생체 내에 존재하는 효소는 생물공학의 발전과 함께 생체 밖에서도 활용되고 있다. 식품 의약 화학공업 유전공학 에너지 환경 등의 분야에서 이용되는 효소는 어떤 것들이 있을까.
생체 내에는 약 2천여종 이상의 효소가 있다. 이 효소는 생체 내에서 일어나는 모든 종류의 신진대사에 관여한다. 한가지 효소가 한 종류의 반응에만 관여하는 것이 아니라, 기질에 따라 반응정도의 차이는 있지만 유사한 종류의 생화학 반응에 관여하게 된다. 그러므로 효소를 이용하여 수행할 수 있는 반응의 종류는 엄청나게 많다.
합성세제 대신 효소세제
효소는 지금까지 화학 산업이나 제약 산업 등에서 이용돼왔지만 연구미비, 높은 가격 때문에 그 이용이 제한돼 왔다. 그러나 최근 생물공학의 발전과 함께 효소의 생산과 이용에 대한 많은 연구가 수행되고 있고 그 이용도 확산되기 시작했다. 효소는 우리 생활에 어떻게 활용되고 있을까.
효소를 우리 생활에 이용하는 하나의 예는 효소를 함유한 세제 일 것이다. 우리는 주위 환경을 깨끗이 하기 위하여 세제류를 사용하고 있다. 오래 전부터 동물의 유지에서 비누를 만들어 사용해 오다가 2차대전이 일어나면서 합성세제를 만들어 사용하게 되었다. 유지를 전쟁물자로 전환하면서 유지가 부족해지고 수출입이 어려워졌기 때문이었다. 그 뒤 세탁기 보급과 함께 합성세제 사용량이 엄청나게 늘었고 그로 인한 수질오염이 매우 심각하게 되었다. 그래서 합성세제의 대체품으로 수질 오염과 공해가 다소 적은 세제를 개발하여 사용하는 추세다.
여기서 기본적인 문제를 생각해보자. 세제는 옷이나 식기류 등으로부터 어떠한 물질을 제거하는 것인가 ? 이때 세제의 역할은 무엇인가 ? 결국 세제의 역할은 옷이나 식기에 묻은 탄수화물 단백질 지방 등으로 이루어진 때 또는 찌꺼기를 분리시키는 것이다. 이때 분리가 아니라 아예 분해시켜 버리면 어떨까 ? 여기서 효소의 힘이 등장한다.
우리 몸에는 우리가 섭취한 음식물(탄수화물 단백질 지방 등)을 분해하는 탄수화물 분해효소, 단백질 분해효소, 지방 분해효소 등이 있다. 이를 이용하면 많은 때를 분해하여 옷에서 분리시킬 수 있는 세제로 사용할 수 있다. 효소는 극소량만 사용해도 세제효과가 충분하며 사용 후에도 수중 생태계에서 분해가 잘 되므로 환경에 대한 영향이 적을 수 있다.
미생물을 이용하여 효소를 대량생산할 수 있게 됨에 따라 세제용 효소의 가격이 저렴해졌고 오늘날 효소함유 세제가 차지하는 비중이 점차 커지는 추세다.
이와 더불어 더 좋은 세제용 효소를 개발하기 위한 연구가 여러 분야에서 이루어지고 있다. 즉 찬 물, 혹은 더운 물에서도 세탁작용이 강한 새로운 효소의 탐색 및 개발(미생물학), 효소의 물성을 다양하게 하기 위한 단백질 공학적인 측면에서 효소구조의 변화(생화학), 유전자재조합 방법에 의한 미생물의 효소 생산능력 증대(분자생물학), 미생물 배양 공정의 개발 및 자동화에 의한 생산 공정의 개선(생물화학공학분야) 등 다양한 분야에서 연구가 진행 중이다.
효소이용 방법의 개선-고정화효소
과거 효소는 한번 사용하고 버렸다. 효소를 재사용하기 위해서는 별도로 분리해야 하므로 상대적으로 비용이 많이 들어갔기 때문이다. 그러나 이러한 단점은 효소를 적절한 담체(support material)에 고정화시키는 기술이 개발되면서 해결됐다(그림 1).
효소는 단백질의 일종이므로 카르복실기와 아미노기를 가지고 있다. 이를 담체와 화학적으로 결합시켜 커다란 입자를 형성케 할 수 있다. 또는 커다란 입자에 흡착시키거나 포괄시키는 등의 물리적 방법을 사용하여 고정화시킬 수도 있다.
효소를 물리적 또는 화학적으로 어떤 물질에 결합시켜 물에 녹지 않는 입자로 만들어 반응기 내에 넣어 사용하면 사용 후 버리지 않아도 되고 분리할 필요도 없는 것이다. 그뿐 아니라 효소반응의 결과 만들어진 생성물을 효소와 분리시킬 필요도 없으므로 일석삼조의 효과를 거두게 되었다.
이러한 기술은 경제적인 면에서도 효과가 나타나고 있는데, 많은 경우 효소를 고정화함으로써 제조원가가 3분의1 정도로 줄었다고 한다.
이렇게 효소를 고정화시켜 사용하는 대표적인 경우는 포도당으로부터 과당을 만드는 것이다. 포도당은 이성화효소가 있을 때는 과당으로 전환되어 최종적으로는 포도당과 과당의 혼합물이 얻어진다.
과당은 설탕에 비해 약1.7배, 그리고 포도당의 약0.7배의 감미도를 갖고 있으므로 포도당과 과당의 혼합물은 설탕과 감미도가 비슷해 설탕 대용품으로 많이 사용되고 있다. 이렇게 함으로써 설탕을 재배하기 위한 농경지를 식량 생산을 위하여 전용할 수 있게 됐고, 한때 엄청나게 치솟았던 원당가격을 안정화하는데 기여했다.
고정화효소를 이용하는 아미노산 합성방법도 산업화되었다. 또 효소를 이용하는 바이오센서에도 고정화된 효소가 사용되고 있다 . 이 밖에도 효소는 많은 화학전환반응에 이용되고 있다.
효소반응에서의 '발상의 전환'
종전에는 효소는 수용액에서만 반응시켜야 하는 것으로 생각했다. 효소의 활성을 유지시켜주기 위해 pH를 일정하게 조절해주는 완충 용액을 사용할 정도였다.
그러나 효소가 원래 존재하는 세포 내의 환경을 생각해보면 완전히 수용액만은 아님을 알 수 있다. 경우에 따라 주위에 지방질이 많을때도 있으며, 효소가 반응시키는 물질이 물에 대한 용해도가 매우 낮은 경우도 있다. 또 효소가 극성이 강한 여러 유기물질 내에 존재하는 경우도 있으며 세포막 등에 붙어 있는 경우도 있다.
이러한 점을 생각하면 효소를 수용액에서만 반응시켜 이용하는 것은 효소를 제대로 활용하지 못하는 것일지도 모른다.
이러한 관점에서 유기용매 하에서 효소의 반응특성에 관한 연구가 시작됐다. 놀랍게도 유기용매 하에서 효소의 반응특성은 수용액 하에서의 특성과 매우 다른 점을 보였다. 가령 단백질분해효소(protease)의 경우는 수용액에서는 단백질을 아미노산으로 가수분해하는데 유기용매 하에서는 거꾸로 아미노산으로부터 단백질을 중합한다는 사실이 밝혀졌다 (그림2).
사실 우리 몸에서는 아미노산으로부터 단백질이 만들어지고 있으므로 이는 놀랄 만한 것이 못 된다.
수용액이냐 유기용매이냐에 따라서 가수분해반응이냐 또는 중합반응이냐가 결정된다고 하는 발견은 매우 획기적인 것. 이를 이용하면 우리가 원하는 펩타이드구조를 갖는 단백질을 마음대로, 그리고 용이하게 합성할 수 있다.
실제로 오늘날 많은 치료제는 단백질 구조를 갖고 있으며 효소를 이용하여 생합성되는 예가 매우 많다. 단백질 가수분해 효소 외에도 탄수화물 또는 지방에 관계되는 효소들도 유기용매 하에서 특성이 매우 다르므로 새로운 탄수화물, 새로운 지방과 같이 폴리에스테르화합물을 합성하는데 이용되기 시작했다.
우리가 효소를 이용한다는 것은 효소의 특성, 즉 효소가 화학반응을 촉매한다는 특성을 이용하는 것이다. 이는 식물 제약 화학공업 에너지 환경 분야 등 거의 모든 분야에 이용되고 있다. 이중 대표적인 9가지 응용 예는 (표1)과 같다.
최근 와서야 본격 연구 시작
최근에는 광학활성을 갖는 물질, 특히 의약품을 생산하기 위한 효소반응에 대하여 많은 연구가 수행되고 있다. 화학적으로 합성한 의약품에는 두 종류의 이성질체가 공존하므로 인체 내에서 부작용을 나타낼 수 있다. 그러나 효소를 이용하는 경우 약효만 있고 부작용이 없는 이성체만 생산할 수 있다는 장점이 있다.
효소에 관련된 연구는 (그림3)과 같이 최근에 와서야 본격적으로 수행되기 시작했다. 새로운 연구결과가 나올 때마다 효소의 이용은 확대될 것으로 예상된다. 효소에 관계된 연구 중 중요한 몇 가지만을 소개하면 다음과 같다.
첫째 활성이 더 강력한 효소를 자연으로부터 취하고자 하는 연구가 많이 진행되고 있다. 일반적으로 효소는 20-60℃ 범위 내에서 이용한다. 우리는 화학반응의 경우 반응온도가 올라가면 그만큼 반응속도가 빨라짐을 알고 있다. 그런데 우리 주위의 환경 중 화산지대 온천지역 등 고온에서도 미생물이 살고 있고, 그러한 미생물에는 고온에서 활성이 높은 효소들이 존재한다. 고온 고압 고염도 등 특수 환경에서 생존하는 미생물로부터 새로운 효소를 얻어 이용하면 효소의 이용가치 및 범위를 넓힐 수 있을 것이다.
둘째 효소의 구조와 작용 메커니즘을 이해하면 새로운 촉매를 설계할 수 있다. 이미 존재하는 효소를 부분적으로 변화시켜 더 좋은 특성을 갖는 효소를 만들 수 있으며 새로운 구조의 인공효소도 만들 수 있다. 전자의 연구는 아직은 다소 경험적이지만 상당히 많이 수행되어 좋은 결과들이 보고되고 있으며 후자의 연구도 최근 활발히 수행되고 있다.
셋째 전통적인 효소 이외에 생체 내에서 촉매작용을 하는 물질 및 메커니즘을 규명하여 우리 생활에 활용하는 것이다.
우리 몸속의 항체(antibody)는 항원(antigen)이라고 하는 이물질이 들어오면 그것을 없애는 작용을 하는 것으로 알려져 있다. 생화학적인 입장에서 이해하면 항체는 항원과 반응하여 생체 내에서 분해가능한 물질로 전환시키는 것이며 이러한 관점에서 보면 항체를 또하나의 효소라고 볼 수 있다. 최근 이러한 항체를 이용하여 유기합성반응을 하려는 연구가 많이 수행되고 있다.
넷째는 효소 반응을 효율적으로 그리고 경제성 있게 수행할 수 있는 새로운 생물반응기 시스템을 개발하는 것이다. 여기에는 효율이 높은 효소의 고정화방법, 효소의 안정화 방법, 고정화 효소를 이용하는 반응장치 개발 및 효소반응의 제어, 자동화 및 최적화 방법 연구 등이 포함된다. 이러한 연구결과는 효소를 실제 산업에서 이용하는데 필수적이라 하겠다.
효소의 이용은 생화학 분자생물학 미생물학 생물공학 화학공학 등 여러 분야에서 힘을 합해 연구함으로써 확대될 수 있을 것이다. 인류는 지난 20-30년간 무궁무진한 잠재력을 갖고 있는 효소를 빙산의 일각 정도로만 활용 해왔다.
효소 연구가 본격화되면 인간 수명 연장이나 노화방지, 질병퇴치 등 다양한 성과를 기대 할 수 있을지도 모른다.
이제 1980년부터 본격적으로 시작된 효소 이용에 관한 연구는 21세기에 꽃이 필 것이라 전망된다.
