) 의한종류이다. 이물질의균체내역할은 495~650 nm 영역의빛에너지를흡수하여 photosynthetic reaction center에있는 chlorophyll a에그에너지를전달하는것이다. Phyobiliprotein은빛의흡수파장및방출파장에따라크게 3 가지로구분할수있는데, 560 nm의빛을흡수하여 580 nm의빛을방출하는 phycoerythrin (PE), 620 nm의빛을흡수하여 650 nm의빛을방출하는 phycocyanin (PC), 650 nm의빛을흡수하여 660 nm의빛을방출하는 allophycocyanin (AP) 이있다. 이러한 phyobiliprotein의고유한빛흡수및방출특성으로인해의료용및연구용목적의형광염색시약으로다양하게사용되고있다. 4. Stable isotopes Microalgae는안정한동위원소표지화합물생산에가장이상적인도구로사용될수있다. Microalgae는값싼무기동위원소물질들 ( 13 CO 2, 15 NO 3, 2 H 2 O) 로부터광합성반응을이용하여쉽게 13 C, 15 N, 2 H를고정화하여고가의유기동위원소물질들로전환할수있다. Microalgae로부터이러한유기동위원소물질들을생산하기위해서는 microalgae 배양환경및생산물질의품질을안정적으로유지할수있는폐쇄형광반응기 (Closed photobioreactor) 시스템이가장적합하며, 가장널리사용되고있다. Dunalilella 종의배양으로부터 13 C-glucose 및 13 C-glycerol 이고농도로생산되고있으며, 더나아가이들을탄소원으로한번더사용하여 13 C-DHA를생산하고있다. Chlamydomonas 종의배양으로부터 13 C-xylose가생산되고있으며, Neochloris 종을이용하여 13 C-triglyceride 혼합물이생산되고있다. 5
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