Earticle

사람의 위장관 (gastrointestinal tract)은 수백 종 이상의 다양한 미생물들이 서식하는 복잡한 생태계이며, 이 안에는 인체를 구성하는 모든 세포의 수보다 10배나 많은 수의 미생 물로 구성되어 있는 것으로 알려져 있다. 또한 이들 장내미 생물의 대부분은 소장의 말단인 회장 (ileum)과 대장 (colon) 에 서식하고 미생물-미생물 또는 미생물-숙주 사이의 상호 작용을 통해 건강에 기여한다. 수 많은 연구결과들에 따르 면 과민성장증후군 (irritable bowel syndrome, IBS), 항생제 유발 설사 (antibiotic-associated diarrhea, AAD), 또는 염증성 장염 (inflammatory bowel disease, IBD) 환자 등의 장내균 총 조성은 정상인의 조성과 다르다는 것이 밝혀졌으며 [1-3], 유산균으로 대변되는 프로바이오틱스 (probiotics) 섭취를 통해 병증이 개선될 수 있음이 밝혀지고 있다. 또한 food allergy 또는 아토피 (atopy dermatitis) 등과 같은 면역질환 에 대한 개선효능이 임상연구들을 통해 밝혀지고 있다. 따라 서 프로바이오틱스는 전통적으로 많이 알려진 설사 혹은 변 비 개선과 같은 정장작용으로부터 면역질환에 이르기까지 매 우 폭넓은 효능을 가지고 있는 건강기능식품이다. 프로바이오틱스는 섭취 시 사람이나 동물에게 건강상의 이로움을 주는 살아있는 미생물로 정의된다. Lactobacillus나 Bifidobacterium으로 대변되는 유산균은 프로바이오틱스의 대부분을 차지하고 있으며 국내에서는 정장작용을 하는 대표 적인 건강기능식품으로 인식되어 있다. 이와 관련하여 국내 에서는 식품의약품안전청고시 제 2008-12호를 통해 유산균 제품을 2010년 이후 ‘유산균 이용제품’에서 ‘프로바이오틱스’ 로 표기를 변경하도록 하였다. 프로바이오틱로서 유산균의 기능성은 균주 특이적 (strainspecific) 인 것으로 받아들여지고 있다. 유산균의 본고장 이라고 할 수 있는 유럽이나 일본의 대형 프로바이오틱 기업들은 일찍이 새로운 기능성을 가진 유산균을 발굴하여 세계적 명성을 가진 프로바이오틱 제품으로 개발하였으며 Lactobacillus rhamnosus GG (Valio, Finland), Bifobacterium animalis subsp. lactis BB12 (Chr. Hansen, Denmark), Lactobacillus johnsonii La1 (Nestle, Switzerland), Lactobacillus casei Shirota (Yakult, Japan) 등이 이에 해당된다. 세계적인 대형 프로바이오틱 기업들은 대표 유산균들의 질환 개선효능 을 임상을 통해 증명하고, 이를 토대로 균주 또는 제품의 우수성을 알림으로써 마케팅에 활용하고 있다. 스위스에서 매년 개최되는 유럽 최대 건강기능식품 박람회인 ‘Vitafoods’ 는 세계적인 프로바이오틱 기업들이 자사 제품 판촉을 위해 각축을 벌이는 것으로 유명하다. 한편, 유럽의 프로바이오틱 시장은 약 7조원 규모로 전 세계적으로 가장 큰 시장을 이 루고 있지만 최근에는 중국, 인도, 베트남, 인도네시아 등 의 아시아 시장이 급성장을 하고 있는 추세이다. 프로바이 오틱 시장은 건강한 삶을 추구하는 사회적 분위기에 힘입어 앞으로 지속적인 발전이 예상된다. 그러나 최근에는 유럽을 중심으로 세계 주요 시장에서 과학적으로 충분히 입증되지 않은 프로바이오틱 제품의 기능성 표기를 제한함으로써 소비 자의 건강안전을 지키려는 움직임이 거세지고 있는 실정이 다. 그러므로 건강기능성 제품임을 증명하기 위해서는 다양 한 방법을 통해 과학적 근거를 제시해야 할 것으로 보인다. In vitro 및 in vivo 연구를 통한 효능검증만으로는 충분하지 않으며 이와 함께 사람을 대상으로 한 임상연구 수행이 기능 성 표시를 할 수 있는 필요조건인 것으로 알려져 있다. 본문에서는 생균 제품 위주로 이루어져 있는 프로바이오 틱 시장에서 제품의 기능을 개선하기 위한 개발동향과 넓은 의미에서 프로바이오틱 제품으로 구분될 수 있는 사균체를 포함하는 제품과 박테리오신 (bacteriocin) 함유 제품 등에 대해 기술하고자 한다. 또한 건강기능식품으로서뿐만 아니라 치료용 약물을 생산, 전달하는 의약품으로서 유산균을 개발 하려는 노력을 설명하고, 최근 프로바이오틱 기업들의 당면 과제로 떠오르고 있는 프로바이오틱 제품의 안전성과 기능성 표시에 대한 강화된 규정에 대해 기술하고자 한다.

Probiotics beneficially affect the health of the host via various mechanisms in the intestine. Recent developments in probiotic products have mainly been made to maximize probiotic effects in human. In this regard, probiotic products containing doubly coated or encapsulated cells, multi-species probiotics, or high viable cell number (1010 viable cells/gram or more) have been developed and are already available in the market. Until now, the majority of probiotics contain live cells but little attention has been paid to other alternative products such as heat-killed cell or bacteriocin-containing ones, which could have broad applications due to advantages over live cell-based probiotics, such as safety and stability. In addition, genetically engineered lactic acid bacteria could be of great importance in the field of alimentary health if they are carefully designed for biological safety. Although a number of probiotics are marketed by claiming health benefits, regulations for health claims will be more stringent. Therefore sufficient scientific and clinical evidences supporting the safety and efficacy of the potential probiotic strain will be required by the regulatory authority for a health claim, which thus may have a huge impact on the future probiotic market.

유산균 (젖산균, lactic acid bacteria)은 다양한 식품산업에 이용되고 있는 산업적으로 중요한 미생물이다. 식품에서 이들 의 가장 큰 역할은 다양한 탄소원을 이용하여 빠른 속도로 젖 산을 생성하고 이로 인해 식품의 저장기간을 연장시키는 것이 다. 이외에도 유산균의 역할은 식품에 있어 향기, 물성, 그리고 영양적 측면에서 유익한 측면이 많다. 많이 이용되는 분야는 치즈나 유산균 발효유로 대표되는 유가공 산업이나 이외에도 김치 등의 채소발효산업에도 흔히 이용된다. 유산균의 대사 경로는 다른 생물공학용 미생물에 비해 단순하여 합성능력과 대사물질 다양성이 제한되는 반면 단순한 대사경로는 본 미생 물을 대사공학 용도로 개발할 수 있는 장점으로 평가되기도 한다. 더욱이 에너지 대사경로와 생합성 경로가 거의 완벽하게 분리되어 있어 서로 간에 영향을 미치지 않는 점은 큰 장점으로 간주된다. 지금까지 유산균을 이용한 대사공학 연구가 활발히 진행되었는데 대표적인 것이 Lactococcus lactis이고 본 균주를 이용하여 다양한 대사공학적 시도들이 성공적으로 수행되었 다. 그리고, 이러한 연구들이 가능하였던 것은 효과적인 유전자 조작 tool들이 개발되었기 때문이었다. 본 연구에서는 유산균에 서 개발된 유전자 재조합 기술들을 소개하고 이들을 이용하여 현재까지 수행된 대사공학적 연구의 사례를 정리하였다.

Lactic acid bacteria display a relatively simple metabolism wherein the sugar is converted mainly to lactic acid. The extensive knowledge of metabolic pathways and the increasing information of the genes involved allows for the rerouting of natural metabolic pathways by genetic and physiological engineering. In this contribution, the lactic acid bacteria as an efficient cell factory for different (food) ingredients will be presented. The emphasis will be on some successful examples of metabolic engineering and on the physiology of these bacteria, which makes them so suitable as a cell factory.

Bifidobacteria comprises up to 25% of the cultivable fecal bacteria in adults and 80% in infants. Many in vivo and clinical research results supporting its efficacy in the prevention and improvement of gastrointestinal health have been accumulated. As a consequence, expert committee WHO/FAO expert committee recommended Bifidobacterium as representative probiotics together with Lactobacillus acidophilus. In this review, research trends in bifidobacteria concerning the classification and identification of the genus Bifidobacterium, modulation of intestinal microflora, improvement of constipation, prevention of diarrhea, alleviation of atopy and allergy, barrier function through antimicrobial activity andimmune enhancement of the host will be introduced. Several gene expression systems based on bifidobacterial plasmids have been developed and successfully used to express several heterologous genes including anticancer proteins in Bifidogacterium. In animal test, bifidobacteria was proven to be a promising candidate for safe gene delivery system which can specifically colonize in the solid tumor.

인간의 피부색깔은 환경, 인종, 성별 등의 요인과 멜라닌, 카로틴 및 헤모글로빈 양과 같은 여러 가지 요인에 의해 결정 되지만 피부의 과색소 침착과 관련된 주요한 원인은 표피 내 멜라닌색소의 이상적 증가에 기인한다. 과도한 melanin 합성 은 인체에 기미, 주근깨, 피부반점을 형성하고 피부노화를 촉 진하며 피부암 유발에 관여하는 것으로 알려져 있다 [1-3]. 멜 라닌 색소의 생합성은 tyrosinase 효소를 비롯하여 tyrosinaserelated protein 1 (TRP1)과 dopachrome tautomerase (TRP2) 에 의하여 조절되고 있으며, 그중 tyrosinase는 tyrosine을 기질로 하여 L-dopaquinone으로 전이되는 초기 생합성과 정이후 dihydroxyindole의 산화에 작용한다 [4-6]. 따라서 tyrosinase 활성 억제제를 찾는 연구가 미백제의 개발에 있어 서 중요한 부분을 차지하고 있으며, 현재 계속 알려지고 있는 tyrosinase 저해제로 hydroquinone, 4-hydroxyanisole, ascorbic acid 유도체, kojic acid, azelaic acid, corticosteroid, retinoids, arbutin, catechin, 3,4,5-trimethoxy cinnamate thymol ester 등이 있으나, 이들의 안전성과 경제성 등에 문제가 많아 사용 에 있어서 어려움이 있다 [7-11]. 또한 현재 기능성 식품, 기능 성 화장료 및 치료제제 등 각 분야에서 인공물질이 아닌 천연 물질을 이용한 연구가 활발히 진행되어지고 있다 [12-14]. 천연 항산화제로는 α-tocopherol, vitamin C, carotenoids, flavonoids 등이 알려져 있는데, 이러한 항산화 효과가 있는 물질들은 동식물에 널리 분포되어 있으며, 특히 많은 연구가 이루어진 분야는 식물성 물질이다. 식물 유래의 2차 대사산 물들은 자유유리기 (free radical)와 활성산소의 생성을 억제 하거나 제거시켜서 산화에 의한 세포손상을 방지한다는 것이 생체 실험결과 밝혀졌다 [15-16]. 현재까지 보고 된 대부분의 천연 항산화제는 식물에서 유래된 것으로서 주로 폴리페놀 화합물인 것으로 알려져 있으며 [17], 특히 flavonoids는 지질의 산화, 활성산소의 소거 및 산화적 스트레스를 막는 역할을 함으로써 노화방지, 암 및 심장질환 등을 예방하거나 지연하는 효과가 있어서 오늘날 식품, 의약품, 화장품 등 많은 분야에서 활용되고 있다 [18] 비목나무 (Lindera erythrocarpa)는 녹나무과 (Lauraceae) 식물로 세계적으로 45속 1,500여종이 분포하고 우리나라에 는 6속 12종이 자생하고 있는 것으로 알려져 있다. 비목나무 는 자웅이주로 4월에서 5월에 연한 황색의 꽃이 피고 9월에 8 mm 정도의 적색열매를 맺는다. 한국의 남부지방을 비롯하 여 일본, 중국의 따뜻한 지역에 자생하는 높이 5 m의 낙엽 수이다. 건조된 열매는 특이한 방향과 쓴맛을 가지고 있어 일본에서는 위장약과 신경통의 진통제로 사용되고 있다. 또 한 비목나무 잎과 열매의 추출물이 항진균 활성을 나타내 며 [19], 비목나무로부터 분리된 사이클펜타디온 화합물이 항암효과를 갖는다고 보고되었다 [20]. 본 연구는 제주도의 비목나무 (Lindera erythrocarpa)껍질 에서 분리한 신규화합물의 항산화 활성 및 B16F10 mouse melanoma 세포에 처리하여 멜라닌 생합성 억제활성을 통한 미백 및 기능성 화장료의 유용자원으로서 활용가능성이 있 는지 알아보고자 본 연구를 시행하였다.

In this study, a new compound, 1-(2-hydroxy-3,4,5,6-tetramethoxyphenyl)-1-methoxy-3-phenylpropane; (Jeju-Erythrane) was isolated and identified from the bark of Lindera erythrocarpa Makino. Also, we investigated the effects of Jeju-Erythrane on alpha melanocyte-stimulating hormone (MSH)-induced melanogenesis in mouse B16F10 melanoma cells. The new compound dose dependently inhibited the tyrosinase activity and melanin synthesis in B16F10 cells. The new compound showed inhibitory effect on the Tyrosinase and TRP-1 gene transcription but not on the TRP-2 gene. These results suggest that the new compound of L. erythrocarpa could be used as a functional biomaterial in developing skin whitening agent.

오일가격이 지속적으로 상승하고 연료유 배출가스에 의한 지구 온난화에 대한 관심이 증가하여 화석연료의 대체물질 에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 화석연료 대체물질 중 하나인 바이오디젤은 지속가능한 바이오매스 즉, 식물유지나 폐 동 ․ 식물 유지를 이용하여 만들 수 있으며, 경유와 유사한 특성을 지니고 있다. 그래서 경유 사용 장치에 특별한 개조 없이 사용이 가능하고, 기존 인프라를 사용할 수 있으며, 화석 연료인 경유 사용시 발생되는 대기오염물질과 온실가스 감소 효과 등의 장점을 가지고 있어 최근 각광을 받고 있다 [1-3]. 바이오디젤을 생산하기 위해 주로 산 또는 알칼리 촉매가 사용되어 왔으나, 이러한 화학적 촉매는 반응 후에도 잔류하 여 반응 부생성물인 글리세롤의 분리정제가 어렵다. 또한 엔진을 부식시킬 수 있어, 잔류된 촉매를 제거하기 위한 세척 및 건조 공정이 추가적으로 요구되며, 알칼리 촉매를 사용 하였을 경우 유지에 함유된 유리 지방산과 반응하여 비누화 생성물과 물을 생성하므로 촉매의 소모량이 크고 수율도 낮 다는 단점이 있다 [4-6]. 따라서 화학적 촉매 사용의 단점 을 보완하고자 효소를 이용하는 바이오디젤의 제조방법이 연구되고 있다 [3,5]. 그러나 이 방법은 메탄올과 부생성물인 글리세롤이 효소의 저해 요소로 작용하여 반응시 메탄올을 반응계에 단계적으로 투입하거나 t-butanol이나 hexane과 같은 유기용매를 반응용매로 사용하는 방법이 연구되었다. 또한 메탄올의 단계적 투입방법은 대용량 반응기에 적합하 지 않으며, 유기용매의 사용은 환경적 측면에서 부적합하다 는 단점을 가지고 있다 [7-9]. 최근에는 메탄올과 부생성물인 글리세롤에 의해 효소의 활성이 저해되는 것을 방지하기 위하여, 친환경적 유기용매 로써 초임계 이산화탄소를 적용한 효소적 바이오디젤 생산 방법이 제시되었다. 그러나 초임계 이산화탄소는 유기용매를 대체할 수 있는 친환경 용매이지만 효소를 이용한 바이오디 젤 생산시 초임계 이산화탄소 상태에서 오일의 용해도가 높지 않으며 [10], 오일：메탄올 (1：3) 정량적 몰비량으로 단일 투입시 효소의 활성을 억제하는 단점이 있다. 그래서 기존 제시된 초임계 이산화탄소를 이용한 바이오디젤 생산시 효소 의 활성을 높이기 위해 메탄올을 단계적으로 첨가하여야 되 며, 효소의 활성을 유지하기 위해 짧은 반응시간이 요구된다 고 보고하였다 [11]. 본 연구에서는 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 효소적 바이오 디젤을 생산하는 방법에서 액체 이산화탄소를 반응 용매로 사용하여 메탄올에 의한 효소 활성이 저해되는 것 을 방지하고 친환경적이며 에너지 절감효과가 우수한 효소적 바이오디젤 생산 방법을 제시하고자 하였다.

It has been well known that organic solvents like t-butanol and n-hexane can protect lipases from the inhibition by short-chain alcohols in the enzymatic transesterification. However, use of the organic solvents should be minimized considering their negative effects on environment and human health. Therefore, use of the greener solvents has been pursued in various are as including the enzymatic biotranformation. In this study, the liquid carbon dioxide (LCO2) was employed as an alternative media for the enzymatic transesterification of canola oil. The conversion in the LCO2 was comparable with those in organic solvents and the supercritical carbon dioxide, and under optimum conditions, the value reached 99.7%. It is expected that this method can provide a new type of biodiesel production process with higher energy efficiency and lower environmental impact.

무기소재와 유기소재의 조합으로 이루어진 core-shell 형 태 또는 내부가 비어있는 구조를 갖는 복합재료 나노물질의 제조 방법이 개발되면서 다양한 형태의 유기/무기 하이브 리드 소재의 개발 및 활용에 대한 연구가 보고되었다. 나노 복합재료 물질은 다양한 물리 ․ 화학적 특성을 가지고 있어 촉매, 전자 재료, 자성 재료, 광학 재료 등에 사용되고 있으 며, 최근에는 의료, 약학 및 생화학 분야 등으로 그 사용 범위가 확대되고 있다 [1-10]. 유기 계면활성제나 양친족성 고분자는 친수성 부분과 소 수성 부분으로 이루어져 있어 수용액 내에서 구형, 층상형, 막대형 등의 미셀 구조를 이룬다. 수용액 내에서 계면활성 제 미셀의 바깥 부분에 위치한 친수성 부분에 실리케이트 등 무기물질이 상호작용함으로써 유기/무기 나노 복합재료가 형성된다. 특정한 구조에 대한 틀 (template)로 사용된 유기 물은 소성 또는 용매 추출로 제거되며, 그 결과 속이 빈 중공 (hollow) 물질을 얻을 수 있다. Emulsion법, nozzle-reactor법, sacrificial core법 등으로 일반적인 다공성 중공 미세구를 합성한다 [11-16]. Emulsion법으로 합성된 미세구는 화학적 으로 균일하며, 단일 조성 또는 복합 조성을 갖는 물질의 합 성이 가능하다. Nozzle-reactor법은 유리질의 무정형 중공 미세 구를 제작하는데 유용한 방법이다 [15]. 1050∼1500℃의 고온 에서 용융된 유리를 발포제와 함께 불어서 제조하거나, 젤화 (gelation), 분무건조 등에 의해 형성된 작은 방울이나 분말을 고온로에 통과시켜 내부에 빈 구멍을 만든다. Sacrificial core 법은 구형 고분자인 핵 (core) 주위에 물질을 도포한 후, 핵을 용매를 이용하여 추출하거나 열에 의해 분해시켜 중공 미세구 를 제작하는 방법이다 [16]. 이와 같은 다공성 중공 미세구는 약물전달체계 (drug delivery system, DDS), 화학약품 저장, 흡 착, 촉매, 이온교환수지, 미세반응기, 캡슐화 (encapsulation) 등 다양한 분야에 활용되고 있다 [11-16]. 무기물질이 상호작용함으로써 유기/무기 나노 복합재료가 형성된다. 특정한 구조에 대한 틀 (template)로 사용된 유기 물은 소성 또는 용매 추출로 제거되며, 그 결과 속이 빈 중공 (hollow) 물질을 얻을 수 있다. Emulsion법, nozzle-reactor법, sacrificial core법 등으로 일반적인 다공성 중공 미세구를 합성한다 [11-16]. Emulsion법으로 합성된 미세구는 화학적 으로 균일하며, 단일 조성 또는 복합 조성을 갖는 물질의 합 성이 가능하다. Nozzle-reactor법은 유리질의 무정형 중공 미세 구를 제작하는데 유용한 방법이다 [15]. 1050∼1500℃의 고온 에서 용융된 유리를 발포제와 함께 불어서 제조하거나, 젤화 (gelation), 분무건조 등에 의해 형성된 작은 방울이나 분말을 고온로에 통과시켜 내부에 빈 구멍을 만든다. Sacrificial core 법은 구형 고분자인 핵 (core) 주위에 물질을 도포한 후, 핵을 용매를 이용하여 추출하거나 열에 의해 분해시켜 중공 미세구 를 제작하는 방법이다 [16]. 이와 같은 다공성 중공 미세구는 약물전달체계 (drug delivery system, DDS), 화학약품 저장, 흡 착, 촉매, 이온교환수지, 미세반응기, 캡슐화 (encapsulation) 등 다양한 분야에 활용되고 있다 [11-16]. 주화성 (chemotaxis)은 세포가 특정 약물의 농도 구배 (concentration gradient)를 인식하여 약물의 높은 농도를 향하여 이동하는 현상을 일컫는다. 주화성은 생체 내에서 세 포 이동의 주요한 기작으로 평가되고 있기 때문에 세포생물 학, 미생물학, 면역학 등 많은 분야에서 폭 넓게 연구되어 왔다[17-20]. 일반적으로 세포의 주화성 실험을 위하여 세포 주변에 화학 약물의 농도 구배를 제어하기 위한 다양한 방법 들이 사용되어 왔다. 대표적인 상업적 세포 주화성 시험 기 구로는 Boyden chamber, Zigmond chamber, Dunn chamber, Under-agarose assay, Micropipette-based assay 등이 있 다 [21-25]. 주화성 시험 기구를 사용하여 박테리아의 주화성 연구, 주화성을 이용한 암세포의 전이과정 억제 기작에 대한 연구, 상처 치유 과정에 대한 기작 연구, 호중구 (neutrophil) 의 주화성 연구등이 활발하게 이루어지고 있다 [17-29]. 미세유체칩 (microfluidic chip)은 기기의 초소형화, 사용 약물의 최소화, 실험결과의 신뢰도 극대화 등을 바탕으로 분자생물학, 의학 등 분야에서 각광받고 있는 실험 기구이 다 [26-36]. 이와 같은 미세유체칩은 분석에 필요한 여러 가지 장치를 아주 작은 칩 위에 집적시킨 마이크로프로세서이 며, 채널이 형성된 칩 내에 미량의 시료를 주입하여 분석하는 방법으로 나노리터 (nL) 이하의 극미량의 시료만으로 물질 의 분리, 분석을 할 수 있는 장점을 가지고 있다. 미세유체 제어기술을 이용하여 칩 위에 2차원으로 실험장치들을 집적 화시킬 수 있다. 이는 μ-TAS (micro total analysis systems) 의 기본개념이며, 나노리터 또는 피코리터 (pL) 수준의 극 소량의 유체를 다양한 장치를 이용하여 제어함으로써 칩에 제작된 수십만 개의 작은 구획 (compartment)에 각각 다르게 제어된 화학적 환경을 형성할 수 있다 [30-36]. 따라서 화학 분야는 물론 세포생물학을 위한 다양한 미세환경 변화 조건 을 아주 쉽게 형성할 수 있어 고효율 측정, 분석 및 평가에 활용도가 매우 높은 기술이다. Zigmond chamber, Dunn chamber의 경우에는 약물이 저장된 장소와 세포의 이동을 평가하는 장소 사이의 거리가 짧아야 확산이 잘 일어난다. 또한 아가로즈젤이나 콜라겐 젤을 사용하는 경우에는 약물의 이동 속도가 매우 느려 주 화성 실험에 긴 시간이 요구된다. 미세유체 채널과 주사기 펌프 (syringe pump)를 사용한 주화성 기구는 매우 안정적 인 농도 구배를 형성하고 실시간 모니터링이 가능한 반면, 사용하기 복잡한 주사기 펌프를 사용해야 한다는 것과 주사 기 속에 주입된 배지가 외부환경으로부터 고립되어 시간에 따라 배양조건 (특히, 배지의 pH)이 달라질 수 있는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 미세유체칩의 장점과 고전적인 주화성 기구들의 장점을 취해 간단하지만 효율적인 주화성 시험 기구를 개발하고자 하였다. 다공성 중공 실리카 미세구 를 합성하여 미세유체칩의 채널 내의 특정위치에 고정시키고, 중공에 담지된 약물 (PDGF-BB)의 서방 (slow-release)으로 인 하여 미세구 주변에 배양된 BALB/3T3 섬유아세포 (fibroblast) 가 주화성 이동을 할 수 있도록 고안하였다. 이동하는 세포 의 궤적 (trajectory)을 실시간으로 관찰하여 정성 및 정량적 인 주화성을 평가하였다.

This paper demonstrates a microfluidic chip incorporating patterned hollow silica beads that can be effectively used for chemotaxis assay. The hollow silica bead has been exploited to develop a carrier for chemoattractant to induce cell migration. The microfluidic chip contains a patterned array of microfabricated docks which can hold only one bead per docking site. The hollow bead placed inside microfluidic chip releases chemotactic reagent (PDGF-BB) around its periphery in a controlled fashion which generates a signal for chemotatic migration of fibroblast cells. The number of cells migrated close to each bead has been assessed. On-chip cell migration assay showed a remarkable result proving the high efficiency and reliable accuracy in quantitative analysis. Therefore, the device could be extensively used in cell migration assay and other various studies related to cellular movements.

바이오에탄올은 석유를 대체하여 수송용 연료로 사용될 수 있는 주요한 연료이다. Cellulosic 에탄올은 나무나 풀, 식물의 비식용 부분으로부터 생산되는 에탄올을 말한다. 즉, cellulosic 에탄올은 식물의 가장 큰 부분을 차지하는 리그노 셀룰로오스로부터 생산되는 바이오연료이다. 리그노셀룰로 오스는 크게 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 그리고 리그닌으 로 구성되어 있다 [1-4]. Corn stover, switchgrass, miscanthus, woodchips 그리고 잔디나 나뭇가지는 에탄올 생산을 위한 대표적인 cellulosic 물질들이다. 리그노셀룰로오스를 이용하 여 에탄올을 생산하는 것은 옥수수나 사탕수수를 이용하는 것과 비교했을 때 다양하고 풍부한 원료를 이용할 수 있다는 장점이 있으나 미생물 발효를 통해 에탄올을 생산하기 위해 서는 당 단위체를 만들기 위해 복잡한 공정이 필요하다는 단점이 있다 [5,6]. 전통적으로 6탄당을 탄소원으로 효모 (Saccharomyces cerevisiae)를 이용하여 에탄올을 생산하는 방법은 주류산업에서 사용되어 왔다. 리그노셀룰로오스의 경우, 복잡한 탄수화물적 특성으로 인해 가수분해물에 자일 로오스와 아라비노오스 (리그노셀룰로오스의 헤미셀룰로 오스부터 발생되는 5탄당 물질) 같은 물질이 존재하게 된다. 예를 들면, 옥수수 껍데기의 가수분해물의 경우는 전체 발효 가능한 당의 30% 정도가 자일로오스이다. 결과적으로 가수 분해물에 존재하는 모든 당을 이용할 수 있는 균주의 발효 능력이 cellulosic 에탄올과 바이오 기반 화학물질의 경제적 경쟁력을 증가시키기 위해 필수적인 요소다. 식물의 바이오매스 가수분해물의 경우, 5탄당인 자일 로오스가 주요 단당이지만 이는 Saccharomyces cerevisiae 에 의해 발효가 되지 않는다. 비록 S. cerevisiae가 자일 로오스를 발효하거나 동화시킬 수 없지만 이는 효모 의 일반적인 성질이 아니다. 자일로오스의 발효에 관한 연구는 1980년대 초부터 이루어져 왔으며 Pachysolen tannophilus와 Candida tropicalis 같은 효모는 자일로오스 를 발효하여 알코올을 생산할 수 있다는 것이 밝혀졌 다 [7,8]. 자일로오스 배지에서 생장하는 200여종의 효모 균주들을 집중적으로 분류, 선별하여 실험한 결과 20 g/L 의 자일로오스를 탄소원으로 발효 실험을 한 결과 0.1- 1.0 g/L의 에탄올을 생산하는 19가지 균주들을 찾아냈다. Brettanomyces naardenensis, Candida shehatae, Candida tenuis, Pa.tannophilus, Pichia segobiensis, 그리고 Pichia stipitis와 같은 균주들은 1.0 g/L 이상의 에탄올을 생산 하였다 [9]. 자일로오스의 이용은 리그노셀룰로오스를 연료나 화학물 질로 효율적인 전환을 하기 위한 필수적인 부분이다 [10]. 현재 소수의 효모만이 자일로오스를 직접 에탄올로 발효시 킬 수 있는 것으로 알려져 있으며, 전환율과 수율의 측면에 서 바이오에탄올의 상업화를 위해 개선이 필요한 상황이다. 리그노셀룰로오스 가수분해물에 존재하는 글루코오스가 자일로오스 이용을 억제하기 때문에 자일로오스로부터 에탄 올로 전환을 최대화하기 위해서는 글루코오스의 조절이 이루 어져야 한다. 리그노셀룰로오스로부터 에탄올로 상업적인 생물전환을 위해서는 혼합당의 효율적인 발효가 필요하며 생산 수율이 낮고 폐기물의 처리비용이 비싸다는 단점을 극복해야 한다. 리그노셀룰로오스는 공급 원료에 따라 다양 하지만 크게 6탄당인 D-글루코오스, D-마노오스, D-갈락 토오스와 5탄당인 D-자일로오스, L-아라비노오스의 5가지 종류의 당을 포함하고 있다. 과당과 수크로오스는 일반적으 로 리그노셀룰로오스에서는 나타나지 않는다. S. cerevisiae 를 이용한 글루코오스의 발효는 수 천년 동안 이루어져 온데 비해 5탄당의 발효는 상대적으로 최근에 많은 연구가 이루어 져 왔다. 그러나 아직까지 여러 문제점을 안고 있다. 그러므 로 본 연구의 목적은 글루코오스와 자일로오스의 혼합당을 동시에 발효하여 에탄올 생산을 증가시키는 것이며, 또한 에탄올 생산에서의 세포고정화의 영향과 ICR (immobilized cell reactor)을 이용한 혼합당에서의 에탄올 연속생산을 수 행하는데 있다.

To increase the production of ethanol by using sugar from lignocellulosic biomass, pentose and hexose have to be fermented simultaneously by yeast. The effects of mixed sugar and nitrogen on ethanol production by immobilized Pichia stipitis KCCM 12009 were investigated. When optimal mixed sugar and nitrogen concentration were 5% (Glucose/Xylose = 3：1) and 1%, respectively, ethanol concentration produced by immobilized P. stipitis was 19-20 g/L. In repeated fed-batch by immobilized P. stipitis, all glucose was consumed very quickly at 1-3% mixed sugar concentration. But, xylose consumption was decreased as the mixed sugar concentration increased. Also, ethanol (5.6 g/L) was stably produced and ethanol production rate was 0.13 g/L ․ h in immobilized cell reactor (ICR) with 1% mixed sugar (Glucose/Xylose = 3：1) as feeding media.

바이오 매스는 광합성으로 생성된 탄수화물류로 최근에 값싼 재생자원을 이용하여 생물학적 물리학적인 방법으로 연료를 생산하려는 연구가 활발히 진행되고 있다 [1]. 그러나 리그노 셀룰로직 바이오 매스의 경우, C-C와 C-O-C로 연결 되어 물에 대항하여 매우 안정적인 불용성 난분해성고분자 화합물로 셀룰로스와 헤미셀룰로스의 분해를 막는다 [2]. 따라서 리그닌 구조 결합이 다른 육상자원에 비해 약하며 에탄올 생성당인, 글루코스가 풍부한 해조류는 곡물류나 목재 류와 같은 원료에 비해 에너지 수율, 리터당 생산비 등에서 높은 경제적 효과를 가지고 있다 [3]. 또한 식량자원고갈 및 자연파괴와 같은 부정적요소가 낮으며 해수 부영양화로 인한 과잉번식 하며 해양오염 문제를 야기하고 있는 해조류 를 바이오 에탄올의 원료로 사용한다면 경제적 및 친환경 효과를 가져 올 수 있다 [4-7]. 녹조류인 구멍갈파래 (Ulva pertusa kjellman)는 국내에 서 녹조현상으로 환경문제를 야기하고 있으며, 폐기를 위해 자본 및 인력이 소비되고 있는 실정이다. 따라서 글루코스가 풍부한 해조류인 구멍갈파래를 이용하여 바이오 에탄올을 생산한다면 해양오염 문제와 에너지 문제를 동시에 해결 할 수 있을 것으로 본다. 그러나 해조류는 기존 에탄올 전 처리 기법인 산이나 알칼리에 비교적 안정하고 특수한 세균 효소에 의하지 않고서는 분해되기 어려워 이용이 에탄올 당화물질 생산에 제한적이다 [8]. 따라서 위의 문제 해결을 위해 환경적으로 문제가 없는 물을 이용한 고온 추출 공정시 시료가 받는 온도와 수증기 압력이 증가함에 따라 상온에서 반응하는 일반 물과 다르게 반응하 여 유전상수는 감소하고 이온강도는 증가한 상태가 되어 해조 류에서 당 가수분해 반응을 유발할 수 있다 [9-11]. 이런 원리 를 이용하여 해조류의 세포벽이 파괴되고 물의 출입이 용이 하여 시료의 당화성분 추출이 단시간에 가능하며, 불순물이 없으며 추출효율을 증진 시킬 수 있을 것으로 사료된다 [9-11]. 특히 해조류인 구멍갈파래의 경우 구성당의 대부분이 lignocellulosic 구조가 아닌 복합 다당류 형태로 구성되어 있기 때문에 이 같은 고온 공정을 이용시, 산/알칼리 전처리 공정 중 필연적으로 생성되는 furfural, 5-hydroxy methylfurfural (HMF) 등의 효모 성장저해 물질이 생성을 감소시킬 수 있 을 것이다 [12]. 따라서 본 연구에서는 고압액화 공정을 이용 해 기존 바이오 에탄올 용 육상자원과 구조적으로 크게 다른 해조류로부터 에탄올 발효가 가능한 당화물의 생산성 증진 에 대해 연구하였다.

Green alga, Ulva pertusa kjelmann has been known to be one of the largest pollutants in Korea. Therefore, the efficient pretreatment processes have been required to improve the yields of fermentable sugar. The optimal pretreatment conditions were determined to be 195℃ for 15 min. The sugar yield of glucose and xylose were estimated as 20.5%, and 5.0% respectively, based on theoretical yields. However solid residues were estimated enzymatic digestibility of 90-95% with cellulase loading of 15 FPU/g glucan. This process was proved to generate the low concentration of Hydroxy-Methyl-Furfural (51 ppm), which resulted in ethanol production with 95% of the maximum conversion yield from glucose in the culture of Saccharomyces cerevisiae (ATCC, 24858). This study showed that Ulva pertusa kjellmann can be used as a bioetahnol resource using the high temperature liquefaction process.

미세조류는 광에너지와 탄산가스를 이용하는 단세포의 광합성 미생물이며, 현재 지질, 단백질, 색소, 고분자 및 생리 활성물질 등의 생산을 위한 유용 생물자원소재로서 널리 인 식되고 있다 [1,2]. 주로 고부가가치 식품 및 제약제품과 같 은 여러 응용이 전개되고 있지만 최근에는 미세조류 지질의 바이오 연료로의 전환용도가 크게 주목받고 있다 [2-5]. 이는 미세조류가 농작물보다 광합성 효율이 높고, 성장이 빠르며, biomass의 생산성이 클 뿐 아니라, 특히 지질함량 이 높아서 각종 원료작물들의 단위면적당 지방수율로 비교 할 때 옥수수의 300배 이상, 팜유의 9배 이상의 뛰어난 지 질 생산성을 갖기 때문이다 [6-8]. 그러므로 미세조류의 지 질로부터 친환경 바이오 연료로 주목되고 있는 제 2세대의 바이오디젤 생산에 관한 연구가 널리 이루어지고 있는 실 정이다 [8-13]. 하지만 미세조류의 지질은 상업적인 이용도가 낮은 막 결합성의 극성지질로부터 바이오연료의 주원료가 되는 막과 결합하지 않은 triacylglycerol (TAG)과 같은 중성지질에 이르는 광범위한 지질형태를 함유한다. 따라서 미세조류로 부터의 바이오연료 개발의 첫 단계는 높은 지질생산성 (지 질함량 × biomass 생산성, mg/L/day)이며, 바이오디젤화를 위한 지질의 적합성 즉, 지방산의 사슬길이와 포화정도가 적정하며, 추출될 수 있는 중성지질의 대량저장 균주를 선정 하는 것이라 할 수 있다 [5,14]. Scenedesmus sp.는 담수 및 해양에 널리 분포하는 Chlorococcales 목의 Scenedesmaceae 과에 속하는 녹조류 이다. 배양조건에 따라 세포형태나 세포성분 조성들이 크게 달라지는데 [15,16], 그동안의 보고에 의하면 지질함량이 16∼40%나 되어 바이오디젤 생산을 위한 대표적인 우수 공급원의 하나로 알려지고 있다 [5,6,17]. 하지만 Scenedesmus sp.의 바이오디젤 관련 연구는 다른 미세조류에 비하여 매우 미흡하며, 특히, 높은 지방의 축적에도 불구하고 이들 지방의 조성이나 특성에 대해서는 별로 보고된 바가 없다. 따라서 본 연구에서는 Scenedesmus sp.의 biomass를 바이 오디젤의 원료로 사용하거나 이의 지질 소재화를 위한 자료 를 구축하기 위하여 중성지질 함량 및 조성 등을 조사하였고, 지방 추출물의 몇몇 특성을 TLC와 silicic acid의 column chromatography를 통한 분획 및 정제 실험을 통하여 조사, 검토하였다.

Lipid from Scenedesmus sp. was extracted, fractionated and purified by silicic acid column chromatography. Total lipid content of extract was 21.38 ± 1.03 wt%, and triacylglycerol, an index lipid for biodiesel production was detected. Ten species of C16∼C22 with saturated and unsaturated fatty acid were identified showing the very adequate fatty acid profiles for biodiesel production with a good flow property at low temperature. The fractions of glycolipid, neutral and phospholipid were 52.64, 28.10 and 19.26% of total lipid, respectively. The triacylglycerol of 12.63% and chlorophyll a of 49.47% was fractioned using stepwise elution of n-hexane-diethyl ether (95:5, v/v) solvent. The high content of chlorophyll was considered as a potential source of value-added co-product.

최근 triglyceride oil과 monohydric alcohol의 전이에스 테르반응에 의해 얻어지는 바이오디젤 (지방산의 monoalkyl esters)은 비독성 및 생분해성의 친환경적 대체연료로서 널리 인식되었으며, 이에 대한 학술적 및 산업적 관심이 매우 고 조되고 있는 실정이다 [1-4]. 따라서 각종 농작물, 동물성 유지 및 조류의 지질로부터 바이오디젤 생산에 관한 연구가 널리 수행되고 있는데, 이중 미세조류는 바이오디젤 생산을 위한 가장 유망한 자원의 하나로 부각되고 있다 [5-8]. 미세조류로부터의 바이오디젤 생산을 위한 에너지 전환 공정은 크게 미세조류 biomass의 생산, biomass의 수확 및 오일 추출공정, 추출오일의 전이에스테르 반응에 의해 이루 어진다 [9]. 이 중 미세조류로부터의 지질추출공정은 비용이 많이 들며, 논쟁이 되고 있는 공정의 하나로 높은 지방생산성 과 함께 바이오디젤 생산의 bottleneck이라 할 수 있다 [10-12]. 그러므로 미세조류로 부터의 바이오디젤화를 위해서는 먼저 간편하면서도 효율적인 추출방법 및 이에 의한 수율향상의 선행연구는 반드시 이루어져야 한다. 한편, Chlorococcales목의 Scenedesmaceae과에 속하는 Scenedesmus sp.는 담수 및 해양에 널리 분포하는 녹조류 로서 지질함량이 높아 (16∼40%)나 되어 바이오디젤의 대 표적인 우수 공급원의 하나로 알려지고 있다 [13]. 하지만 Scenedesmus sp.에 대한 연구는 다른 미세조류에 비하여 매우 미흡하며, 특히, 높은 지방의 축적에도 불구하고 이들 지방의 추출관련 연구는 별로 보고된 바가 없다. 그동안 미세조류의 지질추출법으로는 Expeller/Press법, solvent oil 추출법, 초임계추출법 및 효소추출법, 삼투충 격, ultrasonic assisted extraction 등의 기타 방법이 사용되 었다 [9,10-12,14]. Expeller/Press법은 추출수율이 70∼75%에 불과하며, 용 매추출과의 조합으로 실시된다. CO2를 이용한 초임계유체 추출은 초임계 추출조건을 유지하기 위해 필요한 고압장치 의 비용이 현저하게 높아서 그 응용이 제한되며, 주로 고부 가가치 및 저용량 물질에 한정된다. 초음파의 사용은 몇몇 고-액 추출공정에서 추출수율 및 물질전달속도를 증가시키 나 그 효과는 국부적이고 대량용량에의 적용은 에너지적으 로 비효율적이다. 고압수증기처리와 같은 삼투충격 역시 느 린 공정이고, 대량의 수증기를 필요로 하며, 효소추출법은 용매로서 작용하는 물과 함께 세포벽을 분해하는 효소를 사용하며, 오일의 분획은 쉬우나 용매추출공정보다 훨씬 더 비경제적이다 [10-12,15]. 따라서 현실적으로 범용의 추출법은 안전성의 문제에도 불구하고 높은 추출수율 (95∼99%)을 얻을 수 있는 고-액 용매추출법이다 [11,16]. 주로 사용되는 용매추출법은 세포 벽이 없는 animal tissue에서의 지질추출에 널리 유효하게 사용되어 왔다 [17,18]. 하지만 식물세포나 Scenedesmus sp. 와 같은 microalgae는 세포벽이 존재하고 이들이 용매추출 의 율속단계로 작용하므로 효율적 추출이 어려운 것으로 알려지고 있다 [19]. 따라서 간편하면서도 효율적인 추출 용매와 전처리 방법 및 이에 의한 수율향상을 위한 추출관련 연구의 필요성이 매우 높은 실정이다. 그동안 추출 최적화에 있어서는 하나의 변수를 고정시켜 놓고, 다른 여러 변수들을 차례로 변화시키는 방법인 onefactor- at-a-time method [20]가 널리 사용되었다. 하지만 이 방법은 변수들의 상호작용 및 중요변수에 대한 해석이 불가능 하고 실험횟수가 매우 많아지는 단점이 있다. 따라서 최근에 는 이러한 단점을 극복하기 위한 최적화 방법으로서 Taguchi 법, 반응표면분석법 등의 통계적 실험법이 널리 이용되고 있 다. 이중 직교배열법의 원리를 이용한 Taguchi법은 실험적 오차와 실험횟수를 줄일 수 있으며 추출요인의 기여도 및 상 호관계를 쉽게 알 수 있고, 최적 추출조건을 확립할 수 있어, 지방의 추출 최적화에도 검토의 필요성이 높다 [21,22]. 본 연구에서는 해양 녹조류의 일종인 Scenedesmus sp. 균주를 바이오디젤의 원료로 사용하기 위한 자료를 구축하 기 위해 아직 표준방법이 확립되어 있지 않은 이 균주의 지질 추출에 미치는 효율적 추출용매와 전처리 방법을 탐색, 조사하였다. 아울러, 이에 근거하여 4요인 (온도, 시간, 용매 비, ultrasonication or homogenization) 및 3수준 (level 1, 2, 3)의 Orthogonal matrix L9(34)법을 이용한 Taguchi법에 의해 최대의 지질수율을 얻을 수 있는 추출최적화를 실시하였다.

For the biodiesel fuel production from microalgae, the lipid from wet and dry samples of green algae Scenedesmus sp. was extracted by using various solvents and pre-treatment methods. Extraction yield of the lyophilized sample was better than that of dry sample. Chloroform/methanol (2：1, v/v) and ultrasonication or homogenization method were also selected as the most effective solvent and pre-treatment methods for lipid extraction, respectively. Under these constraint conditions, optimization experiment of lipid extraction was investigated by Taguchi approach using orthogonal matrix L9 (34) method. The optimum extraction conditions of lipid extraction was obtained at pre-treatment of homogenization, extraction time of 5 hour, temperature of 35°C, and solvent ratio of 1：20 (w/v). Yield of extraction at optimized condition was 20.55% and it was 96% of total lipid content (21.38%) of Scenedesmus sp.

미세입자 제조 기술은 식품, 고분자, 화장품, 의약품 제조 등의 분야에서 핵심기술로 오랫동안 사용되어져 왔으며, 이러한 미세입자 제조 기술로는 에멀젼 (emulsion), 용융, 분무건조, 동결건조, 분쇄 (grinding), 제분 (milling)법 등이 대표적이다. 그러나 이들 방법들은 기계적 처리로 인한 약 물의 손상, 입자 크기의 불균일, 제품 내 잔존용매, 그리고 다단계 공정으로 인한 시간, 비용의 제약 등의 문제를 가지 고 있다. 따라서 이와 같은 문제점을 해결할 수 있는 대체 기술로서 최근 초임계 유체 (supercritical fluid) 공정을 이 용한 미세입자의 설계 및 제조 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 [1-3]. 초임계 유체는 어떤 물질의 임계점 (critical point) 이상의 온도와 압력 조건에서 존재하는 유체로 정의되며, 액체와 기 체의 중간적 성질을 가지고 단일상으로 존재 한다 (Fig. 1). 초임계 유체는 미세입자 제조에 매우 적합한 열역학적 특 성 (높은 용해도, 선택도, 압축성, 감압에 따른 자발적 분리 성)과 이동특성 (낮은 표면장력과 점도, 높은 확산계수와 열전도도)을 갖고 있다 [3-6]. 특히, 임계점 부근에서는 좁 은 범위의 온도 또는 압력 조절을 통해 쉽게 초임계 유체 의 용해도 및 확산계수 등의 특성을 기체에 가까운 상태로 부터 액체에 가까운 상태까지 연속적으로 변화시킬 수 있 다. 초임계 유체 중 이산화탄소의 경우 상온에 가까운 임 계온도 (31.1℃)와 비교적 낮은 임계압력 (73.8 bar)을 가 지며, 독성이 없어 인체에 무해하고 환경 친화적일 뿐만 아 니라 가격이 저렴하고 폭발성 및 발화성이 없으며, 감압에 의해 쉽게 회수가 가능하기 때문에 미세입자의 제조공정에 적합하다 [3-10]. 초임계 유체를 이용한 미세입자 제조공정은 크게 RESS (rapid expansion of supercritical solutions), SAS (supercritical fluid anti-solvent), PGSS (particles from gas saturated solution) 공정으로 나눌 수 있다. RESS 공정은 초임계 유체를 용매 (solvent)로 사용한 공정으로서 용질에 대한 초임계 유체의 용해도가 높을 때 이용된다. 반면 SAS 공정은 초임계 유체 를 역용매 (anti-solvent)로 사용한 공정으로서 초임계 유체가 가지는 용질에 대한 용해도가 매우 낮을 때 이용된다. PGSS 공정은 초임계 유체가 고체 구조체내에 용해되어 그 물질을 가소화시키는 특성을 이용한 공정으로 초임계 유체가 용질 로서 사용된다. 특히, PGSS 공정에서는 초임계 유체가 어떤 물질을 용해시킬 필요가 없기 때문에 RESS 공정에 비해 적 은 양의 초임계 유체가 사용되며, 더 낮은 공정 온도와 압력 에서 공정이 가능하다 [1,6-11]. 정유 (essential oils)는 약 20-60가지 종류의 특유한 향을 내는 천연 혼합물로 이루어진 휘발성 액체로 식물의 꽃잎, 꽃, 줄기, 씨앗, 과일, 뿌리 등의 부위에서 추출이 가능하다. 오늘날 정유의 특유한 향과 뛰어난 항염, 항균 효과 때문 에 향수, 화장품, 식품 및 의료 산업에서의 이용이 확대되고 있으며, 특히 최근 의학 분야에서는 미생물에 대한 항생물 질의 내성이 증가함에 따라 대체 약물로서 정유의 중요성이 증대되고 있다. 현재 여러 미생물에 대한 정유의 항진균, 항균, 항박테리아, 항바이러스 활성의 높은 효능이 확인되었 으며 [12-20], 그 중에서도 coriander (Coriandrum sativum) 의 정유는 소화불량, 식욕부진, 경련, 불면증, 류머티즘 관절 염, 암 등의 치료에 이용되고 있다 [21-25]. 고분자를 이용한 약물전달시스템 (drug delivery system) 에 가장 널리 이용되는 생분해성 또는 생체적합성 합성 고 분자로는 poly (ethylene glycol) (PEG), poly (lactic acid) (PLA), poly (glycolic acid) (PGA), poly (lactic-co-glycolic acid) (PLGA), poly (ε-caprolactone) (PCL), polyanhydride, poly (ortho ester) 등이 대표적이며, 이들 고분자를 이용한 새로운 약물전달시스템 개발을 위한 많은 연구가 진행되고 있 다 [26-28]. 이 중 PEG는 FDA (food and drug administration) 의 승인을 받은 고분자로서 독성이 없고 체내에서 항원성이 나 항염증성 등을 나타내지 않는 특성을 가지고 있다. PEG 는 물 뿐만 아니라 methylene chloride, ethanol, acetone, chloroform과 같은 유기용매에 쉽게 용해되며 다양한 분자량 과 다양한 작용기를 갖는 PEG를 쉽게 이용 할 수 있다. 또 한 PEG는 약물 입자가 대식세포들에 의해 제거되는 현상 (식균작용, phagocytosis)을 효과적으로 방어할 수 있다고 알려져 있으며, 이를 ‘스텔스 (stealth)’ 효과라고도 한다. 이 스텔스 효과를 통해 약물 입자는 생체 내에서 원하는 치료 부위에 효과적으로 도달할 수 있으며 치료부위에 오랜 시간 체류하여 약의 효율을 높일 수 있다 [27-30]. 본 연구에서는 PGSS 공정을 이용하여 coriander 정유의 안 정성 향상을 위해 coriander 정유가 봉입된 PEG 미세입자를 제조하였으며, 이때 온도, 압력, 노즐 크기의 공정변수가 입 자의 제조 특성과 봉입 효율에 미치는 영향을 조사하였다.

In the present study, biocompatible poly (ethylene glycol) (PEG) microparticles containing coriander essential oil were prepared using a supercritical particles from gas saturated solution (PGSS) process to improve the stability of the coriander oil. The effects of various process parameters such as temperature, pressure, and nozzle diameter on the morphology and entrapment efficiency of coriander oil loaded PEG microparticles were then investigated. A positive influence on the formation of spherical microparticles was observed with increasing temperature and decreasing pressure. Furthermore, somewhat more porous microparticles were produced with an increase in pressure. At a given temperature, the highest entrapment efficiency of coriander essential oil in PEG microparticles was observed under the lowest experimental pressure condition.

아토피성 피부염 (Atopic dermatitis)은 2001년도 국민건 강영양조사에 의하면 우리나라 소아 및 청소년에서 흔히 발생하는 만성질환으로 조사되었다. 유소아기에 높은 발생 률을 나타내는 재발 염증성 만성피부질환인 아토피 피부염 은 전 인구의 약 10-20% 정도에서 나타난다. 우리나라에 서도 발생빈도가 점차 증가하여 2000년도 대한 소아 알 레르기학회에서 전국의 초등학생과 중학생을 대상으로 한 설문조사에 의하면 중학생의 12.8%, 초등학생의 24.9%가 아토피 피부염으로 조사되었다 [1,2]. 이들 환자는 면역학적 특성과 특이한 혈관반응 및 병원균 감염이 잘 되는 경향이 있으며, 대기오염, 주거환경 변화로 인한, 항원에 대한 노출 의 증가, 모유수유 감소 등으로 인하여 발생 빈도가 증가 되고, 건성습진 질환으로서 유병률이 어린이의 10%이상이 며 지난 몇 십 년 전에 비하여 환자 수가 두 배로 증가하였 다. 이를 치료하는 약물로 과거부터 사용하여온 스테로이드 제와 항히스타민제, 면역억제제 외에는 대안이 없는 것이 현실이다. 그러나 이런 약물제제를 장기적으로 사용하면 서, 남용이 된다면 소아에서는 발육부진을 볼 수 있었고, 성인의 경우에도 당뇨나 고혈압이 생기거나 이러한 질환이 악화되는 경우가 있었으며, 월안, 체간비대, 피부선조, 다모 증 등의 임상 소견과 전해질 및 수분대사 장애 등, 여러 가지 부작용 사례가 나타난다. 이러한 고통 외에도, 잦은 재발로 인한 치료 시간의 증가로 사회 활동 시간을 빼앗기는 정신 적 스트레스와 피부의 태선화 및 색소침착 등 외모에 대한 고민 등으로 정신적 스트레스를 안고 살아가기 때문에 정 신적으로 삶의 질이 떨어져 있고, 또한 잘못 전달된 아토 피성 피부염 치료 정보가 스테로이드 제제의 불신으로 이 어져 여러 민간요법 및 이차적 치료법을 찾다 보니, 환자 들의 삶의 질을 현격히 떨어뜨리는 비용적 요인으로 작용 하고 있다 [3]. 여드름은 의학용어로 심상성 좌창 (acne vulgaris)이라 하며 주로 사춘기의 남녀에게 많이 발생한다. 영어로 아크네 (acne)라 하는데, 어원적으로 “뾰족한 끝” 돌출부라는 의미 이다 [4]. 여드름은 모낭 내에 P. acnes의 작용으로 초래된 다. P. acnes는 정상적인 사람에 비하여 여드름 환자에서 현 저히 증가되어 있다. 이러한 유기체에 의해서 생산된 lipaserk 새로 분비된 피지를 정상적으로 에스테르화하여 유리지방산 을 유리시킨다. 이러한 유리지방산은 모낭주위염을 일으키 며, 또한 P. acnes는 다형핵백혈구에 대해 주화성인자를 생산하므로서 직접 털주머니에 염증을 일으키게 된다 [5]. 사춘기에서부터 중년까지 지속적으로 발생하기도 하는 여 드름은 사춘기에 과도한 호르몬 분비로 경미한 여드름이 생기는 경우에는 생리적 현상으로 나타나는 여드름이나, 젊 은 연령층을 지나 중년까지 발생하여 중증도가 심해지는 경우에는 여드름 클리닉을 찾게 되며, 염증이 생기면 반흔이 형성되기 때문에 피부과적 치료를 요하게 된다 [6]. 현재 아 토피성 피부염과 여드름은 연구치료법이 다양하고 그 연구 도 한국뿐만 아니라 외국에서도 많은 연구가 진행되고 있 다. 최근 면역증강, 항암, 항산화 등 생리활성물질이 다양한 기능성 버섯류 추출물을 이용한 피부 미용, 건강기능성 식품 등 항산화 효과에 대한 연구는 활발히 이루어지고 있으나, 아토피 피부염 및 여드름의 개선효과에 관한 연구는 아직 미흡한 실정으로 보아진다. 따라서 본 연구에서는 갯장어 및 7가지버섯류 (백목이버 섯, 동충하초, 영지버섯, 표고버섯, 아가리쿠스, 상황버섯, 차가버섯)의 혼합추출물을 이용하여 in vitro에서 항산화 효과 및 여드름과 아토피성 피부질환자에게 식이법과 피부 에 직접 도포하여 나타나는 피부상태의 변화를 연구하였다.

This study was conducted to investigate effect of complex extract of various mushrooms and sharp toothed eel on the skin conditions with atopic dermatitis and acne symptoms. The total phenol concentration was increased in order of hot water> ethanol> ethyl acetate> petroleum ether> chloroform extract. Especially, when the hot water extract was used, it was about 2-3 fold higher than that of ethyl acetate, petroleumether, and chloroform extract. When the complex extract concentration was increased from 1.0 to 50 mg/L, the DPPH scavenging rate increased from 10.1 to 81.4%. The reduction power was sharply increased from 0.05 to 0.27 (700 nm) when the complex extract concentration was increased from 25 to 75 mg/L. However, above 100 mg/L, it was not decreased. In the case of SOD-like activity, it was 45.7% at 100 mg/L. Total numbers of patients with atopic dermatitis were 15 and 5 patients with severe acne symptoms. According to photos taken before and after the treatment and questionnaire results, considerable improvements in skin conditions are observed in the patients with atopic dermatitis and acne. For atopic patients, erythema and edema have been improved but the degree of effect was dependent on the individual’s constitution. Concerning acne, the effect of coating of the extracts was prominent for first week and the degree decreased with time till 4 weeks. The complex extracts wereefficient in soothing rash and maturation. Side effects such as a scar were not detected during the application and treatment.

양잠누에 (Bombyx mori)의 고치에서 생산되는 섬유 단백 질인 피브로인은 대부분의 단백질과 달리 크기가 작은 아미 노산인 글리신 (glycine) 알라닌 (alanine) 세린 (serine)의 조 성비가 각각 48, 32 및 11%로 전체의 91%를 차지하며 [1], 글리신과 알라닌, 세린 및 타이로신 (tyrosine)이 교대로 치환 된 Gly-X (X: Ala 65%, Ser 23%, Tyr 9%)가 반복되는 아미노산 서열 구조를 가지고 있다 [2]. Jeong 등 [3]은 이와 같이 아미노산 서열이 반복되는 특성을 이용하여 피브로인을 파파인으로 가수분해하여 [Gly - X]n - (n = 2, 4, 6 및 8)인 짝수의 올리고 펩타이드가 대부분인 가수분해물을 얻을 수 있다고 보고하였다. 다른 단백질의 가수분해물의 펩타이드 조성은 매우 다양한 반면, 피브로인 가수분해물은 매우 제한 적인 종류의 짝수 펩타이드로 주로 구성되어 있고 산업적 인 수준으로 대량 얻을 수 있어 다양한 정밀화학제품의 원료 로 활용할 수 있을 것으로 예상된다. 예를 들어 펩타이드와 글리세리드 (glyceride)가 결합한 1-peptidyl-2-arachidonoyl- 3-stearoyl-sn-glyceride는 양의 혈청에서 발견되는 면역활성 물질이다 [4]. 이와 같이 지방산의 종류나 펩타이드의 종류를 달리하여 다양한 펩타이드 글리세리드를 합성할 수 있고, 이들 중에는 특별한 생리활성을 가지는 펩타이드 글리세리드 가 있을 수 있으나, 아직까지 이와 같은 다양한 펩타이드 글 리세리드를 합성한 보고는 없다. 현재까지는 펩타이드 대신 아미노산 글리세리드가 새로운 바이오 계면활성제로서 개발 할 목적으로 효소적인 방법으로 합성된 바 있다 [5]. 펩타이 드 혼합물을 효소적으로 가공하여 기능을 개선시키는 방법은 알려져 있으나, 이 과정에서 각각의 펩타이드의 조성의 변화 를 질랑분석기를 이용하여 추적한 결과는 보고된 바 없다. 그리고 혼합물의 특성상 여러 종류의 기질이 단일 효소와 반응하는 경우, 효소 반응의 특성, 기질특이성에 따른 펩타 이드 혼합물의 조성의 변화 및 이 과정에서 효소의 기질 특이성을 역추적할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 피브로인 펩타이드를 효소적으로 수 식하여 펩타이드 글리세리드를 합성하는 중간단계로 파파인 을 이용하여 글리세롤 에스터화 반응을 통하여 피브로인 펩 타이드의 글리세릴 에스터를 합성하는 반응을 수행하였다. 특히 파파인은 펩타이드 가수분해 활성뿐만 아니라 에스터 분해효소 (esterase)의 활성을 동시에 가지고 있으므로 [6], 효소적으로 에스터를 합성하는데 사용되어 왔다. 그동안 파 파인은 유기용매가 첨가된 조건하에서 주로 아미노산인 알라 닌을 알코올류를 에스터 결합시키거나 [7], 펩타이드에 에탄 올을 에스터 결합시키거나 [8] 혹은 D, L 아미노산의 분활하 는데 [9] 사용되었다. 이후 Mintin 등 [10]은 파파인으로 N 말단이 보호된 여러 종류의 아미노산에 글리세롤을 에스터 결합시키는 반응을 성공하였다. 효소적 에스터화 반응의 촉 매로 빈번하게 사용되는 트립신과 달리 파파인은 넓은 기질 특이성 [11]을 가지고 있으므로 다양한 기질에 글리세릴 에스 터를 형성할 수 있을 것으로 예상된다. 따라서 본 연구에서는, 파파인으로 가수분해된 피브로인 펩타이드에 추가적으로 글리세롤을 공급하고 반응조건을 변화시켜 피브로인 펩타이드에 글리세릴 에스터 결합을 형성시키는 역반응을 시도하였다. 에스터 결합을 형성하기 위해서는 카복실기가 해리되지 않은 상태에서 -COOH의 OH기가 효소의 활성부위의 아미노산의 잔기와 수소결합 을 형성한 후 분리되어야 하므로, 에스터화 반응은 펩타이 드의 카복실기의 pKa 값보다 충분히 낮은 pH 3에서 과량 의 글리세롤을 첨가하여 반응시키고 각각의 펩타이드의 글리세릴 에스터의 생성 여부는 전기분무 이온화형 질량분 석기 (ESI-MS)를 이용하여 분석하였다. 아울러 생성된 글리 세릴 에스터는 카복시 말단이 에스터화되어 중성용액에서 양전하를 띠는 점을 활용하여 이온교환수지 칼럼을 이용 하여 회수하였다.

Papain hydrolysate of fibroin was found to be mainly composed of several even-numbered peptides that can be produced at a large scale and can be used as a precursor for biological fine-chemicals such as peptide detergents. Thus, the hydrolysate was further modified to synthesize a peptide mixture of glyceryl esters using the identical enzyme for the production of such chemicals. Formation of glyceryl ester of each peptide was confirmed by identifying peaks of the nominal mass shift of +74 Da in mass spectrometry. Analysis of the mass spectra indicated that glyceryl esters of di- and tetra-peptides were the major constituents of the mixture and that alanylglycine was most preferentially esterified. It also suggests that papain prefers dipeptide to tetrapeptide and alanine to serine or tyrosine at P2 position as substrate for glyceryl esterification. The glyceryl esters were recovered using ion exchange resin and the yield of glyceryl esterification recorded was 17.8% by weight.

Bioethanol을 생산하기 위하여 lignocellulosic biomass를 가 수분해 할 때 furan 유도체 (furfural, 5-hydroxymethlyfurfural), phenolic compounds 그리고 유기산과 같은 toxic substance [1-7]가 약 0.6-3.0 g/L 정도 만들지는 것으로 알려져 있 다 [3,4]. 또한 이러한 물질은 효모의 cell growth rate과 ethanol production rate, membrane function 등에 좋지 않은 영향을 주어서 bioethanol 생산성을 감소시키는 것으로 알 려져 있다 [1,7,8]. 그래서 많은 연구자들은 detoxification 방법을 사용하여 이러한 toxic substance의 ethanol 생산에 대한 inhibition을 제거하려고 시도하여 왔다 [9,10]. 그 동안의 연구 결과에 비추어 볼 때, inhibitor를 제거하 는 detoxification 공정 또한 bioethanol 생산 전체공정에 서 부가적인 공정이라 생각되어지기 때문에, 본 연구에서 는 공정의 편의성을 위하여 detoxifocation 공정을 생략하거 나, 혹은 detoxification 공정으로 완전히 inhibitor가 제거되 지 않을 경우를 대비하여, inhibitor에 저항성이 있는 효모 균주를 선별/확보하려고 시도하였다. 본 연구에서는 먼저 2단 고온 전처리 방법 [11]을 이용한 유채대 가수분해물에 인위적으로 inhibitor cocktail을 첨가 한 배지 [2]를 만들어서 가장 잘 견디는 효모 균주를 선별 하는 실험을 실시하였다. 이때 inhibitor cocktail은 발표된 연구문헌을 근거로 biomass의 가수분해물에서 나올 수 있 는 6가지의 inhibitor가 선정되었고, 또 그 농도도 정해졌 다. 그리고 본 연구팀의 선행연구 결과에서 ethanol 생산성 을 근거로 선별된 [12,13] 각각 세 종류의 Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae)와 Pichia stipitis (P. stipitis) 균주를 가지고 실험을 실시하였는데, 최종적으로 inhibitor에서 더 잘 견디는 S. cerevisiae와 P. stipitis 효모 균주를 각각 한 가지 씩 선별하여 동시배양법으로 bioethanol 생산을 시도하였다.

We established a strategy for bioethanol production using the hydrolysate of rape stem, in which the inhibitor cocktail was added intentionally. The final goal of this study was to circumvent the detoxification process when the hydrolysate of lignocelluloisic biomass contained the toxic substances in high concentration. When six yeast strains were examined, Sacchromyces cerevisiae ATCC 96581 and Pichia stipitis CBS 7126 were relatively resistant to inhibitor cocktail. Then, using strains 96581 and 7126, we designed a process strategy for bioethanol production, assuming that the concentration of toxic substance in the hydrolysate of rape stem was remarkably high. When strains 96581 and 7126 were inoculated simultaneously, it was observed that strain 7126 produced bioethanol as well as strain 96581, although the concentration of inhibitor cocktail was 18.2% (v/v). Finally, throughout this co-cultivation of strains 96581 and 7126, bioethanol was produced about 6.0 (g/L), and bioethanol yield reached at 0.4 (g-bioethanol/g-reducing sugar) (78.4% of theoretical value).