8. 생물공학적 생산물의 특성 -3

지난 포스팅에 이어 생물 공학적 생산물의 마지막 이야기로 건강기능식품의 대표주자 '비타민'과 제약 분야에서 눈여겨보고 있는 '항생물질과 핵산 및 다당류'에 대하여 살펴보도록 하겠습니다.

 

A. 비타민

비타민(vitamin)은 정상적인 세포 기능에 필요한 미량 원소로 크게 지용성(fat-soluble) 비타민과 수용성(water-soluble) 비타민으로 나뉩니다. 수용성 비타민에는 비타민 B군, 비타민 C, 엽산, 비오틴이 포함됩니다. 비타민은 종종 코엔자임의 전구체로 작용합니다. 많은 유형의 수용성 비타민은 질소를 함유한 복합 화합물입니다. 예를 들어 비타민 B12는 전구체 물질을 다양한 생물학적 자원으로부터 분리할 수 있습니다. 지용성 비타민에는 isoprene에서 유래한 화합물인 비타민 A.D.E.K가 포함됩니다. 지용성 비타민 중 비타민 A는 식물이나 미생물이 생산하지 않는 mucopolysaccharide의 생합성에 관여하며, 그 전구체인 B-카로틴은 화학 합성에 의해 생성됩니다. 비타민 D는 체내 칼슘 흡수를 촉진하고 인산염 대사에 중요한 물질로 작용합니다. 비타민 E는 고도 불포화 지질에 항산화 효과가 있는 것으로 알려져 있지만, 생체 내에서의 역할에 대해서는 확실하게 밝혀지지 않았습니다. 다양한 가공 식품 및 건강 보조 식품에 자주 사용됩니다. 그리고 비타민 K는 혈액 응고 단백질인 prothrombin의 합성에 필요한 것으로 알려져 있으며 귤 껍질에서 많이 발견됩니다.

B. 항생제

현재 약 10,000개의 항생제가 다른 종류의 유기체의 성장을 억제하는 미생물의 2차 대사산물로 알려져 있으며, 그 중 약 90개는 발효되어 생산됩니다. 항생제는 박테리아, 방선균, 사상균에 의해 생산됩니다.
페니실린(penicillin), cephalosporin, cephamycin은 B-락탐 계열에서 효과적인 항생제로 알려져 있으며 β-락탐 고리를 가지고 있습니다. 페니실린의 기본 구조는 6- aminopenicillanic acid(6-APA)로 여섯 번째 탄소 위치에 아실기가 있으며, 아실기는 화학적 또는 효소적 반응을 통해 제거할 수 있고 반합성 페니실린은 다른 작용기를 추가하여 생산할 수 있습니다. 따라서 발효 방법으로 페니실린을 생산하는 것 외에도 합성 방법으로 많은 종류의 페니실린 유도체가 개발되어 의약품으로 사용되고 있습니다.
항생제인 페니실린과 세팔로스포린은 발효 또는 반합성을 통해 산업적으로 생산됩니다. β-락탐 항생제는 이온화되어 유기 용매에 용해되고 Na+ 및 K+ 이온과 결합하여 불용성 염을 형성할 수 있습니다. D-사이클로세린는 아미노산이나 펩타이드 항생제의 결핵 치료제로 사용됩니다. 가금류, 돼지와 송아지 등의 성장 촉진제로 사용되는 virginiamycin, 그람 음성 박테리아 치료제로 사용되는 tyrocidine, bacitracin, gramicidin, polymixin 등이 포함되어 있습니다. Actinomycin은 독성이 강해 암 치료제로 사용됩니다. 유기 용매에 용해되어 이온화되며 분자량은 약 중간 정도입니다.
탄수화물을 포함한 항생제에는 스트렙토마이신, 네오마이신, 겐타마이신과 같은 아미노글리코사이드 항생제가 포함됩니다. 그것은 그람 음성 박테리아에 효과적이며, 이온화 특성을 가진 분자량이 더 작습니다.
Macrocyclic lactone 항생제에는 그람 양성 박테리아에 효과적인 erythromycin, amphotericin 등이 포함됩니다. 이러한 유형의 항생제는 특히 페니실린 내성 박테리아에 효과적입니다. 유기 용매에는 용해되지만 물에는 녹지 않습니다.
퀴논(quinone) 항생제의 대표적인 물질인 tetracycline은 박테리아, 리케차, 마이코플라스마, 렙토스피라, 스피로헤타, 클라미디아 등 다양한 균체에 효과적입니다. Anthracycline은 독성이 강하지만 암 치료제로 사용됩니다. 이 계열의 항생제의 기본 구조는 naphthacene ring입니다.

 

C. Nucleotide와 nucleoside 

Purine nucleotide는 식품의 향미 증진제로 사용됩니다. 다른 관련 화합물은 암 치료제 또는 바이러스 감염 치료제로 사용될 수 있습니다. 뉴클레오타이드는 핵산의 효소적 분해 또는 직접 발효에 의해 생성됩니다. 시중에 판매되는 조미료는 다시마 맛의 주성분인 Na-glutamate(monosodium glutamate, MSG) 였지만, 맛 성분의 시너지 효과가 있는 5'-GMP(guanosine monophosphate) 또는 5'-IMP(inosine monophosphate)를 0.5% 첨가하여 사용합니다. 뉴클레오사이드는 인산기가 없는 해당 뉴클레오타이드로 구성되어 있습니다.

 

D. 다당류

미생물 다당류(polysaccharides)는 식품이나 의약품의 안정제로 사용되며 잔탄검(xanthan gum), 덱스트란, 커들란(curdlan), 풀루란(pullulan) 등이 있습니다. 분자량이 크고 알코올 용액에 녹지 않으며 이온화제가 있습니다.
잔탄검은 포도당, 만노스, 글루쿠론산으로 구성된 다당류로, Xanthomonas campestris가 생산하는 미생물 다당류로 산업화된 대표적인 물질입니다.
덱스트란은 α-1,6-글루코스이며, 밀가루와 같은 설탕을 첨가하여 깍두기를 담갔을 때 끈적끈적한 점성 물질이 생성됩니다. 덱스트란은 Leuconostoc mesenteroides에 의해 생성되기 때문입니다. 또한 락토바실러스, 스트렙토코커스 등의 속에서도 생성됩니다. Pullulan은 Aureobasidium 속에서 생성된 포도당이 α-1, 4, α-1, 6 결합인 다당류입니다. 그리고 Alcaligenes와 Agrobacterium 속에서 생성된 curdlan은 포도당이 선형적으로 α-1, 3 결합인 다당류입니다. Cyclodextrin glucanotransferase 효소 반응을 통해 얻은 사이클로덱스트린은 주기적인 α-1, 4 결합을 가지고 있습니다.

 

생물 공학적 생산물은 다양한 만큼 식품, 의약, 환경 등에 사용되며 인류에게 큰 도움이 되고 있습니다. 이러한 생산물들은 생물을 이용하여 배양 및 추출하기 때문에 대량 배양의 조건과 환경이 중요합니다. 다음 포스팅에서는 생물화학공학이 생산물을 추출하기 위한 과정에서 어떤 부분을 고려해야 하는지 그 역할에 대하여 알아보도록 하겠습니다.