이온성액체에서의효소반응 인하대학교초정밀생물분리기술연구소 이상현, 하성호, 구윤모 1. 서론지난 20년간물이아닌비수 (nonaqueous) 용매에서의효소반응에대한연구는광범위한분야에서진행되었고, 그중요성과응용성은학문적으로나산업적으로엄청난파급효과를불러일으켰다. 가장많은연구가진행된유기용매에서의효소반응은물에서의효소반응에비하여산업적으로다양한장점을지닌다. 유기용매에서효소는 (1) 화학평형에의해서물에서는불가능한다양한반응을수행할수있고, (2) 물에녹지않는소수성 (hydrophobic) 물질로반응을진행할수있고, (3) 기질에대한선택성이높고, (4) 장시간고온에서사용시에도안정성이높고, (5) 부반응을억제하면서반응을진행할수있고, (6) 미생물에의한오염의걱정이없다. 하지만, 이러한장점에도불구하고유기용매는휘발성이높고, 환경적으로유해하여이를대체할수있는용매를찾고자하는노력이진행되었다. 2000년들어서본격적으로연구되기시작한것이이온성액체 (ionic liquid) 를용매로이용하는비수계효소반응인데, 이온성액체를이용하면유기용매를이용했을때의다양한장점을지님과동시에더욱우수한효소의반응성, 선택성, 안정성을나타낸다. 여기서는이온성액체에서의효소반응의보고된예를통해서이온성액체의용매로서의장점과단점에대하여알아보고, 이러한반응의앞으로의전망에대하여간단히소개하고자한다. 2. 이온성액체의특성 그림 1 은효소반응에주로이용되는이온성액체를나타낸것으로, 일반적으로 [BF 4 ], [PF 6 ], [Tf 2 N] 음이온을가지는 1,3-dialkylimidazolium 계열이가장많이이용되고있다.
그림 1. 효소반응에주로이용되는이온성액체 이온성액체의가장특별한성질중의하나는높은극성 (polarity) 이다. Reichardt s dye 에 의해서측정된이온성액체의 polarity scale ( N E T ) 은보통 0.6-0.7 정도의범위이며, 짧은 체인의알코올이나포름아마이드의극성과비슷하다. 일반적으로이러한범위의극성을 가지는무수 (anhydrous) 유기용매에서효소는불활성화 (inactivation) 되어반응을수행할 수없는문제점이있으나, 이온성액체에서는효소의불활성화가거의없으며오히려더 안정적이라는것이보고되었다. 이는친수성 (hydrophilic) 의기질로반응을수행하기위해서 극성이높은유기용매를쓰면효소가불활성화되는현재까지해결하지못한문제를쉽게 극복할수있는이온성액체의우수한특성이다. 예를들어, 포도당, 과당과같은당류, 펩타이드와같은친수성기질을이용하는효소반응을수행하기위해서극성이높은 유기용매를사용하면효소가불활성화되어수율이낮은반면에이온성액체는친수성 기질을과량으로녹이면서도효소의활성을그대로유지하는장점을지닌다. 또한, 이온성 액체는높은극성을지님에도불구하고, 다양한친수성뿐아니라소수성의유기물, 무기물,
고분자를녹일수있는특성을나타낸다. 대부분의이온성액체가높은극성을나타냄에도불구하고, 이온성액체의물에대한용해도는다양하게존재한다. 이온성액체와물의상호용해도는주로음이온에따라서결정이되는데, 일반적으로 [Ac], [NO 3 ], [TFA], [MeSO 4 ] 음이온을지니는이온성액체는물에잘용해된다. 이러한물에잘녹는이온성액체는주로물에서의효소반응에서부반응을억제하여수율을향상시키고효소의선택성을높이기위한 cosolvent로이용될수있다. [BF 4 ], [TfO] 음이온을지니는이온성액체는양이온의체인길이에따라서물에대한용해도가결정이되며, 양이온이짧은이온성액체는 cosolvent로이용될수있고, 무수이온성액체로효소반응을진행하는데에도이용된다. [Tf 2 N], [PF 6 ] 음이온을지니는이온성액체는물에거의녹지않고, 물에대한용해도가대략 1% 미만이기때문에물과의이상계를형성하여반응을진행하는경우에이용될수있고, 무수이온성액체에서의효소반응에가장많이이용되고있다. 대부분의이온성액체는소수성의유기용매에거의녹지않는데, 이러한특성을이용하여이상계 (twophase) 나다상계 (multi-phase) 를이용한효소반응에대한연구도보고되어있다. 3. 이온성액체에서의효소반응이온성액체를이용한효소반응은순수한무수의이온성액체를반응매질로이용하는방법, 수용액시스템에서 cosolvent로이용하는방법, 이온성액체와물또는유기용매의이상계를이용하는 3가지방법으로분류할수있다. 약 20년전 ethylammonium nitrate와물의혼합물에서 alkaline phosphatase의반응을수행한것이거의최초의시도였으나, 순수한이온성액체에서의효소반응에대한보고는비교적최근인 2000년 Erbeldinger에의해서이루어졌다. 그이후유기용매를대체하기위한이온성액체의이용에대한연구가본격적으로시작되었으며, 현재까지도다양한효소반응에대한결과가보고되고있다. 표1은현재까지보고된이온성액체에서의효소반응의예를나타낸것이다.
표 1. 이온성액체에서효소반응의예 3.1 Lipase 현재까지보고된이온성액체에서의효소반응은대부분은 lipase를이용하였다. Lipase는유기용매에서효소반응을진행하는대표적인효소로서, 본래의기작은물과 oil의계면에서 oil을가수분해하여영양분으로이용되도록하는것이다. 무수의유기용매에서 lipase는매우안정적으로존재하며가수분해의역반응인 esterification을촉매화하는산업적으로매우유용한효소이다. Sheldon은무수의이온성액체에서 lipase 반응을처음으로수행하여 [Bmim][PF 6 ] 와 [Bmim][BF 4 ] 에서 Candida antarctica 유래 lipase의반응성이일반적인유기용매와비슷하다는것을보고하였다. Lipase를이용하는산업적으로가장유용한반응은라세믹화학물 (racemate) 의광학분할이다. 대표적으로 1-phenylethanol 유도체의광학분할이여러그룹에의해서보고되었는데, 다양한이온성액체에서반응을수행한결과기존의유기용매에서보다선택성과반응성이향상되고, 효소의안정성이높게유지되었다. 3.2 Protease Erbeldinger 는 thermolysin 을이용하여이온성액체에서 dipeptide Z-aspartame 을
생산하였는데, 일반적으로이용되는유기용매인 ethylacetae에서의반응과비교하여반응성이비슷하고, 효소의안정성이매우우수하다는것을보고하였다. α-chmotrypsin을이용한이온성액체에서의반응으로는 N-acetyl-L-amino acids ethyl ester의 transesterification이수행되었는데, 반응성은유기용매에서와비슷한정도로측정되었고생산물의안정성이유기용매에서보다향상되어수율이증대되었다. 3.3 Oxidoreductases 이온성액체에서의반응은주로가수분해효소에대한것이많이보고되어있는반면, 산화환원효소의활성에대한연구는상대적으로적다. 이온성액체에서산화환원효소인 peroxidase와 laccase가활성을지닌다는것은보고되어있으나, 반응성이매우낮은것으로알려져있고, 주로이온성액체와물또는 buffer의혼합물을이용한반응이보고되고있다. Candida boidinii 유래의 formate dehydrogenase가 [Mmim][MeSO 4 ] 와 buffer의혼합물에서매우안정적으로활성을나타낸다는것이보고되었다. 3.4 이온성액체의불순물이온성액체에포함되는주된불순물은물과 halide 이온이다. 대부분의이온성액체는흡습성이강하여포함되어있는물의양이쉽게변할수있다. 물의양이이온성액체에서중요한이유는순수한이온성액체가지니는극성, 점도, conductivity 등이매우적은양의물에의해서도쉽게변할수있기때문이다. 또한, 무수용매에서효소반응을진행함에있어서물은효소의구조를안정적으로활성을띄도록유지시킬수도있고, 불활성화시킬수도있는매우중요한인자이다. 무수의이온성액체에서의효소반응에서도물은매우중요한역할을하며, 포함된물의양에의해서효소의활성은크게변한다. 한편, 이온성액체에는합성과정에중간체로이용한 halide 이온을포함하는이온성액체가완전히제거되지않고존재할수있으며, halide 이온의함량은효소의활성에많은영향을미친다.
이러한두가지의불순물에대한영향을이해하지못하여매우상반되는효소반응결과가 다른연구그룹에의해서자주보고되고있는데, 이는이온성액체의순도가효소반응에 있어서얼마나중요한지를인지하지못하였기때문이다. 4. 전망이온성액체를효소반응을위한반응매질로이용하면유기용매가지니는위험성과유독성을극복할수있다는근본적인장점외에효소의활성, 선택성, 안정성증대라는부가적인효과를얻을수있다. 그러나, 이온성액체를반응매질로이용한시스템을산업화하기위해서는극복해야할점들이몇가지있다. 첫째, 일반적으로이온성액체는유기용매에비하여점도가높다. 보통의이온성액체가 25 C에서 35-500cp의점도를지니는데, 톨루엔이 0.6cp, 물이 0.9cp인점을비교할때매우높은값임을알수있다. 높은점도는작동환경을어렵게하고물질전달의한계를극복해야하는문제를유발한다. 하지만, 점도가낮은이온성액체가계속보고되고있기때문에이러한문제는조만간쉽게해결될것으로보인다. 둘째, 이온성액체의합성과정에서포함되는불순물은효소반응을진행함에있어서많은영향을미쳐서재현성이떨어지게만든다. 주로포함되는 halide 계열의불순물은특히효소의활성을많이감소시키므로순수한이온성액체를합성할수있는기술이중요하다. 현재는 halide 계열의불순물이포함되지않도록합성하는방법과크로마토그래피를이용한정제방법이보고되어있으므로해결하기어려운문제는아니라고생각한다. 셋째, 이온성액체에서효소반응을진행한후남아있는반응물과생성물을추출하기위한방법의개발이다. 이러한목적으로초임계 CO 2 를이용하는친환경적인방법이최근개발되었지만, 이온성액체를반응매질로하는효소공정이완전히친환경적인시스템이되기위해서는추출공정을위해다시사용하게되는유기용매의양을감소시키는더많은연구가필요하다.
참고문헌 Kragl U., Eckstein M., and Kaftzik N. (2002) Enzyme catalysis in ionic liquids. Current Opinion in Biotechnology 13: 565-571. Park S. and Kazlauska R. J. (2003) Biocatalysis in ionic liquids-advantages beyond green technology. Current Opinion in Biotechnology 14: 432-437. Yang Z. and Pan W. (2005) Ionic liquids: Green solvents for nonaqueous biocatalysis. Enzyme and Microbial Technology 37: 19-28.