6. 생물공학적 생산물의 특성 -1

생물공학의 개요를 지나 조금 더 깊이 있게 생물공학을 이해하기 위하여 생화학 분야의 다양한 바이오 생산물(bioproduct)을 하나씩 살펴보도록 하겠습니다.

미생물은 다양한 종류의 대사산물(metabolites)을 생산합니다. 예를 들어, 다양한 박테리아에 의해 피루브산(pyruvic acid)에서 생성되는 다양한 종류의 일반적인 대사산물이 있습니다. 피루브산은 포도당 해당 과정(glycolysis)에서 얻으며 미생물의 특정 반응을 활용합니다. 미생물에서 얻은 다양한 유용한 물질의 특성은 다음과 같습니다.

A. 알코올 및 유기 용매

피루브산의 해당 작용에서 특정 미생물 균주에 의하여 에탄올, 이소판올, m-부탄올, 글리세롤, 아세톤, 부틸알데히드와 같은 다양한 종류의 유기용매(organic solvent)를 발효로 생성될 수 있습니다.
에탄올은 전 세계 미생물에 의해 산업적으로 대량 생산되며, 대부분의 유기 용매는 소규모로 생산되거나 연구가 진행 중입니다. 오늘날 일본을 비롯한 일부 국가에서는 다양한 종류의 미생물의 발효 산물을 산업적으로 생산하고 사용하고 있습니다.
유기 용매와 같은 발효 생성물은 발효 중에 대부분 균체 외부로 분비됩니다. 경우에 따라 발효 조건에 따라 한 가지 유형의 제품을 먼저 생산할 수 있습니다. 예를 들어 에탄올 발효는 아세톤과 글리세롤 이외의 대사산물을 생산하는 다량의 에탄올을 생산합니다. 또한 아세톤-부탄올 발효는 이 두 가지 물질을 다량 생산하고 소량의 에탄올과 아세트산도 생산합니다. 이러한 화합물의 분리 및 정제 특성은 휘발성 및 수용성이며 분자량이 낮아 상대적으로 회수가 쉽다는 장점이 있습니다.

B. 유기산

음식이나 사료에 사용되는 유기산(organic acid)은 발효 또는 화학 공정을 통해 생성됩니다. 유기산은 금속 이온, pH, 온도에 따라 약간 다르지만 수용성이고 분자량이 낮은 것이 특징입니다.
아세트산 발효는 에탄올 발효와 함께 오랫동안 산업화하여 왔습니다. 주로 청주와 과일주의 생산에서 생산되는 주박(酒)을 짜서 얻은 여과액을 기질로 사용하며 호기성 발효를 통해 생산합니다. 그러나 구연산 함량이 높고 향이 높은 레몬, 라임 등 감귤류 주스를 직접 사용하는 양조 식초의 사용은 자연 무공해 식품이나 자연식품을 선호하기 때문에 많이 증가하지 않았습니다.
구연산은 기존에는 감귤류와 별도로 사용되었지만 Aspergillus niger균에 의한 구연산 발효가 실용화되어 주로 미생물에 의한 발효로 생산되며, 천연물에서 분리 및 정제하는 것보다 저렴합니다. 주스, 각종 음료, 제과 산업 등 가공식품의 첨가제로 널리 사용되고 있습니다.
젖산(lactic acid) 발효는 최근 생분해성 고분자인 폴리 젖산(polylactic acid)의 재료로 자리 잡았으며, 젖산 생산 목적 외에도 김치나 요구르트와 같은 발효 식품의 보존 목적이나 선호도를 높이는 데 자주 사용됩니다.

 

C. 아미노산

아미노산(amino acid)은 단백질을 구성하는 기본 단위로 구조는 L형과 D형으로 나뉩니다. 일반적으로 L형 유기체가 존재합니다. 비대칭이며 중앙에 탄소 원자를 중심으로 광학 활동을 합니다. Zwitterion(양극성 이온)으로 작용할 수 있는 이온 화제가 있습니다. 전체 전하(순전하)가 0일 때 pH를 등전점(등전점, pl)이라고 하며 용해도가 최소화됩니다. 유기 용매에 용해되며 R기에 따라 용해도가 다릅니다. 아미노산 중 카보닐기와 아미노기가 서로 반응하여 펩타이드 결합을 형성하며, 이 결합은 매우 견고하고 평면적인 구조를 형성합니다. 이렇게 결합한 아미노산이 모여 단백질을 만듭니다.
아미노산에 포함된 R-기에 따라 물리적 특성은 달라집니다. 천연 단백질에는 20종 이상의 아미노산이 알려져 있습니다. 일반적으로 아미노산 분류는 친수성(hydrophilic) 아미노산과 소수성(hydrophobic) 아미노산, 산성(acidic) 아미노산과 염기성(basic) 아미노산, 황 함유 아미노산 또는 R-기 탄소 수 등으로 나뉩니다. 라이신, 글루탐산과 같은 많은 종류의 아미노산은 발효를 통해 생성되며 의약품, 식품 첨가제, 사료 첨가제 등에 사용됩니다.

 

지금까지 생산된 산업용 바이오 제품의 주요 카테고리는 알코올, 유기 용매, 유기산, 아미노산, 비타민, 항생제, 알칼로이드, 핵산 관련 물질(nucleosides와 nucleotides), 효소 및 면역 관련 물질(monoclonal antibodies), 의약품 단백질 및 다당류(polysaccharides)로 나눌 수 있습니다. 다음 포스팅에서도 차례차례 바이오 생산물을 다뤄보도록 하겠습니다.