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[연구자의 주거래은행] 미생물다당류은행
생명과학 knrrc (2018-09-12 11:17)
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미생물다당류은행

건국대학교 미생물다당류은행 정선호 은행장


미생물 유래의 기능성 다당류 소재

대부분의 다당류는 천연물, 무독성, 생분해성 고분자로, 일반적으로 세포표면을 감싸고 있으며, 면역반응, 밀착, 감염, 세포 신호등을 포함하는 다양한 생물학적 기전에서 중요한 역할을 한다. 대부분의 다당류는 친수성인 하이드로콜로이드 (hydrocolloid) 물질로 물에 녹거나 물에 퍼지는 특성을 가지고 있어, 제약 분야를 포함한 바이오 의료분야에서 약물전달 시스템, 하이드로젤, 나노파티클, 마이크로스피어, 타블렛 제형용으로 이용되고 있으며, 식(의약)품 분야에서서도 빵, 소스, 시럽, 아이스크림, 음료, 인스턴트 식품, 시럽과 같은 식품의 안정화제, 유화제, 농축제, 겔화제 등으로 폭넓게 활용되고 있다.
이러한 기능성 다당류는 동식물이나 조류의 바이오매스에서 분리를 해왔으나, 다음과 같은 단점이 있다. 첫째로, 동식물, 조류에서 바이오매스를 추출하기 위해서는 3~6개월이 필요하다. 둘째로, 계절의 변화와 토지의 질을 지속 가능하게 유지해야 하며, 셋째로, 태양 에너지가 필수적이다. 또한, 미세조류의 경우 다양한 유기자원과 특수한 발효기가 필요하다. 이에 비해 미생물을 이용해 기능성 다당류를 생산 할 경우 3-6 개월이 필요한 식물이나 조류와 달리 일주일 이내에 생산이 가능하다. 따라서 동식물 및 조류에서 얻어지는 바이오매스에서 기능성 다당류를 추출하는 대신 미생물이 생산하는 기능성 다당류를 추출하는 쪽으로 산업적 트렌드가 변화하고 있다.

기존의 다당류와 미생물 다당류의 차별점
<그림1>  기존의 다당류와 미생물 다당류의 차별점

일반적으로 다당류는 포함된 단당 분자의 종류에 따라 호모 (Homo-), 헤테로 (Hetero-) 다당류로 나눠지며, 각 단위체를 연결하는 결합 방법, 단위체의 단당의 종류, 단위체의 중합도 (degree of polymerization)에 따라 구조적 기능과 특성이 달라진다. 다당류를 구성하는 단위체로는 D-glucose, D-galactose, D-mannose, L-fucose,  L-rhamnose; and N-acetylhexosamines-N-acetyl-D-glucosamine, N-acetyl-D-galactosamine. Uronic acids such as D-glucuronic and D-galacturonic 등이 존재하며, 다양한 작용기가 단위체에 도입됨에 따라 구조와 특성이 변화하게 된다. 예를 들어 Shinorhizobium sp. 는 succinoglycan을 생산을 하는데, 세포외로는 높은 중합도를 갖는 고분자의 다당류와 13가지 이상의 저분자의 다당류를 생산을 하고, 세포내에서는 전혀 다른 저분자의 환형 올리고당을 생산한다. 고분자 succinoglycan의 경우 높은 중합도에 의해 분자량이 커서 물에 잘 녹지 않는 반면, 저분자 succinoglycan이나 환형 올리고당의 경우 물에 매우 잘 녹는다. 물에 잘 녹지 않는 고분자 succinoglycan의 경우 식의약품 분야에서 가소제나, 에멀젼, 식품 안정제 등에 주로 이용된다. 저분자 succinoglycan은 난용성 약제의 물에 대한 용해도를 높일 수 있는데, 저분자 succinoglycan의 succinate 그룹의 치환도 차이에 따라 그 기능성이 달라진다.  succinolglycan인 M1, M2, M3는 succinate 그룹이 0, 1, 2개 씩 치환되어 있어 그 구조가 비슷하지만 난용성 약제인 pindolol의 용해도를 높이는 데는 M1만이 효과가 있다. 이는 작은 구조 차이에 따라 다당류의 기능성이 다르게 나타나는 한가지의 예이다.


Shinorhizobium sp.가 생산하는 다당류 종류
<그림2>  Shinorhizobium sp.가 생산하는 다당류 종류

저분자 다당류 뿐 아니라 겔화제로 잘 알려진 다당류의 하나인 알긴산(alginate)도 그 구조와 성분에 따라 기능이 다르게 나타난다. 알긴산은  D-glucuronate 와 D-mannuronate로 이루어져 있는데 2개의 단당이 단순히 반복되는 것이 아닌 호모 다당과 헤테로 다당으로 이루어져있으며 분리하는 바이오매스에 따라 그 구성성분이 다르다 (조류, 미세조류, 미생물). 알긴산을 구성하는 D-glucuronate 와 D-mannuronate의 갯수에 따라 칼슘과 같은 금속이온과 복합체를 형성하는 활성이 달라진다. 일반적으로 알긴산은 calcium 이온과 결합하여 겔화 되는데, D-mannuronate는 calcium 이온을 결합시키지 못하므로 D-mannuronate의 함량에 따라 겔화 되는 정도를 조절 할 수 있다. 이러한 알긴산은 미생물인 Azotobacter sp. 에서도 생산이 가능하며 그 구성당과 분자량이 조류로부터 분리된 것과 차이가 있다.
이 외에도 다당류는 그 구조에 따라 다양한 기능을 가지기 때문에 여러 가지 기능성 다당류를 확보함으로써 새로운 소재 개발에 중요한 기초 소재를 제공할 수 있을 것이다. 알긴산은 독성이 적고 생체 분해가 가능하기 때문에 바이오의료 소재로 조직 공학이나 약물 전달 시스템에서도 이용되고 있다.


알긴산의 구조와 겔화 형태
<그림3> 알긴산의 구조와 겔화 형태

미생물이 생산해내는 다당류는 분자량, 구성당의 조성, 결합방식 및 위치, 가지화 정도에 따라 다양한 물리적 특성 (고유의 점성, 분산응, 겔 형성능, 유화안정능, 수분함유능, 표면장력 조절능, 점착능, 윤활능 등)을 나타내어 식품, 의약, 화학, 기타 다른 산업에 응용범위가 아주 넓다. 따라서 미생물 유래 다당류는 기존의 식물 혹은 해양 조류에서 얻어진 다당류와 비교하여 종류와 이용도가 다양하고 생산에 있어 공간적, 환경적 제한을 받지 않기 때문에 미래의 다양한 산업소재 확보와 상업적 부가가치 창출을 위해 지속적으로 개발되어야 할 것이다. 본 소재 은행은 다양한 미생물 다당류 소재를 확보하여 국내 연구자들에게 제공 하고 있다.

미생물 다당류 소재 확보의 전문성
다양한 구조를 갖는 미생물 다당류 소재
<그림4> 다양한 구조를 갖는 미생물 다당류 소재

미생물 다당류 소재를 확보하기 위해서는 미생물에 대한 이해와 다당류의 구조와 물리적 특성에 대한 이해가 필요하기 때문에 순수한 미생물 다당류 소재를 확보하는데 전문성이 요구된다. 
다양한 다당류를 생산하는 미생물로부터 목적하는 미생물 유래 다당류를 얻기 위해서는 특수한 배양환경과 분리방법이 요구된다. 원하는 미생물 다당류 소재를 얻기 위한 균주를 선택하고 배지 조성, 접종량, 배양 온도와 배양시간 등 배양조건을 설계해야 하며, 소량만 생산되는 다당류 소재를 분리할 경우 배양 스케일을 키워야 한다. 또한 순수한 다당류 소재를 얻기 위해서 다양한 크로마토그래피 기법이 사용되기 때문에 기자재 및 소모품, 재료 등을 구비하는데 자원과 시간이 소모된다. 본 소재은행은 다양한 미생물로부터 다당류를 분리하고 정제해 온 노하우와 경험을 바탕으로 기능성 다당류 소재를 효율적으로 확보하고, 새로운 미생물로부터 새로운 기능성 다당류를 분리하고 있으며, 또한 다당류 생산 미생물을 제공해 이용자가 미생물로부터 기능성 다당류를 분리할 수 있도록 하는 프로세스를 제공하고 있다.

미생물 다당류 소재 확보 공정 도표
<그림5> 미생물 다당류 소재 확보 공정 도표

일반적으로 비전공 연구자가 미생물로부터 분리된 다당류의 구조 분석 및 기능기를 확인하기는 어려울 뿐 아니라 (연결구조 분석, 구성 성분 당 분석, 분자량 분석, 기능기 분석에 다양한 분석 화학적 지식이 필요함) 다당류는 많은 수산화기 (-OH) 를 가지고 있어 구조적 변형이 가능함에도 불구하고, 구조적 특성 때문에 일반 바이오의료 소재개발 관련 연구자가 기능기를 부여하는 구조적 제어를 하기에는 많은 어려움이 있다. 본 소재 은행은 다양한 다당류에 기능기를 부여하는 구조적 제어 기술력을 가지고 있어, 일반 연구자에게 구조적으로 제어된 다당류를 제공하고 효율적인 구조 제어 방법 또한 제공하고 있다.

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<그림6> 미생물다당류 은행 서비스

미생물 다당류 소재의 미래
기능성 다당류는 셀룰로스(cellulose)와 같은 단 하나의 다당류소재가 수 십조 원의 마켓을 형성하고 있으며, 덱스트란(dextran), 플루란(pullulan) 과 키틴(chitin)과 키토산(chitosan)과 같은 다당류 및 환형다당류로서 사이클로덱스트린과 같은 소재들은 식품, 의약학, 화장품, 환경화학 및 융복합 BT/NT 분야에 중요한 소재로 매우 활발히 활용되고 있다. 현재 20여종의 다당류와 그의 유도체들이 동식물 및 해조류에서 분리 추출되어 기초연구 및 산업계 활용 분야에 주요 연구대상이 되어 있으나, 지속적인 신규소재의 발굴이 어렵고, 다당류의 추출분리 및 분석을 통한 확보의 전문성이 요구되는 실정이다. 국내 바이오의약, 식량 식품, 생물 환경 산업이 증가함에 따라 다당류 관련 시장도 점차 커질 것으로 예상되고 있다. 예를 들어 기능성 다당류 소재 중 하나인 히알루론산 유도체를 이용한 국내 성형용 필러시장은 2011년부터 2015년까지 연평균 27.4%나 성장하여 1,069억 원 규모이다. (2015년 기준, 출처: 한국보건산업진흥원).
셀룰로스, 플루란, 덱스트란, 히알루론산 등 주요 다당류를 이용한 많은 특허가 국내외에 발표되었는데, 특히 셀룰로스의 경우 국내 특허 수가 17,922건이나 되지만, 미국과 일본에서 발표된 특허수의 3% 정도에 불과 한 상황이다. 미생물이 생산해내는 다당류인 dextran이나 pullulan, cyclodextrin에 관해서도 국내 특허 수는 일본과 미국에 비교하여 3% 미만이었으며. 해양 조류에서 얻어지는 주요 다당류인 agar에 관한 특허 수는 일본과 비교하여 보았을 때 약 40%로 미생물 다당류에 비해 높은 특허수를 나타내었다. 이러한 지식재산권 현황은 국내 미생물 다당류 소재를 이용한 연구가 활성화 되지 못하고 있다는 것을 간접적으로 보여주는 근거이다.

<표1> 다당류 관련 지식재산권 현황
다당류 관련 지식재산권 현황

미생물 유래의 기능성 다당류소재는 기존의 식물, 조류, 동물에서 얻어지는 다당류 소재보다 다양한 구조를 가지고 있어 뛰어난 기능을 보이며 또한 동식물 및 해조류에서는 소량으로만 확보할 수 있는 특수한 구조의 다당류 소재를 미생물 배양을 통해 빠른 시간에 대량으로 확보할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 신규 연구자 혹은 타 전공 연구자가 이를 확보하여 새로운 연구나 융복합 연구에 적용하기는 매우 어려울 것이다. 다당류 소재는 기타 핵산, 단백질 소재와 달리 분리, 정제 방법이 소재 및 미생물에 따라 다양하고, 많은 노하우가 요구되며 화학 구조분석에 상당한 전문성이 필요하기 때문이다. 본 소재은행은 국내 연구자들에게 일반적으로 구할 수 없는 약 120여종의 미생물 다당류 소재를 확보하여 제공하고 있다. 많은 연구자분들의 관심과 협조를 통해 본 소재 은행이 보유 하고 있는 다당류 소재를 활용한 많은 연구 성과가 도출되기를 기대한다.

미생물다당류를 이용한 소재 개발
<그림7> 미생물다당류를 이용한 소재 개발

<소재분양 문의>

미생물다당류은행 (Microbial Carbohydrate Resource Bank, MCRB)
· 주소 서울시 광진구 능동로 120 건국대학교 의생명과학연구관 5층 507호 연구실
· 홈페이지: http://mcrb.knrrc.or.kr
· 이메일: amir@konkuk.ac.kr
· 대표전화: 02-450-3502


<대표논문>
Daham Jeong, Sang-Woo Joo, Vijay Vilas Shinde, Seunho Jung*
Triple-crosslinked β-cyclodextrin oligomer self-healing hydrogel showing high mechanical strength, enhanced stability and pH responsiveness
Carbohydrate Polymers 2018, 198, 563-574

Yiluo Hu, Hwanhee Kim, Vijay Vilas Shinde, Daham Jeong, Youngjin Choi,Eunae Cho,∗, Seunho Jung,∗
Carboxymethyl cyclosophoraoses as a flexible pH-responsivesolubilizer for pindolol
Carbohydrate Polymers 2018, 175, 493-501
Jae Min Choi, Kyeonghui Park, Benel Lee, Daham Jeong, Someshwar D Dindulkar, Youngjin Choi, Eunae Cho, Seyeon Park, Jae-hyuk Yu, Seunho Jung*
Solubility and bioavailability enhancement of ciprofloxacin by induced oval-shaped mono-6-deoxy-6-aminoethylamino-β-cyclodextrin
Carbohydrate Polymers 2017, 163, 118-128

Eunae Cho, Hwanhee Kim, Youngjin Choi, Seung R. Paik, Seunho Jung*
Polydiacetylenyl β-cyclodextrin based smart vesicles for colorimetric assay of arginine and lysine
Scientific Reports 2016 6, Article number: 31115 DOI: 10.1038/srep31115 2016.08.09.

Daham Jeong, Hyun ki Kim, Jae-pil Jeong, Someshwar D. Dindulkar, Eunae Cho, Yung-Hun Yang, Seunho Jung*
Cyclosophoraose/cellulose hydrogels as an efficient delivery system for galangin, a hydrophobic antibacterial drug
Cellulose 2016, 23, 2609-2625

Someshwar D. Dindulkar a, Daham Jeong a, Eunae Cho a, Dongjin Kim b and Seunho Jung*
Microbial cyclosophoraose as a catalyst for the synthesis of diversified indolyl 4H-chromenes via one-pot three component reactions in water†
Green Chemistry 2016, 18, 3620-3627,

Eunae Cho, Muhammad Nazir Tahir, Jae Min Choi, Hwanhee Kim, Jae-Hyuk Yu,Seunho Jung*
Novel magnetic nanoparticles coated by benzene- and β-cyclodextrin-bearing dextran, and the sorption of polycyclicaromatic hydrocarbon
Carbohydrate Polymers 2015, 133, 221-228 



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