Earticle

천연물로부터 생리활성 물질에 관한 연구가 활발히 진행 되고 있으며, 질병에 대한 치료 및 예방제 또는 건강보조 제로서 식물자원이 널리 이용되고 있다. 천연 항산화제로 는 α-tocopherol, vitamin C, carotenoids, flavonoids 등이 알려져 있는데, 이러한 항산화 효과가 있는 물질들은 동식 물에 널리 분포되어 있으며, 특히 많은 연구가 이루어진 분야는 식물성 물질이다. 식물 유래의 2차 대사산물들은 자유유리기 (free radical)와 활성산소의 생성을 억제하거 나 제거시켜서 산화에 의한 세포손상을 방지한다는 것이 생체 실험결과 밝혀졌다(1-2). 지금까지 보고된 대부분의 천연 항산화제는 식물에서 유래된 것으로서 주로 폴리페놀 화합물인 것으로 알려져 있으며(3), 특히 flavonoids는 지질 의 산화, 활성산소의 소거 및 산화적 스트레스를 막는 역할 을 함으로써 노화방지, 암 및 심장질환 등을 예방하거나 지연 하는 효과가 있어서 오늘날 식품, 의약품, 화장품 등 많은 분야에서 활용되고 있다(4). 천연물로부터 생리활성 물질에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 질병에 대한 치료 및 예방제 또는 건강보조제로서 식물자원이 널리 이용되고 있다. 최근 고령화와 식생활의 변화에 따라 급성 염증질환 과 류마티스관절염, 천식과 같은 만성 염증질환이 증가하는 추세이다. 염증 반응은 생체나 조직에 물리적 작용이나 화학적 물질, 세균감염 등과 같은 기질적 변화를 가져오는 침습이 가해질 때 그 손상 부위를 수복 재생하려는 기전 이다(5). 염증을 일으키는 요인 중에서 세균에 의한 것이 가장 많으며, 일단 자극이 가해지면 국소적으로 histamine, serotonine, bradykinin, prostaglandins, hydroxyeicosatetraenoic acid (HETE), leukotriene과 같은 혈관생성 물질이 유리되어 혈관 투과성이 증대되면서 염증이 유발된다. 그런데 지속적 인 염증반응은 도리어 점막손상을 촉진하고, 그 결과 일부 에서는 암 발생 등과 같은 질환의 요인이 되기도 한다(6). Nitric oxide (NO)는 NO synthases (NOSs)에 의해 L-arginine 이 L-citrulline으로 전환되면서 생성되는 유리기로, 체내 방어 및 신호전달, 혈관 확장 등의 2차 신호전달자로서 다양한 생리기능을 가진다(7-10). NOSs는 물리화학적 성질 에 따라 3종류의 동종 효소로 분류된다. 이 중에 neuronal NOS (nNOS)와 endothelial NOS (eNOS)는 세포에 지속적 으로 존재하기 때문에 constitutive NOS로 분류되며(11), 상대적으로 대식세포, 혈관평활근세포, 내피세포 등에서 lipopolysaccharide (LPS), interferon-γ (INF-γ) 및 tumor necrosis factor-α (TNF-α)등의 자극제들에 노출되는 경우 에 발현되는 inducible NOS (iNOS)가 있다. iNOS에 의해 생산된 NO는 혈관 투과성, 부종 등의 염증반응을 촉진시 킬 뿐만 아니라 염증매개체의 생합성을 촉진하여 염증을 심화시키는 것으로 알려져 있다(12-14). 그리고 병리적인 원인에 의한 과도한 NO의 생성은 혈관확장, 세포독성, 조 직손상 등과 같은 생체에 유해한 작용을 나타낸다(15-16). 제주아그배 (Malus micromalus Makino)는 개아그배나무 또는 좀아그배나무라고도 하며, 제주도 한라산록에서 자생 하는 낙엽관목이고 5~6월에 개화하여 9월에 열매가 열리 는 식물이다(17-18). 정원수나 가구재로 활용이 되고 있고 과실은 하리 (下痢) 치료에 효과가 있다고 알려져 있는 정도이며 그 생리활성에 대한 연구 보고는 없는 실정이다. 본 연구는 제주아그배가 기능성 생물 소재로서의 활용 가능 성이 있는지를 평가하기 위하여 제주아그배 추출물의 다 양한 생리활성을 조사하였다.

The antioxidant and anti-inflammatory activities of ethanol extract of Malus micromalus were studied in vitro. Ethanol extract of M. micromalus showed scavenging effects on 1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl (DPPH) and nitric oxide (NO) radicals. In addition, ethanol extract of M. micromalus inhibited the generation of superoxide anion (O2 -) radical and uric acid by xanthine oxidase. We also investigated the effect of ethanol extract of M. micromalus on NO production in a lipopolysaccharide (LPS)-stimulated murine macrophage RAW 264.7 cells. Ethanol extract of M. micromalus significantly inhibited NO production and this inhibitory action was not due to the cytotoxicity. The expression of inducible nitric oxide synthase (iNOS) and cyclooxygenase-2 (COX-2) was markedly down-regulated by ethanol extract of M. micromalus. These results indicate that the inhibitory action of ethanol extract of M. micromalus on NO production in LPS-stimulated macropages might be due in part to abrogation of iNOS and COX-2 protein induction. Taken together, this study suggests that ethanol extract of M. micromalus could contribute to the chemoprevention and therapy of oxidative stress and inflammation.

식물의 뿌리주변의 토양은 다른 부위의 토양에 비해 무기 물, 산소가 부족하고 CO2와 유기물이 풍부한 환경을 형성 하고 있다. 이들 토양환경에 있어 다양한 토양미생물이 서식 하고 있으며, 뿌리주위의 토양부위를 근권 (rhizosphere), 그 토양을 근권토양 (rhizosphere soil)이라고 하며 뿌리에 존재하는 미생물은 내부근권 (endorhizosphere), 뿌리의 표 면 (rhizoplane), 뿌리근방의 토양 (근권, rhizosphere soil)의 부분으로 분류한다. 근권에는 환경에 적응한 토양미생 물군이 서식하며 비근권군과 비교하여 미생물의 종류, 활 성, 생리적 성질이 다르다(1, 2). 근권미생물은 비근권미생물에 비해 일반적으로 protein, cellulose, starch, 각종 당류, gelatin 등의 분해활성, 탈질 활성, 호흡활성이 크며, 생리적 특징으로 영양 요구성이 단순하여 glucose, 무기염, 아미노산만을 요구하는 세균이 많다. 또한 미생물의 존재상태가 비근권미생물의 경우 일 반적으로 휴면상태, 활성이 낮은 상태로 존재하나 근권미 생물은 활발히 물질대사를 수행하고 있으며 새로운 기능의 토착유용미생물의 분리와 이용을 목적으로 한다. 근권미생물은 기능면에서 식물의 생육에 영향을 미치는 호세균군을 식물성장촉진 세균군 (PGPR, Plant growth promoting rhizobacteria) 및 균류군 (PGPF, Plant growthpromoting fungi)이 알려져 있으며, 세균으로는 Agrobacterium, Alcaligenes, Arthrobacter, Azospillum, Azotobacter, Bacillus, Bradyrhizobium, Enterobacter, Erwinia, Flavobacterium, Hafnia, Klebsiella, Pseudomonas, Rhizobium, Serratia, Xanthomonas 등이 있다(3, 4). 이들 PGPR세균의 식물성장 촉진 기능은 토양중의 유기태 및 불용성의 질소, 인, 황에 작용하여 무기물의 형태로 식물이 흡수하도록 가용화시키며, 이들 미생물이 생산하는 auxin, gibberelins, cytokins 같은 식물생육 조절인자인 식물호르몬 (phytohormone)의 생산, 철 이온과 친화성이 높은 가용성을 가지는 저분자량의 siderophores의 생산(4, 5, 6, 7, 8) 그리고 항균성 2차대사 산물을 생산하는 미생물이 다수 존재하여 병원균의 생육을 억제하여 감염을 방어하는 기능을 가지고 있다(9, 10, 11, 12). 근권미생물 중 식물에 장해를 미치는 병원미생물이 다수 존재하여 토양전염병 (soil-borne disease)이 문제가 되어 야채, 일반작물의 연작장해의 주된 원인이 되고 있다. 이들 토양병원균은 접근한 식물뿌리의 자극에 반응하여 활동을 개시하여 뿌리, 뿌리지하부, 토양과 접한 경엽에 침입하여 병을 유발시키는 생리적 특성을 가지고 있다. 따라서 토양 전염병의 방제를 위해 근년에 들어 지구환경보전형 농업 을 지향하여 화학농약을 사용하지 않는 식물병해방제법이 강구되고 있다. 그 예로 토양미생물의 기능, 특성해명, 자 연의 구조를 응용하는 연구 즉, 생물방제연구가 전 세계적 으로 수행되고 있다. 최근에는 식물성장촉진능과 식물병 원성 진균의 방제능을 동시에 가지는 PGPR균주에 대한 연구가 대두되어 활발히 진행 중에 있다(6). 본 연구는 우리 농촌의 경작토양에 사용하는 발효퇴비, 화학비료, 화학농약 등의 장기사용으로 인하여 토양중의 오염, 각종 불용성 염의 축적, 토양미생물의 생태적 변화 등 으로 연작장해, 종자발아율의 저하, 작물 수확량의 저하 등 의 문제를 해결하기 위한 일환으로 고온, 건조에 내성을 가진 유용토착미생물을 수종 분리하였다. 그 중 식물성장 촉진능과 식물병원성 진균의 방제능을 동시에 가지는 신균 주로 동정된 토양세균의 분리 및 특성을 보고하고자 한다.

For the isolation of a plant growth-promoting rhizobacteria, strain YK-5 was selected from approximately 400 thermostable strains isolated from special soil samples. Strain YK-5 produced an antifungal compound, and optimum carbon and nitrogen sources for the production of the antifungal compound were investigated against Aspergillus flavus as a test strain. Modified LB medium containing 1% peptone, 1% yeast extract and 5% black sugar was determined to be the optimal medium for growth and antifungal compound production. Culture broth of strain YK-5 potently inhibited growth of the phytopathogenic fungus Fusarium oxysporum KACC 40052 for 7 days. The plant growth-promotion function of strain YK-5 was tested against radish and rice in pot trials. Leaf number, plant height and root length in YK-5-treated radish markedly exceeded (> 60%) those of untreated radish. Leaf length and white rootlet development were markedly more prominent than in commercially-treated rice plants. Strain YK-5 was determined to be Bacillus subtilis YK-5 by physiological, chemotaxonomical, and phylogenetical analyses.

Lipase (E.C 3.1.1.3)는 지질 (lipid)을 글리세롤과 지 방산으로 가수분해하는 효소로서 1980년 중반 이래 triacrylglycerol lipase의 단백질공학기술 (protein engineering) 이 발전하면서 세제, 유기합성, 제지산업 등의 산업분야에 응용되었다(1, 2). 일반적으로 가수분해효소는 chiral substrates 를 2차 알코올과 1차 알코올로 분해한다. 반면 Candida antarctica 유래 lipase A 가수분해효소는 불리한 원자의 공간적 배치로 기인한 입체장애에도 불구하고 3차 알코올 로 분해한다고 보고되었다(3). 또한 가수분해 반응의 역반 응인 에스테르화반응에서 lipase A만이 Sn2 위치에서 촉 매 역할을 수행한다. 이러한 lipase A의 기능적 발현을 위해 효율적이고 경제 적인 유전자 재조합 기술 및 발현시스템의 선정은 이 단백 질의 발현양과 활성여부에 큰 영향을 미친다. 현재 재조합 유전자의 발현 및 생산을 위해 주로 쓰이는 숙주는 대장균, 효모, 곰팡이, 동물세포 등이다. 특히 대장균 (Escherichia coli)에서의 외래유전자 발현은 다양하게 개발된 프로모터 (promoter), 값싼 배지, 빠른 생장 속도 등의 이점으로 인해 가장 많이 적용되는 발현시스템 방법이다(4). 그러나 황화물 결합 (disulfide bond) 형성 및 당화 (glycosylation)와 같은 번역 후 수식(posttranslational modification) 과정이 없고, 대장균 내에서 발현된 목적 단백질이 내포체 (inclusion body) 형태로 비활성화되기도 하는 단점을 가지고 있다. 메탄올 자화 효모 (metthylotrophic yeast)인 Pichia pastoris 는 높은 발현율과 분비작용 (secrection)으로 분리가 용이 하다는 장점을 가지고 있어 용해성 (soluble) 단백질의 발현 시스템으로 선호되고 있다. 즉, 외래유전자를 숙주세포 발현 계의 염색체 DNA에 삽입시킬 수 있어 발현계의 안정성 이 높아지고, 고농도 세포배양 시 발생되었던 단백질 발현율 저하를 막을 수 있다. 강력한 메탄올 유동성의 alcohol oxidase 1 (AOX1) 프로모터를 이용함으로써 외래단백질의 대량생산에 유리하다. 또한 진핵세포로서 고등생물 유래의 유전자와 전사 및 번역 시스템이 유사하여 스플라이싱 (splicing)을 통한 인트론 (intron)의 제거와 고등동물의 골지체와 유사한 분비기관을 갖추고 있어, 번역 후 수식 을 통해 활성형 단백질을 생산, 분비할 수 있다(5-7). 최근 P. pastoris에서 Chaetomium thermophilum 유래 glucoamylase(8), Human ScFv against Botulinum Neurotoxin A(9), manganese lipoxygenase (30 mg/L)(10), Aspergillus niger 유래 phytase (65 unit/ml)(11)등의 외래 단백질이 성공적으로 발현되었다. 이에 본 연구는 C. antarctica 유래 의 lipase A (CalA)를 P. pastoris와 E. coli에서 발현을 시도하였고, 각 경우의 발현시스템으로서의 유용성 여부에 대하여 비교분석하였다.

Candida Antarctica lipase A (CalA) has been used because of its suitability in industrial applications. CalA has unique features capable to accept tertiary and sterically hindered alcohols among many hydrolases. CalA gene was cloned and constructed in expression vector such as pColdⅢ/CalA and pPICZαA/CalA. The gene encoding pColdⅢ/CalA was functionally expressed in the cytoplasm of Escherichia coli OrigamiTM B (DE3) cells. The plasmid pPICZαA/CalA linearized by BstXⅠ was integrated into 5'AOX1 region of the chromosomal DNA and was functionally expressed in the methylotrophic yeast Pichia pastoris. Expressed CalA in P. pastoris (0.7 Unit/ml) showed 35 times higher activity than that in E. coli expression system (0.02 Unit/ml).

미생물에 의한 화장품의 오염을 방지하여 사용기간을 연장하기 위해 기존에 화장품에 첨가하는 물질은 파라벤 류 (parabens)의 방부제 (preservative) 물질이다. 이 물질 은 인체의 조직 내부에 축적되며 유방암 세포 등에서 정 상세포에 비해 월등히 높은 농도로 측정된다. 또한 파라벤 이 여성 호르몬의 일종인 에스트로겐과 유사한 작용을 하 는 것이 알려졌으며 이는 파라벤이 내분비계를 교란하는 물질로 작용할 수 있음을 시사한다(1). 화장품 산업계에서는 화학적 방부제의 이러한 부작용을 극복하기 위하여 천연항균물질을 방부제로 사용하기 위한 연구가 진행되어 왔다. 예를 들어, 알카로이드 (alkaloids), 후라보노이드 (flavonoids), 피토알렉신 (phytoalexin), 항균펩타이드에 대한 연구보고와 유기산과 지방산 등의 항균성에 대한 보고가 있으며, 이들 물질의 항균작용은 산의 pH에 의한 효과 및 킬레이트 에 의한 효과가 주 항균 메커니즘일 것으로 추정했다(2, 3). 본 연구에서는 꿀풀과 의 다년생 초본식물인 황금 (黃芩)의 에탄올 추출물이 화 장품 오염세균에 대해 갖는 항균효과를 연구하였다. 황금 (Scutellaria baicalensis GEORGE)은 그 뿌리가 노란색이며 오래 전부터 동양의학 문헌에 각종 염증에 대한 효과가 알려져 왔다. 특히 폐와 대장의 화 (火)와 열 (熱)을 제거하 는 효능이 알려져 있는데 한의학에서 말하는 폐 (肺)는 폐 (lungs) 자체뿐만 아니라 대장 (large intestine)과 피부 (skin)를 포함하고 있음을 생각한다면, 황금의 유효성분 중에는 피부와 밀접한 관계를 가지고 있는 화장품의 기능 을 향상시킬 수 있는 성분이 있을 것으로 예상된다. 예를 들어 황금의 주요성분인 바이칼린 (baicalin), 바이칼레인 (baicalein), 워고닌 (wogonin) 등의 약리작용 중 알레르기 를 억제하는 효능도 있을 것이라고 예상할 수 있다. 황금 은 그 약리작용인 항산화, 항암, 항염효과(4) 및 신경보호 (neuroprotective) 기능(5) 뿐만 아니라 아토피성 피부용 한방화장품 제형화 연구에서 황금추출물의 안정성과 기능 성 강화에 기능에 대해 보고되었다(6). 본 연구에서는 황금 추출물이 기존의 파라벤류 방부제를 대체할 수 있는 천연 방부제로 사용될 수 있는 가능성을 탐색하고 또한 항산화 효과를 검증하였다.

Ethanol extract (1.0 wt%) of Scutellaria baicalensis GEORGE practically satisfied CTFA (The cosmetics, Toiletry, and Fragrance Association) standard in its antimicrobial activity against Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa and Candida albicans which were inoculated in skin toner and skin lotion. At concentrations of the extract less than 1.0 wt% the survival rate was the best for S. aureus and the worst for P. aeruginosa. The antimicrobial effect seems to be due to the damage to the bacterial cell wall as evidenced by the images of a Field Emission-Scanning Electron Microscope. The extract also showed a high anti-oxidant effect, and superoxide dismutase (SOD)-like activity reached 80% at 1,000 ppm. These findings suggest that the extract of Scutellaria baicalensis GEORGE is applicable to cosmetics as a natural preservative and an anti-oxidant.

현재 대도시로의 인구의 집중화 및 경제 및 산업발전에 따른 생활수준의 향상, 레져 문화의 발달에 의한 여가 활 동의 증가로 인해 하수의 발생량은 계속 증가하고 있으며 2007년 발생량은 16,745천 m3/day로 발생한 하수는 바로 하천으로 유입되기 때문에 하천 오염시 하천의 수생태계 를 파괴시키고 악취를 발생시켜 주변 주민들이 민원을 제기 할 소지가 많다(1). 이러한 하천오염은 바로 수도권 상수 원의 오염으로 연결되어 국가적인 관점에서 매우 중요한 현안이며 현재 정부에서는 오수․분뇨 및 축산폐수의 처리 에 관한 법률을 폐지하고 오수 및 분뇨를 하수도법에 통합 시켜 하수도법으로 단일화하고 하수처리시설의 설치 대상 범위를 확대하고 적용 방법도 변경하였으며 방류수 수질 기준도 더욱 강화시킬 예정이다. 특히 하천의 부영양화는 질소와 인에 의한 영향으로 질소와 인에 대한 규제치가 더욱 낮아질 예정이며 댐 상류의 하수처리 통합시스템 구 축으로 많은 마을하수도와 하수종말처리장이 신설되거나 고도처리로 변경되고 있는 실정이다. 이러한 고도처리 시 기 존의 처리 장치인 활성슬러지법으로는 한계가 있어 담체 를 충진한 처리장치, 막분리 처리장치, 정밀여과장치 등 새로운 처리장치가 개발되고 있다(2, 3). 현재 개발되어 있는 처리방법으로는 기존의 처리시설을 고도처리로 변경시 기존 의 부지 면적을 초과하게 되어 있어 새로운 부지가 필요 한 실정이다(4). 따라서 이를 해결할 수 있는 단위면적 당 처리효율이 높은 새로운 처리장치 개발이 요구된다. 이들 방법 중에 담체를 충진하는 방법이 있으며, 이 방법 은 반응기 내의 균체를 고농도로 유지하고 활성도를 보다 안정하게 유지할 수 있어서, 환경 변화에 대한 적응성과 처리효율을 높일 수 있으므로 장치의 용량이 작아지고 독 성물질에 대한 영향을 감소시킬 수 있으며 높은 유속에서 도 미생물의 증식 특성이 제한 받지 않으며 장기간 연속 조작을 할 수 있고 반면에 단락 현상 발생 및 공정 시작시 간이 길어지고 균일한 혼합이 이루어지지 않는 단점이 있 다(5). 특히 담체는 큰 유속을 가하여도 활성이 없는 미생 물은 쉽게 떨어지지 않고 과다하게 부착되고 한 곳에 편 중하는 문제점이 나타나고 있다. 이를 해결하기 위해 담체 를 유동화할 필요가 있고 이러한 유동화를 극대화할 수 있는 장치가 Loop Reactor이다(6). 본 연구에서는 혐기/무산소/호기조의 3단계로 구성된 고정상 담체를 충진한 A2O (Anaerobic/Anoxic/Oxic) 생물 막 공법을 이용한 상향류식 고정상 담체 반응장치와 호 기조로 고정상 담체 대신에 유동상 담체를 사용한 Loop Reactor로 이루어진 장치의 성능을 비교하기 위해 생활하 수를 대상으로 각각 성능실험을 수행하여 수리학적 체류 시간 (HRT)에 따른 BOD, COD, SS, T-N, T-P 등 오염 물질의 제거 특성을 비교 분석하였다.

This study was accomplished using Anaerobic/Anoxic/Oxic upflow packed-bed column reactors with fixed media and Loop Reactor with fluidized media instead of Oxic reactor. The objectives of this study was to investigate the characteristics of organics, nitrogen and phosphorus removal from sewage with the HRT. The average removal efficiencies of BOD5 and SS increase as increasing the hydraulic retention time (HRT) until 16 hr of the HRT, and they were constant over 16 hr of the HRT. The removal efficiency of BOD5 in case of packed-bed reactor and Loop Reactor was about 86.6% and 90.9% respectively at 16 hr of the HRT. The removal efficiency of SS in packed-bed reactor and Loop Reactor was about 78.0% and 88.2% respectively at 16 hr of the HRT. The average removal efficiencies of CODCr and CODMn showed similar trends as those of BOD5 and SS. At the HRT of 16 hr, the removal efficiency of CODCr in case of packed-bed reactor and Loop Reactor was 63.5%, 75.2% and that of CODMn was 60.7%, 73.6% respectively. The average removal efficiencies of T-N and T-P increase as increasing the HRT. The removal efficiencies of T-N and T-P in Loop Reactor were 33.6% and 54.5% respectively at 16 hr of the HRT and T-N and T-P were better removed in Loop Reactor. From this result, it was found that the performance of Loop Reactor was much higher than the performance of packed-bed reactor and the optimum HRT was 16 hr.

최근 화석연료가 고갈되어 감에 따라 대체에너지의 필요 성이 계속적으로 증가하고 있다. 이에 따라 에너지로의 전환 이 가능한 견목재 (hard wood), 연목재 (soft wood), 농업 부산물 (agricultural residue)을 비롯한 섬유소계 바이오매 스가 중요한 자원으로 부각되고있다(1, 2). 섬유소계 바이 오매스는 Cellulose (30~40%), Hemicellulose (20~25%), 리그닌 (20~25%)으로 구성되어있다(3-6). 섬유소계 바이오 매스를 원료로 하여 에탄올이나 여러 가지 화합물을 생산 하기 위해서는 섬유소계 바이오매스를 구성하는 탄수화물을 미생물 발효가 가능한 발효성당으로 전환하여야 한다(7). 이들 성분들을 효과적으로 전환하기 위해서 물리화학적 처리방법이 요구 되어지며 우선 리그노섬유소를 구성하고 있는 구성성분을 고려한 분별공정이 수행되어야 한다. 이 러한 분별 공정의 목적은 물리화학적 방법으로 바이오매 스에서 유효성분을 분별함으로써, 효소를 통한 가수분해 효율을 증진시키는데 있다(8-11). 우리나라에서 발생되는 보릿짚, 유채대, 볏짚, 고추대 등과 같은 농업부산물들은 친환경적인 생물성 폐자원으로 써 고부가가치를 지니고, 활용면에서도 높은 잠재력을 지 니고 있다. 그러나 우리나라에서 발생되는 농 임산 폐기물 의 80% 이상이 자원으로 재활용되지 못하고 비생산적 처 리에 의존하고 있는 실정이며, 따라서 국내 농 임산 폐기 물을 이용하는 자원화 기술개발이야말로 부존자원이 부족 한 우리나라에는 반드시 필요한 자원확보의 대안이 될 수 있을 것이다. 섬유소계 바이오매스로 주목 받고 있는 보릿 짚, 유채대, 볏짚, 등은 광합성작용에 의해 대기중의 이산 화탄소를 이용하여 축척되기 때문에, 바이오 에너지로 사 용할 경우 이산화탄소는 단지 순환할 뿐 추가적으로 배출 되는 것은 없다고 말할 수 있어, 섬유소계 바이오매스를 통한 바이오 에너지 이용은 지구온난화를 가속화 시키는 화석연료 사용에 따른 문제점을 감소 시킬 수 있는 장점 을 가진다. 이와 관련하여 우리나라의 대표적 채소작물인 고추의 경우 2007년도 이후 평균 재배면적이 6만 ha로 가장 많고, 총 생산액도 매년 약 1조원으로 농가의 환금성 작물 로 중요한 작물이다. 우리나라의 연간 고추 생산량은 약 42만 ton이며 이에 따른 고추 대의 발생량은 약 90만 ton 이다. 그러나 고추의 생산성 은 인건비의 상승과 노동력의 감소 및 고령화로 생산비가 상승하고, 재배규모가 영세하여 고추농가의 78%가 300평 미만 (평균 재배면적 240평)으로 자급 형의 농가들이 대부분이며 노동집약적 재배에 의존 하고 있다. 고추 생산비중 노력비용이 46%를 차지하여 작 업의 생력화가 필요한데, 고추재배에는 10 ha당 200시간 전후가 소요되며 그 중 수확 노동시간이 80시간으로 39%를 점유하여 특히 수확작업의 생력화 및 기계화가 필요한 실정 이다(12). 따라서 경작 재배되는 경향이 일시에 수확하여 출하가 가능한 품종으로 전환되고 있으며, 이에 따른 수확 후 발생하는 고추가지, 대 등의 부산물이 대량으로 발생하 고, 이들 농업폐기물들은 소각되거나 대부분 방치폐기 되는 실정이다. 고추대는 보릿짚이나 볏짚류와 같이 농업부산 물로 얻을 수 있는 바이오매스이지만 고추대는 단단하고 견고한 구조를 가지고 있어 위의 종류의 농업부산물과 같이 가축의 사료나 산업의 원료로 사용되지 못하고 있다. 농업 부산물 또는 폐기물들의 자연상태에서의 분해는 박테리아 류에 의해 이루어지지만 이는 분해속도, 기질친화도 등이 낮아 토양에 축적되거나 환경적인 오염원인이 되고 있으 며, 소각 등으로 인한 대기오염을 유발시킨다(13). 따라서 이러한 국내 농업분야의 경작여건 변화와 자원 재활용적인 측면, 기계적인 방법을 통한 대량 수거를 유도할 수 있는 계기를 마련하고, 환경적인 오염원의 저감 측면에서의 가 능성과 바이오 매스 에너지원으로서의 활용도를 고찰하기 위하여 본 연구 소재로써 고추 대를 사용하게 되었다. 본 연구에서는 비 식용작물 중 농업폐기물로 얻을 수 있는 고추대를 바이오 매스로 선정하고 묽은 황산을 이용 한 자일로즈 분별공정을 통해 바이오매스 내의 구성물질 인 반섬유소를 분해하여 자일로즈를 효율적으로 분별해내 는 조건을 최적화 하고자 하였다.

Response surface methodology (RSM) was used for optimization the fraction conditions of xylose from pepper stem with dilute sulfuric acid. The independent variables were acid concentration in the range of 1.134 to 2.866%, reaction temperatures in the range of 142.68 to 177.32℃, and hydrolysis time in the range of 6.34 to 23.66 min. were studied. The dependent variables were xylose yield from pepper stem, and the production of by-products, for example, furfural, acetic aicd, HMF etc. Experimental results had a good match with statistical result. The maximum xylose yield obtained in this experiment was 71% concentration.

채종 또는 평지로도 불리는 유채 (rape)는 십자화과 (Cruciferae) 배추속 (Brassica)에 속하는 2년생 초본이다. 재래종 유채유에는 과량으로 섭취하는 경우 갑상선종을 유발하며 쓴맛이 나게 하는 성분인 글루코시놀레이트 (glucosinolate)가 존재하며, 유채유의 전체 지방산 중 심장 병이나 심장골격근염의 원인이 되는 에루크산 (erucic acid) 이 약 58% 정도로 매우 과량으로 함유되어 있다. 이러한 유채유의 단점을 보완하기 위하여 1978년 캐나다에서 최초 로 에루크산과 글루코시놀레이트의 함량을 식용 기준치 이하 로 낮춘 LEAR (low erucic acid rapeseed) 품종을 개발하여 캐놀라 (Canadian oil, low acid; canola)라는 이름으로 명명 하였다. 현재 캐나다, 미국, 유럽에서는 저에루크산 유채인 캐놀라가 재배되고 있으며, 고에루크산의 유채는 특수한 경우 공업용으로만 이용되고 있다(1, 2). 캐놀라 씨앗의 경우 오일 함량이 약 41～48%로 콩이나 해바라기의 오일 함량에 비해 더 높고, 대부분 불포화지방 산인 올레인산 (oleic acid, 60%)과 리놀레인산 (linoleic acid, 20%)으로 구성되어 있으며, 혈중 콜레스테롤 수치를 높이 는 포화지방산의 함량은 약 7% 정도로 모든 식용유 가운 데 가장 낮은 것으로 알려져 있다(1-3). 캐놀라 오일은 낮 은 온도에서 잘 응결되지 않고 빛의 영향을 적게 받으며, 산화안정성 및 가열안정성이 매우 우수하다. 또한, 미량의 토코페롤을 함유하고 있으며 이 중 생리활성이 강한 알파 토코페롤의 성분 함량이 많아서 노화방지에 좋고 비누화가 느리며 거품이 풍부하다. 캐놀라 오일은 담백한 풍미를 가지 고 있어 샐러드유로 많이 사용되고 있으며, 튀김, 부침, 마가 린, 마요네즈 샐러드드레싱 제조에 많이 이용되고 있다. 또한 공업용 도료, 윤활제, 등화용유로 쓰이기도 하며 기름을 짜고 남은 캐놀라박은 고단백의 가축사료로 이용되고 있다(1-3). 오일종자에서 오일을 추출하는 일반적인 방법으로는 압착법, 휘발성 유기용매 추출법 등이 사용되고 있으며, 일반 적으로 오일 함량이 높은 씨앗의 경우 압착법을 이용하여 오일을 추출한 후 남은 찌꺼기에 포함된 오일을 휘발성 유기용매로 추출한다(4-7). 유기용매 추출의 경우 독성이 강한 석유 에테르, 공업용 헥산, 헵탄 등의 유기용매가 다량 으로 사용되므로 추출 후 유기용매의 처리와 환경오염의 문제가 있으며, 잔류용매에 의한 독성 문제가 발생할 수 있 다. 또한 추출 시간이 오래 걸리고 고온을 필요로 하기 때문 에 과량의 에너지 소비와 추출물의 변성이 일어날 수 있는 단점을 갖고 있다. 최근에는 이런 문제점을 해결할 수 있 는 환경 친화적인 대체기술로서 초임계 유체 추출공정에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 호호바 오일(8, 9), 팜유(10, 11), 대두유(12), 아마란스 오일(13), 에센셜 오 일(14-16) 등의 오일뿐만 아니라 비타민(17, 18), 카페인(19) 등의 유효성분 회수를 위한 초임계 유체 추출 연구가 심도 있게 진행되고 있다. 초임계 유체 (supercritical fluid)란 어떤 물질의 임계점 (critical point) 이상의 온도와 압력 조건에서 존재하는 유체로 액체와 기체의 중간 특성을 나타내며 밀도를 연속적으로 변화시킬 수 있기 때문에 용해도, 점도, 확산계수 등의 상태 를 쉽게 조절할 수 있다(20). 또한, 낮은 점도와 표면장력 및 높은 확산계수의 특성을 나타내어 고체 물질 내부로의 효과적인 침투가 가능하기 때문에 유효 성분의 효율적 추출 에 적합하다. 이런 장점들로 인하여 초임계 유체 추출은 유기용매 추출에 비하여 짧은 시간 내에 높은 추출 수율 을 얻을 수 있는 매우 효과적인 공정기술이라 할 수 있다. 초임계 유체 중 이산화탄소의 경우 임계점 (73.8 bar, 31℃) 이 비교적 낮고 불연성, 무독성이며 재활용이 용이한 천연 용매라고 할 수 있으며, 추출물과의 반응성 및 부식성이 거의 없고 가격이 비교적 저렴하다는 장점을 가지고 있어 초임 계 유체 추출공정에서 가장 널리 이용되고 있다(14, 19-21). 기존의 캐놀라 오일에 대한 초임계 유체 추출 연구의 경우 전처리 과정의 영향, 용해도 및 상평형, 공정변수 등에 관한 연구가 주로 진행되어 왔다(6, 22-26). 본 연구에서는 바이오디젤 생산의 주요 원료인 캐놀라 오일의 초임계 이산 화탄소 추출기술의 scale-up공정에 대한 기초연구로서 추출 용량이 다른 두 종류의 초임계 추출장치를 사용하여 추출 기 용량, 초임계 이산화탄소의 흐름방향, 캐놀라 씨앗 입자 의 크기, 온도, 압력 등의 공정변수가 캐놀라 오일의 추출 속도와 수율에 미치는 영향을 검토하여 최적 추출 공정조건 을 분석하고자 하였다. 또한 추출된 캐놀라 오일의 분석을 위해 증기화 광산란 검출기 (evaporative light scattering detector, ELSD)가 장착된 HPLC를 이용하여 트리글리세 라이드 (triglyceride)의 성분을 정량분석 하였으며, 추출된 오일을 전이에스테르화 (transesterification) 반응을 시킨 후 이를 GC/FID로 분석하여 지방산의 조성을 확인하였다.

In this study, two supercritical extraction systems of different scale, analytical-scale and lab-scale, were employed to investigate the extraction efficiency of canola oil from canola seeds using supercritical carbon dioxide (SCCO2) as an extraction solvent. The effects of various parameters such as extraction temperature (40~80℃), pressure (200~500 bar), particle size, and SCCO2 flow direction on the extraction rate and yield were examined in detail. Triglycerides and fatty acids in the extracted canola oil were analyzed quantitatively by high-performance liquid chromatography and gas chromatography. The solubility values of canola oil in SCCO2 could be calculated from the experimental results. Similar extraction yields were obtained from both analytical-scale and lab-scale extraction systems. The extraction rates obtained under solvent (SCCO2) upflow conditions were found to be higher than those of solvent downflow extraction. However, the effect of SCCO2 flow direction on the extraction yield was observed to be relatively insignificant.

화석 연료를 이용함으로써 인류는 발전해 왔지만, 무분 별한 화석 연료의 사용은 온실 가스를 대량 배출 시 킴으 로써 지구 온난화라는 환경 파괴를 가속화 시켰다. 이러한 환경 파괴 뿐 만 아니라 자동차 및 석유제품 사용량의 급 격한 증가는 한정되어 있는 화석 연료 고갈을 유발 시키고 있다. 따라서 이에 대한 대책으로 바이오 디젤유에 대한 관심 및 연구가 선진국을 중심으로 고조되고 있다 (1-4). 바이오디젤은 재생 가능한 생물학적 연료로 CO2 저감과 배출가스를 저감 하는 등 장점이 다양하여 화석 연료의 대 체 에너지로 주목하고 있다. 그러나 가장 중요한 원료 수 급의 문제점을 가지고 있을 뿐만 아니라 대부분의 원료가 옥수수, 콩, 곡물 등의 작물이므로 식량 부족의 원인으로 지적받고 있다(5). 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것이 바로 미세 조류 로부터 생산된 지질 연료에 대한 연구로 1980년대부터 시 작되기 시작하였다(6-8). 그 중 본 연구에서는 지질 함량이 풍부하다고 알려진 Chlorella minutissima 미세조류를 가지 고 실험을 하였다(9). 특히 Chlorella minutissima는 바이오 매스로서 경제성 면에서도 생산 경쟁력을 가지며, 또한 미세 조류 생성물의 형성을 위한 유발 요소로 알려진 carotenoids, 빛 그리고 우수한 배지 조성만 이루어진다면, 단위 면적 당 원료 생산성이 높아 풍부한 원료 수급이 가능하다. 그러 나 아직까지 Chlorella minutissima 미세조류를 이용한 독 립영양 (autotrophic), 종속영양 (heterotrophic), 혼합영양 (mixotrophic)에 의한 지질 함량의 변화에 대한 연구가 거 의 전무하다. 다른 연구에서는 지질 함량이 풍부하다고 알 려진 Chlorella protothecoides 미세조류를 가지고 실험하였 는데, 종속배양 (heterotrophic)에 의한 바이오디젤용 지질 생성이 보고되고 있는 연구가 있지만(8, 10, 11), 지질 함량 의 변화에 대한 연구가 그리 많은 편은 아니며, 또 다른 연구에서는 Chlorella sorokiniana를 이용하여 빛 에너지와 glucose를 사용하면 Chlorella 같은 미세조류의 혼합배양 (mixotrophic) 성장 능력이 있는 연구가 전해지고 있다(12). 이러한 혼합배양 (mixotrophic) 배양에 빛은 해조류의 형성 을 위하여 유도하는 것으로 이를 통한 바이오디젤용 지질 생산 및 이산화탄소의 광합성 고정, sugar-carbon의 동화 작용을 위한 에너지원으로 적합하다. 따라서 C16-C22가 풍부하여 바이오디젤 생산용 지질로 적합한 Chlorella 미세조류를 유가식 배양을 통한 최대 생육 도 및 지질 생산의 관계를 통해 바이오 디젤의 원료로써의 적합성을 밝히고, 각 배양 조건의 실험을 통해 지질 생성을 위한 효율적인 배양 조건을 밝히고자 본 연구를 수행하였다.

The culture condition of growing Chlorella minutissima was optimized to produce biodiesel for fed-batch cultivation. First, under heterotrophic cultivation, the optimum level of glucose was determined to be 10 g/ℓ for 20 days. After, three cultivation conditions were operated: autotrophic, heterotrophic, and mixotrophic growth. The lipid level and the maximum cell concentration from the fed-batch heterotrophic process were 32.0 (%, v/v) and 15.0 (g-dry wt./L) in 20 ℓ flask, respectively. In addition, since the relatively constant specific lipid production rate was observed as 0.040 (% lipid/g-dry wt./day) at the latter period of cultivation time, the fed-batch process could maintain continuous lipid production. Fed-batch process is higher than those values from the batch process. The lipids from the fed-batch process contained over 38% of C18, known as the suitable composition for the biodiesel application. For mixotrophic and heterotrophic growth under fed-batch condition, glucose was proved to be an appropriate carbon source for a large scale outdoor cultivation. For fed-batch cultivation, the feeding rate of seawater medium containing glucose was decided to be 0.5 ℓ/day. The mixotrophic cultivation maintained maximum cell concentration of 24 (g-dry wt./L) and the lipid level of 43 (%, w/w). The lipid composition from this process was also proved to be suitable for the biodiesel production. The fatty acids from the mixotrophic growth contains 18% of C17 and 49% of C18, implying It also tells that Chlorella minutissima is a suitable resource of biodiesel. Especially, the mixotrophic cultivation with fed-batch process might be useful for the large scale cultivation for the biodiesel production.

알레르기성 습진, 소아 습진, 굴전부 습진, 범발 신경 피부염 등의 병변으로 불리는 아토피 피부염은 영아 습진 에서부터 소년기, 사춘기, 성인에 이르기까지 다양한 연령 층에 나타난다(1). 아토피 피부염의 원인을 T 림프구의 면역 학적 이상이나 백혈구의 비면역학적 이상으로 보고 있으나 근본적인 원인은 밝혀지지 않고 있다(2). 최근 연구에서는 Th1, Th2 세포와 함께 Th17 세포가 대표적인 사이토카인 (cytokine)인 IL-17과 IL-6, TNF-α, IL-22를 발현함으로서(3) 아토피 피부염 (atopic dermatitis), 건선 (psoriasis), 관절염 (arthritis, RA)과 같은 다양한 자가면역질환 (autoimmune disease)과 천식 (asthma)에도 영향을 미친다는 연구 결과 가 발표되었다(3, 4). 이 사이토카인 중 IL-17이 알레르기, 면역반응을 야기하고 유지하는데 중요한 역할을 하는 것 으로 밝혀지면서(5), Nograles 등은 Th17 세포의 생산과 기능 조절의 불균형으로 아토피 피부염이 발생한다고 보고 하였다(3). 조력 T 세포 (helper T-cell)가 항원적 자극에 의해 반응할 때 사이토카인 환경이 T-cell을 적절히 분화 시킨다. 예를 들어 국소적 항원표지세포 (antigen-presenting cells, APC)들이 IL-12를 생산할 때, 특히 IFN-γ 존재 시 CD4+ T 세포들은 세포 내 병원균에 대한 세포 매개성 면역 반응을 촉진하는 IFN-γ 를 분비하여 Th1 세포로 우선적 으로 분화된다(6). 또한 IL-4가 존재할 때 CD4+ T 세포가 우선적으로 IL-4, IL-5, IL-13를 만드는 Th2 세포의 발달 로 Th2는 세포 외 병원균에 대한 체액성 면역반응을 촉진 시킨다(7, 8). 이러한 세포들은 IL-17A/F (Th1, Th2 CD4+T 세포에 의해 생성되지 않는 사이토카인들)라는 생산물에 의해 Th17이라고 명명 되어졌다(9). Th17 세포들은 면역 반응 유발 물질로 알려져 있는 다른 범위의 요소들도 생산 하는데 TNF-α, IL-6, GM-CSF, CXCL-1, CCL-20을 들을 수 있다(10). 최적으로 조절된 T 세포 subset의 반응 결과는 병원균의 제거와 기억 (memory) T 세포의 생성이다(11). 비적절하거나 지속적으로 활성을 띤 T 세포 subset들은 자가면역이나 자연적 알레르기와 같은 질병을 유발시킬 수 있다(12). Th17은 orphan nuclear receptor 종류인 RORγt라 는 전사인자가 활성화되면서 IL-23R가 발현하게 된다(13). 이러한 작용으로 다양한 병원체 (pathogen)들의 자극에 의한 면역반응으로 분비된 IL-23과 결합한 후 세포 내부 의 신호전달경로가 활성화되어 IL-17A/F cytokine을 분비 함으로써 분화가 이루어진다(14). 전 세계적으로 빠른 증가 추세를 보이고 있는 아토피 피부염(15)의 치료를 위해 글루코콜티고이드 (glucocorticoid), KT&G 101, calcinulin 저해제인 FK-506 (tacrolimus) 등 (16)의 연고와 항히스타민제, 스테로이드 제제, 사이클로 스포린, DNA 합성 저해제 등이 전신 투여용으로 사용되고 있으나, 국소적 또는 전신적 부작용이 보고되고 있다(17). 아토피 피부염에 대한 안전하면서도 우수한 효능을 가진 새로운 치료제의 개발이 요구되고 있으며(18, 19), 이에 본 연구에서는 자료검색을 통하여 부작용이 없으며 장 기간 복용이 가능한 천연물로 창이자 (Xanthii fructus, XS-E, XS-FL)가 아토피 피부의 상태에 미치는 효과를 알 아보고자 하였다. 창이자 (Xanthiifructus)는 Xanthium strumarium L.의 열매로 중이염 (tympanitis), 알레르기 비염 (allergic rhinitis), 또는 취비증 (ozena) 같은 염증질환에 치료제로 사용되어 온 한국의 전통적인 약재이다(20). Kim(20) 등은 창이자 추출물 (Xanthium strumarium extraction,XS-E)이 신이화 (magnoliae flos) 같은 염증질환에 효과가 있다고 하였으 나 아직 이 식물이 in vitro에서 실험적으로 질환을 억제 한다는 기전이 불명확한 상태이다. Yasushi(21)등은 알레 르기 모델인 생쥐를 통하여 비만세포의존성 면역과잉반응 에서 XS-E의 성분 중 compound 48/80이 항알레르기 효과 가 있다고 보고하였다. 창이자에 대한 연구는 Chu(22) 이래 몇 가지 다른 연구로 시도되었다. Kuo(23) 등은 사람 사구 체 내세포 증식과 세균에 대한 억제효과를, Hsu(24) 등은 당뇨병에 걸린 쥐에서 혈장 중 당뇨의 감소 효과 등을 보고 하였다. XS에서 알려진 성분은 사포닌 (saponin), 플라본류 (flavones), 카페익산 (caffeic acid), 1, 4 디카레오닐퀴닉산 (1,4-dicaffeoylquinic acid, di-CQA), 그리고 세스퀴테르펜 락톤 (sesquiterpene lactones) 등이다. Compound 48/80(22)는 N-메틸-p-메티옥시페닐 에틸아민 (N-methyl-p-methoxyphenyl ethylamine)로 구성된 물질로 쥐 복막 비만 세포 (rat peritoneal mast cells, RPMC)와 생쥐에서 항IgE 및 RBL-2H3 세포에 서 TNF-a의 생산억제 효과가 있다고 보고하였다(25, 26). 세스퀴테르펜 락톤은 항균인자자극 유도 반응과 접촉성피 부염에 효과가 있는 것으로 알려졌지만 아직 항알레르기 효과에 대하여서는 보고가 없다(27). 본 연구에서는 창이자 추출물 (XS-E)과 창이자 분획 (XS-FL)이 아토피 피부질환의 동물로 알려진 아토피 피부 염 유발 생쥐 (atopy dermatitis-like skin NC/Nga mice, NC/Nga)(28, 29)의 Th17 세포 분화 억제에 따른 아토피 피부 상태에 미치는 영향을 실험적으로 규명하고자 하였다. 동물모델인 16 주령 NC/Nga의 비장을 적출하여 CD4+T 세포를 회수 하였다. 회수 된 CD4+T세포에 XS-E와 XS-30% AFL에 대한 알레르기 반응을 IL-17의 세포 내 염색을 통하 여 FACS로 분석하였다(30, 31). 또한 Real-time PCR을 이용하여 IL-17과 IL-22 mRNA 및 ELISA를 분석하였으 며(32). XS-E보다 유의성이 크게 나온 XS-30% AFL이 Th17 세포의 분화에 미치는 영향을 알아보기 위하여 CFSE (Carboxyfluorescein succinimidyl ester)로 표지 된 Th17 세포(33)를 rIL-23으로 증식시킨 후 FACS로 분석하였다(34). 실험을 통하여 XS-30% AFL이 Th17 세포의 분화 억제 효과로 아토피 피부의 상태 개선에 영향을 준다는 유의한 결과를 얻었기에 이에 보고하는 바이다.

Xanthii fructus which is well known as “Chang-ihjah” in Korea is the dried fruit of Xanthium strumarium L. (or Xanthium sibiricum PATR. Ex WIDD., Asteraceae. XS). Water extract of this fruit has been used for treatment of various inflammatory diseases such as tympanitis, allergic rhinitis, or ozena as alternative therapy material usually by oral administration in far Eastern countries including Korea. In this study, the effect of XS extract (XS-E) or XS-30% acetone fraction layer (XS-30% AFL) on the differentiation of CD4+ T cells isolated from NC/Nga mouse and the production of IL-17 was investigated. The experimental results showed that 100 μg/mL of XS-E could decrease the production of IL-17 by CD4+ Th17 cells by 2 fold and only 20 μg/mL of XS-30% AFL could inhibit 3.5 fold. The amount of IL-17A and IL-22 mRNA determined by real-time PCR was decreased remarkably when XS-E or XS-30% AFL was treated on CD4+ Th17 cells(p<0.01, p<0.001). The amount of IL-17A protein determined by ELISA was also decreased remarkably(p<0.05, p<0.001). To study the effect of XS-E or XS-30% AFL on the proliferation of Th17 cells, CD4+ T cells of a NC/Nga mouse was firstly differentiated by rIL-6/TGF-β and then stimulated by rIL-23. The control group of Th17 cells were doubled every each day, while those of XS-E or XS-30% AFL treated group were shown to be delayed remarkably by these extracts. In conclusion, XS can inhibit the differentiation of Th17 cells of NC/Nga mouse and the production of IL-17 successfully, which may be a beneficial result for the treatment of atopic skin dermatitis.

질병을 야기하는 병원성균주들의 특성 및 이의 선택적 치료는 생명공학의 가장 핵심적인 연구분야 중의 하나이 다. 페니실린의 발견 이후 지속적인 연구를 통하여 병원성 균주를 선택적으로 제거할 수 있는 항생제들이 성공적으 로 개발되어져 왔으나, 최근에는 항생제 내성균주들의 출 현으로 한계에 부딪히고 있는 실정이다. 따라서 병원성균 주 혹은 질병세포를 선택적으로 인식․공격․제거 할 수 있 는 새로운 질병치료 패러다임이 필요한 실정이다. 식중독 을 일으키는 대표적인 미생물인 살모넬라균의 Type III Secretion System (T3SS)는 동물세포에 직접 단백질을 주 입(injection)할 수 있으며(1), 이를 활용한 라이브백신의 모델 시스템으로서 많은 각광을 받고 있다(Fig. 1). T3SS는 많은 그람음성균주들과 동물 혹은 식물 숙주 (host)들과의 interaction에 핵심적인 기관이며, 박테리아의 운동성을 담당하는 편모로부터 진화되어졌다고 알려져 있 다(1, 2). T3SS의 기본구조는 편모와 매우 유사하며, T3SS의 바늘 구조물의 지름은 8 nm이며 길이는 80 nm이다(3, 4). 살모넬라균이 산소농도, 삼투압 등의 외부조건을 인식하여 소장에 도달하였음을 인식하면, Salmonella Pathogenicity Island-1 (SPI-1) network을 활성화하여 T3SS 구조물 단 백질 들을 합성하여 균주외부에 발현시킨다(Fig. 1). 이와 동시에 effector라는 일련의 단백질들을 발현한 후, T3SS 를 통하여 숙주인 소장세포 내부로 주입 (injection)한다. 주입된 effector들은 숙주세포의 신호전달네트워크 (signal transduction network)를 조작하여 숙주세포의 변형을 유 발하고, 변형된 인체 소장세포 내부로 살모넬라균이 침입 한 이후 혈관을 통하여 인체의 다른 기관으로 이동하여 식중독 등의 질병을 일으킨다. 살모넬라균이 인체침투 및 질병유발을 위해 사용하는 T3SS를 이용하면, 암 및 질병세포 내부에 선택적으로 치 료용 단백질을 직접적으로 주입하는 것이 가능하므로, 암 세포 치료 및 질병치료의 새로운 패러다임으로 많은 기대 를 모으고 있다. 이를 위하여 특정 세포나 주변조건을 인 식하여 목적 유전자를 발현시키는 artificial gene circuit을 만드는 연구도 활발히 이루어지고 있다(5, 6). 본 연구진 은 T3SS를 이용한 외래단백질 분비 (secretion) 가능성을 살펴보기 위하여, 살모넬라균의 effector 단백질과 모델단 백질인 lipase와의 fusion protein을 제작하고 이를 균주외 부로 분비하는 연구를 수행하였다.

New protein secretion system was developed using Type III Secretion System of Salmonella. N-terminal region of SlrP and SptP effector proteins were fused with TliA and EstA-P lipases by overlapping PCR. Lipase activity of Salmonella with SptP-TliA fusion system increased by 2.6 fold compare with wild type Salmonella strain. This result showed that lipase secretion via the T3SS would be a useful protein secretion machinery.

과학과 의학의 발전으로 평균수명이 길어지고 생활수준 의 향상으로 정신적, 육체적으로 건강과 아름다운 행복한 삶에 대한 관심이 급증하고 있다. 이로 인해 경기침체에도 불구하고 사회전반에 걸쳐 친환경, 순식물성을 내세운 제 품들의 시장수요가 기하급수적으로 증가하고 있으며 특히, 유기농 식품의 연구와 판매가 급증하고 있다. 화장품업계 에 있어서도 식물성화장품은 물론 유기농화장품의 시장규 모가 지속적으로 확대하고 있다. 지금까지의 화장품에 있어 식물 추출물은 피부노화 억제에 대한 연구가 가장 많은 부분을 차지하고 있으며, 그 외 항균, 탈모, 세정, 자외선 차단에 대한 연구가 활발히 진행되었으며 현재 많은 제품에 적용되고 있다(1, 2). 따라서 천연 및 유기농 원료와 화장 품에 대한 범국가적이며 신뢰성 있는 인증제도가 강화되 어야 하며, 이에 근거가 되는 천연 추출물의 효능 검증 연구 가 보다 체계적이고 엄격히 이루어져야 할 것이다. 마치현 (馬齒莧) 또는 돼지풀이라고 불리는 쇠비름 (Portulaca oleracea)은 쇠비름과에 속하는 한해살이풀로서, 최초 인도에서 기원하여 그 이후 세계 각처로 전파되었다. 본초강목 (本草綱目), 식료초본 (食療草本), 본보본초 (本寶本草) 등 고대 의약 서적에 의하면 쇠비름 (P. oleracea)은 청열해독 (淸熱解毒), 양혈지혈 (凉血止血), 부기 (浮氣) 완화, 지사 (止瀉) 등 다양한 효능이 있으며 임상에서는 장염, 혈변 (血便), 설사, 피부궤양, 단독 (丹毒), 뱀이나 벌레에 물린 상처, 피부염증 등 상처나 질병을 치료하였다. 근래에는 쇠 비름 (P. oleracea)이 이질간균, 티푸스균, 대장균, 포도상균 등에 대한 억제작용이 현저하다고 새롭게 밝혀지고 있다. 더욱이 급성 장염의 완치율은 90%, 만성 장염 완치율은 60% 인 것으로 알려져 ‘천연항생제’라고 평가되기도 한다(3-7). 쇠비름 (P. oleracea)에는 noradrenalin, flavonoids, cardiac glycosides, anthraquinone glycosides 등의 성분이 확인되었 고, 이외 dihydroxy triethylamine, malic acid, 비타민 B1, B2 등 영양성분도 함유되어 있다(8-10). 최근 보고에 의하 면 쇠비름의 성분 중 큰 비율을 차지하고 있는 flavones의 항산화 효과가 아주 뛰어나다고 보고되고 있으며, 산화적 스트레스를 유발하는 요인을 해소함으로써 노화방지 및 심장질환 예방에 효과가 있어 의약품, 화장품 등 다양한 분야에 활용되고 있다(11-16). 자연 지향적이고 환경 친화적인 국내 소비추세에 따라 이미 쇠비름 추출액을 이용한 미백, 항노화 화장품이 출시 되고 있으며 항균활성(17), collagen 형성으로 인한 상처 치유 능력(7, 18, 19), tyrosine에서 DOPA로의 전환을 도 와 melanin 형성에 기여하는 핵심 enzyme인 tyrosinase의 활성을 억제하여 미백에 기여한다(12, 15, 20)는 보고가 있다. 이에 따라 본 실험에서는 쇠비름 추출물의 NF-κB 활성 조절을 통한 항염증 효과와 collagen 합성 촉진에 의 한 노화 방지 효과를 확인하였고 tyrosinase mRNA 합성 억제를 통한 미백 작용 기전을 검증하고자 하였다.

The Portulaca oleracea (P. oleracea) is a popular herbal medicine in east Asia that was known to possess detoxification, antifebrile and antifungal effects. In the present study, we examined the biological activities of ethanol extracts of P. oleracea under various conditions with NIH3T3, B16F10, and MCF-7 cell line model systems. Extracts of P. oleracea (0.5 mg/ml) showed inhibition of expression of tyrosinase, but does not suppress either of TYRP-1 or DCT expression on B16F10 cells. Extracts of P. oleracea (2 mg/ml) showed anti-inflammatory effects on TNF-α-stimulated NIH3T3/NFκB-Luc cells and increase of the synthesis of collagen on NIH3T3 (wild type) cells. These results suggest that extracts of P. oleracea could be used as a functional biomaterial in developing a skin whitening agent and having the anti-inflammatory, anti-wrinkle, and anti-aging activities.

세포의 생존과 죽음은 생명 유지에 있어 필수적인 현상 이다. 따라서 불안정한 세포의 과도한 증식이나 또는 세포 의 악영향을 미칠 수 있는 외부 환경요인으로부터 신속하 게 반응하여 세포 내 관련 신호전달 체계를 활성화시켜 결과적으로 비정상적인 세포의 사멸을 유도하거나 세포 내 방어 메커니즘을 활성화 시키게 된다. 이러한 세포의 자기 안정성 유지에 있어 가장 중요한 것은 고유의 유전 정보 안정성 (genomic stability)에 기초한다. 게놈의 불안 정성은 외부의 DNA damage elements (예를 들어, 방사선 이나 자외선 등)에 의해 손상된 DNA에 대한 반응인 DNA damage response (DDR)에 이상이 생겨 발생하게 된다. 여기에는 손상된 DNA부분을 인식하여 수복하는 DNA repair system 또는 불안정한 게놈을 가진 세포의 성장을 억제하는 cell cycle checkpoint의 저하로 인한 염색체의 이상이 증가되는 것들을 포함한다. 좀 더 살펴보면, 진핵 세포에서 DNA double-strands break (DSB)가 발생하게 되면 DNA repair나 damage 존재에 대한 신호전달에 관계 하는 것으로 알려진 여러 인자들이 그 손상된 부분으로 소집하게 되어 하나의 큰 군립을 이루는 nuclear foci의 형태를 가진다(1). 이러한 foci 현상을 만드는 생화학적 기전 은 제일 처음 ATM (Ataxia-Telangiectasia Mutated)의 활성 화와 활성화된 ATM에 의한 손상된 부분에 존재하는 H2A 분자중의 하나인 H2AX에 인산화됨으로써 (γ-H2AX) 시 작된다(2). H2AX의 C-말단 꼬리 (C-terminal tail)에 존재 하는 serine 139가 그러한 인산화에 해당되며, 이러한 변화 는 damage 후 1-3분 안에 매우 빠르게 일어난다. 이러한 인산화된 H2AX의 부분은 시간이 지나면서 다른 여러 단백 질들을 그 부위로 이끌어 foci를 형성하여 관련 DNA 수복 기전 및 cell cycle arrest를 진행하게 되는데, 이는 다시 말해 H2AX의 분자 물질은 세포의 게놈 안정성에 매우 기본적이며 중요한 역할을 한다는 것을 반증한다. 실례로, H2AX를 게놈 상에서 없앤 H2AX-/- 쥐는 염색체 실활, 전좌 또는 이수성 (aneuploidy)의 현상을 가지며(3), DSBs을 유발하는 ionizing radiation (IR)에 노출된 H2AX-/- 세포는 G2 phase와 mitosis로 가는 것을 arrest하지 못하게 된다(4). 최근 몇 년간 H2AX에 관련 연구들의 중심은 IR에 의해 생기는 γ-H2AX foci 현상에 있어, 과연 어느 단백질이 H2AX와 foci에 해당하는 단백질인 Mre11-Rad50-Nbs1 (MRN) complex, Mdc1, 53BP1, BRCA1, Rad51 등을 연결 자로서 역할을 하느냐는 것이었다. 이러한 연구의 중심 실험 은 H2AX에 직접적으로 결합할 수 있는 단백질을 선별하는 것에 있다. 왜냐하면, 최근까지 위의 단백질들은 인산화된 H2AX와 co-localization을 보이는 수준에 머물러 있었다. 이유인 즉은, 세포 안에서 H2AX는 DNA에 둘러싸여 있는 형태로 인한 직접적으로 결합하는 단백체를 찾고 그 기능 을 연구하는 데에 여러 어려움이 있다고 사료되며, 게다가 H2AX의 인산화 잔기인 serine 139를 가인산화 (phosphor mimics) 형태인 glutamic acid로 치환하여 H2AX-/- 쥐 세포에 주입시킨 결과, IR에 의한 nuclear foci 및 DSB hypersensitivity가 복구되지 않았기 때문이다(5). 앞서 언급 한 단백질 중에서 Nbs1, 53BP1, Mdc1이 현재까지 알려진 H2AX에 결합하는 것을 입증하여, 위의 연구 중심을 이루고 있다. 하지만 위의 3가지 단백질로 H2AX에 의한 DDR의 설명을 하기에는 한계가 있다. 본 연구는 DNA 및 게놈 안정성에 관련된 H2AX와 직 접적으로 결합할 수 있는 새로운 단백질을 찾고자 하였다. 먼저 H2AX의 세포 내 기능과 밀접한 연관성을 지닌 단백 질들을 수집하였으며, 이 단백질들을 생물정보학적 기술을 이용하여 기능적으로 H2AX와 가장 중첩되는 기능을 보이 는 단백질들을 판별하였다. 그 다음 판별된 단백질들 중에 이미 H2AX와 결합하는 것으로 보고된 것들을 배제 시키 고, 남은 단백질들을 대상으로 지금까지 발표된 H2AX 논문 을 토대로 결합가능성을 타진할 만한 최종 단백질을 분리하 였다. 이 단백질들이 BRCA1과 BARD1이며, 이들과 H2AX 와의 상호 결합 부위를 추적하였다. 이에 각각의 유전자들 을 확보하고, 클로닝된 유전자를 바탕으로 H2AX와 결합 유무를 판단한 결과, 모두 H2AX와 결합함을 보였다. 게다 가 H2AX의 결합에 작용하는 BRCA1, BARD1의 domain 을 분석하고, 결합 실험을 통하여 상호작용이 가능한 최적 domain 부위를 추적하였다.

H2AX, a crucial component of chromatin, is implicated in DNA repair, cell cycle check point and tumor suppression. The aim of this study was to identify direct binding partners of H2AX to regulate cellular responses to above mechanisms. Literature reviews and bioinformatical tools were attempted intensively to find binding partners of H2AX, which resulted in identifying two potential proteins, breast cancer-1 (BRCA1) and BRCA1-associated RING domain 1 (BARD1). Although it has been reported in vivo that BRCA1 co-localizes with H2AX at the site of DNA damage, their biochemical mechanism for H2AX were however only known that the complex monoubiquitinates histone monomers, including unphosphorylated H2AX in vitro. Therefore, it is important to know whether the complex directly interacts with H2AX, and also which regions of these are specifically mediated for the interaction. Using in vitro GST pull-down assay, we present here that BRCA1 and BARD1 directly bind to H2AX. Moreover, through combinational approaches of domain analysis, fragment clonings and in vitro binding assay, we revealed molecular details of the BRCA1-H2AX and BARD1-H2AX complex. These data provide the potential evidence that each of the BRCA1 nuclear localization signal (NLS) and BARD1 BRCA1 C-terminal (BRCT) repeat domain is the novel mediator of H2AX recognition.

SNPs는 같은 종의 생명체 개체별 편차를 나타내는 한 개 또는 수십 개의 염기변이를 일컫는 말이다(1). 인간의 경우, 개체별 SNPs의 차이 때문에 인종의 피부, 머리카락, 체질, 질병, 약물에 대한 감수성 등의 특성이 서로 다르게 나타난다고 알려져 있다(2). 이러한 SNPs의 차이를 조기 에 발견함으로써 개인의 다양한 생리작용과 체질의 변화 뿐 아니라 발병 가능성에 대해 제노타이핑 (genotyping) 검사를 통해 발병 가능성을 예측할 수 있으며, 나아가 환자 개개인의 특성에 맞게 약을 진단, 처방할 수 있을 것으로 예견된다(3, 4). 인간의 SNPs의 유무를 결정함에 있어서 고려해야 할 중요한 요소들 가운데 하나는 SNPs서열의 이형접합 (heterozygosity)여부 확인이다. 단일 배체만 존재하는 미생 물과는 달리 사람의 경우, 모계와 부계로부터 각각 유전자 를 물려받아 2배체 (2 n)의 형태로 염색체가 일반 세포에 존재하는데, 물려받은 유전자의 서열이 똑 같은 경우도 있고 그렇지 않은 경우도 있다. 부모로부터 받은 유전자가 서로 같을 경우를 동형접합 (homozygosity), 차이가 있을 경우 이를 heterozygosity라고 한다. 이러한 heterozygosity가 존재하는 위치에 대해 사람의 염색체를 주형 (template)으로 이용하여 sequencing반응을 수행하였을 경우, 그 결과물인 chromatogram 에는 해당 위치의 염기의 chromatogram에는 한 개의 염기 가 아닌 두 개의 염기가 비슷한 높이를 가진 peak가 존재 하는 경우가 발생한다. 이러한 heterozygosity에 해당되는 부분에 대한 1차적인 검정은 ABI 3700 automated DNA sequencer (Perkin-Elmer, Foster City, CA, USA)와 같은 대용량 염기서열 결정기계 의 산출물인 AB1 파일을 Chromas (Technelysium Pty Ltd, Helens-vale, Queensland)와 같은 프로그램을 이용하여 해당 지역의 염기에 대한 chromatogram을 일일이 육안으로 확인 하는 것이다. 이렇게 heterozygosity를 보일 것으로 추정 되는 서열을 입력서열로 사용하여 NCBI BLAST(5)와 같은 상동성 검색을 통해 기존 서열들과의 SNPs의 차이 유무 를 최종적으로 검증하는 방법이다(6). 또한 SNP분석에 사용 되고 있는 GENETYX라는 프로그램은 FASTA 양식으로 입력한 서열끼리만 비교가 가능하므로 SNP로 추정되는 부분의 chromatogram을 직관적으로 보여주는 기능이 없다 는 단점을 지니고 있다(7). 이러한 기존 분석 방법들은 heterozygosity의 여부와 SNPs유무를 정확하게 판단할 수 있는 장점이 있으나, 많은 시간과 노동력이 수반되는 단점을 지니고 있다. 일반적으로 사용되고 있는 Chromas프로그램의 경우 상동성 검색을 지원하는 기능이 없고, BLAST 검색은 FASTA 양식의 서 열과 ASCII로 된 DNA 서열만을 입력 서열로 사용할 수 있으므로, chromatogram파일을 읽어 들여 사용자가 관심 을 가지고 있는 부분에 대한 특정 SNPs의 heterozygosity 를 확인 할 수 없다는 단점을 가지고 있다. SNPs분석을 위해 주로 사용되는 프로그램인 Chromas 와 BLAST가 가지고 있는 이러한 각각의 단점을 보완하 고자 SNPchaser를 개발하였다. SNPchaser는 서열정렬과 chromatogram을 보여주는 작업을 동시에 수행하여 사용 자가 SNPs 및 heterozygosity유무를 손쉽고 신속하게 확 인할 수 있는 장점을 가지도록 구현하였다.

Single-nucleotide polymorphisms (SNPs) are the DNA sequences difference among the same species in the level of nucleic acids and are widely applied in clinical fields such as personalized medicine. The routine and labor-intensive methods to determine SNPs are performing the sequence homology search by using BLAST and navigating the trace of chromatogram files generated by high-throughput DNA sequencing machine by using Chromas program. In this paper, we developed SNPchaser, a web-based program for detecting SNPs substitution and heterozygosity existence, to improve the labor-intensive method in determining SNPs. SNPchaser performed sequence alignment and visualized the suspected region of SNPs by using user's reference sequence, AB1 files, and positional information of SNPs. It simultaneously provided the results of sequences alignment and chromatogram of relevant area of SNPs to user. In addition, SNPchaser can easily determine existence of heterozygosity in SNPs area. SNPchaser is freely accessible via the web site http://www.bioinformatics.ac.kr/SNPchaser and the source codes are available for academic research purpose.