생물고분자
[ Biopolymer ]
생물고분자 또는 바이오폴리머는 미생물, 식물, 동물 등의 생명체의 생합성으로 만들어지는 특정 단일물질이 중합되어 있는 다중체(multiunit)의 거대분자(macromolecule)를 말한다. 광범위한 개념에서 뉴클레오타이드의 중합체로 핵산을 구성하는 폴리뉴클레오타이드(polynucleotide: DNA와 RNA)와 아미노산의 중합체인 폴리펩타이드(polypeptide)인 단백질을 포함하기도 하나, 일반적으로 화학합성 되는 폴리머와 유사하게 하나의 단위체(unit)인 단량체(또는 모노머, monomer)로부터 중합반응으로 합성되는 다량체(또는 폴리머, polymer)를 말한다. 대표적인 예는 식물체의 셀룰로스(cellulose)와 전분의 아밀로스(amylose)이며 단량체인 육탄당(hexose) 포도당이 베타-1,4-글리코시딕 결합(β-1,4-glycosidic bond)으로 구성된 것을 셀룰로스 알파-1,4-글리코시드 결합(α-1,4-glycosidic bond)으로 결합된 것을 아밀로스라고 한다.
포도당 단량체로 구성된 바이오폴리머 (출처: , 편집: 김성훈/KRIBB)
목차
자연계에 존재하는 천연 생물고분자
자연계에 존재하는 생명체의 대사에 의해 만들어지는 천연 생물고분자는 고분자 물질의 중합의 단위물질에 따라 달라진다. 대표적인 단위물질로 사용될 있는 것은 뉴클레오타이드, 아미노산, 지방산, 탄수화물, 기타 물질 등이 있으며, 생명체의 생화학 작용에 의해 핵산으로 폴리뉴클레오타이드인 DNA와 RNA가 만들어지며, 아미노산으로 펩타이드 및 단백질이, 지방산으로부터 지질이, 탄수화물로는 다양한 다당체, 그리고 기타 물질로는 리그닌과 같이 방향족 탄화수소가 포함된 생물고분자가 생합성된다. 광범위의 생물고분자는 생명체가 생합성하는 모든 거대분자 형태의 물질을 말하지만, 제한적으로는 화학합성으로 만들어지는 고분자와 동일하게 화학적으로 정의된 단위물질이 특정 화학결합으로 규칙적으로 배열된 물질을 말한다.
대표적인 자연계에 존재하는 천연 생물고분자는 많은 수가 탄수화물을 기본 단위로 하는 다당체(polysaccharide)로, 다당체는 다시 기본 단위의 구성성분에 따라 단일 당성분으로 구성된 단순다당체(homopolysaccharide)와 복합 당성분으로 구성된 복합다당체(heteropolysaccharide)로 구분될 수 있다. 자연계에서 이들 다당체의 성분은 전분 및 글리코겐과 같이 생명체의 활동을 위해 잉여 에너지원으로 저장하기도 하지만, 많은 수의 다당체가 셀룰로스, 헤미셀룰로스, 펙틴, 키틴과 같이 생명체의 골격이나 지지체를 만들거나 외부환경으로 생명체를 보존하기 위한 방어체를 형성하는데 사용된다1).
| 단순다당체(homopolysaccharide) | |||
|---|---|---|---|
| 종류 | 구성 단당류 | 화학결합 | 존재 부위 |
| 셀룰로스(cellulose) | 포도당(glucose) | (β1→4) | 고등식물의 세포벽 |
| 아밀로스(amylose) | 포도당(glucose) | (α1→4) | 고등식물의 전분 |
| 아밀로펙틴(amylopectin) | 포도당(glucose) | (α1→4) 및 (α1→6) | 고등식물의 전분 |
| 글리코겐(glycogen) | 포도당(glucose) | (α1→4) 및 (α1→6) | 미생물, 동물의 저장물질 |
| 덱스트란(dextran) | 포도당(glucose) | (α1→6), (α1→3) 그외 | 세균 분비 다당류 |
| 이눌린(inulin) | 과당(fructose) | (β2→1) | 돼지감자, 다알리아 유래 구근 등 |
| 카라지난(carrageenan) | 갈락토스(galactose) | (β1→3) 및 (α1→4) | 홍조류 세포벽 |
| 퓨코이딘(fucoidin) | 퓨코스(fucose) | (α1→2) 및 (α1→4) | 갈조류 세포벽 |
| 키틴(chitin) |
N-아세틸글루코사민
(N-acetylglucosamine) |
(β1→4) | 곤충 외골격 및 곰팡이 세포벽 |
| 복합다당체(heteropolysaccharide) | |||
|---|---|---|---|
| 종류 | 구성 단당류 | 화학결합 | 존재 부위 |
|
아라비노자일란
(arabinoxylan) |
아라비노스(arabinose), 자일로스(xylose) | 가지형(branched) | 식물의 세포벽 |
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글루쿠로노자일란
(glucuronoxylan) |
글루쿠로닉산(glucuronic acid), 자일로스(xylose) | 가지형(branched) | 식물의 세포벽 |
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아라비노갈락탄
(arabinogalactan) |
아라비노스(arabinose), 갈락토스(galactose) | 가지형(branched) | 침엽수 목질부와 수액 |
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글루코만난
(glucomannans) |
포도당(glucose), 만노스(mannose) | 선형(linear) | 식물의 종자와 구근 등 |
|
갈락토만난
(galactomannans) |
갈락토스(galactose), 만노스(mannose) | 가지형(branched) | 콩과식물의 종자 |
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굴루로노만누로난
(guluronomannuronan) |
굴루로노닉산(guluronic acid), 만누로닉산(mannuronic acid) | 가지형(branched) | 갈조류 세포벽 알지네이트(brown seaweed alginate) |
미생물이 생산하는 생물고분자
미생물이 생산하는 생물고분자는 생물학적으로 외부의 극한 환경에 대해 미생물 자신을 보호하기 위한 방어막 형성이나 잉여 영양분을 축적하기 위한 것으로, 대표적인 사례가 잔탄검(xanthan gum)과 세균 셀룰로스(bacteria cellulose)가 잘 알려져 있다1). 이외에 화학 합성된 고분자와 같은 특성을 지니면서 생물학적으로 완전히 분해될 수 있는 생물고분자 소재로 폴리하이드록시알카노에이트(Polyhydroxyalkanoate) 등이 있다2).
잔탄검(xythan gum)- 그람음성의 호기성 토양 미생물 중의 하나인 균인 잔토모나스 캄페스트리(Xanthomonas campestris)의 대사작용으로 생합성되는 탄수화물로 구성된 체외다당체(exopolysaccharide)로 높은 점성(viscosity), 유사가소성(pseudoplasticity), 안정성 등의 독특한 특성으로 안정제, 분산제, 유화제 등의 용도로 산업적으로 광범위하게 사용되고 있다.
- 주된 고분자의 근간뼈대(backbone)는 셀룰로스 베타1→4(cellulosic β1→4) 포도당으로 구성되어 있으며, 여기에 곁가지로 두개의 만노스(mannose)와 글루쿠론산(glucuronic acid)으로 구성된 삼탄당(trisccharide)이 부가되어 있다.
- 세균 셀룰로스는 식물체 유래의 셀룰로스와 동일한 베타1→4(β1→4)포도당으로 구성된 고분자로 아세토박터(Acetobacter)속, 리조비움(Rhizibium)속, 아그로박테리움(Agrobacterium) 속 등의 미생물에서 체외다당체 형태로 생합성되며, 이들 미생물 중에서 호기성 균주인 아세토박터 자일리넘(Acetobacter xylinum)이 대표적 균주로 알려져 있다.
- 식물 유래의 셀룰로스에 비해 헤미셀룰로스 및 리그닌 등의 다른 고분자를 포함하지 않고 순수 셀룰로스 만을 생산한다는 장점이 있다.
- 세균 셀룰로스는 생체적합성과 기계적 성질이 뛰어나 인공피부, 인공연골, 창상보호제, 인공혈관, 화상치료제 등의 의료용 소재뿐 아니라, 미용소재, 식품소재, 전기재료 소재 등으로 광범위하게 사용되고 있다.
- 폴리하이드록시알카노에이트[Poly(hydroxyalkanoate), PHA] 고분자는 최근에 생분해성 플라스틱의 소재의 후보로 각광받는 생물고분자로 많은 미생물에서 탄소 및 에너지 저장원으로 세포 내 축적되는 물질로 알려져 있다.
- 1926년에 바실러스 메가테리움(Bacillus megaterium)에서 폴리하이드록시뷰티레이트[poly(hydroxybutyryate), PHB]가 최초로 발견된 이후, 현재까지 PHB와 폴리하이드록시알카노에이트 물질을 생산하는 균주가 90여 종 이상 알려져 있다.
- 폴리하이드록시알카노에이트는 R-(-)-3-하이드록시알칸산[R-(-)-3-hydroxyalkanoic acid] 단량체로 만들어지며, 약 3~14개 탄소를 갖는 단량체의 중합체로 구성되어 있다.
- 미생물에서 합성되는 폴리하이드록시알카노에이트는 다양한 크기의 단량체로 구성되어 있는데, 알칼리지너스 유트로푸스(Alcaligenes eutrophus)와 같은 미생물에서 생산되는 탄소3-5(C3-5)개의 단사슬(short chain) 모노머로 구성된 고분자와, 슈도모나스 오레오보란스(Pseudomonas oleovorans)와 같은 미생물에서 생산되는 탄소6-14(C6-14)개의 중사슬(medium chain)의 모노머로 생합성되는 고분자로 구분할 수 있다.
- 알칼리지너스 유트로푸스에서 생합성되는 PHB는 아세틸코에이(acetyl-coA)로부터 3단계의 효소반응에 의해 전환된 R-(-)-3-하이드록시뷰틸산의 중합반응에 의해 생합성되며, 생성된 고분자는 세포내 축적되는데 크기가 약 1,000~10,000 단량체로 구성되어 있다고 알려져 있다.
대표적인 폴리하이드록시알카노에이트 생물고분자의 화학구조 (출처: , 편집: 김성훈/KRIBB)
미생물 유래의 모노머로 화학합성되는 바이오고분자
최근에 대사공학(metabolic engineering)과 바이오화학(biorefinery) 기술의 발전으로 석유화학에서 생산되는 합성고분자를 미생물로 부터 모노머를 합성 후 화학적으로 중합방법을 통해 고분자를 합성하는 기술이 개발되고 있다. 이 방법은 미생물 발효를 통해 고분자의 전구체인 모노머를 대량생산하고 정제된 모노머를 기존의 화학공정의 폴리머 중합기술로 고분자를 합성하는 방법이다. 석유화학에서 생산된 소재를 바이오 기술로 생산하여 기존에 확립된 화학 합성 방법을 접목한 기술로 바이오 기반의 고분자(biobased polymer)로 불리며 저에너지, 환경친화적 녹색화학(green chemistry) 기술로 평가되고 있다. 대표적인 사례로는 미생물발효에 생산된 젖산을 중합하여 만드는 폴리젖산(polylactic acid 또는 polylactide), 폴리하이드록시뷰티레이트(polyhydroxybutyrate), 에폭시아크릴레이트(epoxyacrylate) 등이 있으며, 이들 제품은 석유화학제품에서 생산된 물질과 구분하기 위해 "바이오 폴리젖산"과 같이 '바이오'라는 명칭을 부가하고 있다. 이러한 바이오 기술을 통한 석유화학기반의 고분자 제품 생산은 그 범위가 점차 확대되는 추세에 있다.
관련용어
미생물, 발효, 호기성, 대사공학, DNA, 균주, 아세토박터, 바실러스, 키틴, 생분해, 효소반응, 리그닌, 셀룰로스, 지방산, 폴리젖산, 글리코겐, 슈도모나스, 폴리뉴클레오타이드, 다당체, 헤미셀룰로스, 펙틴, 그람음성, 체외다당체(exopolysaccharide), 바이오화학(biorefinery), 녹색화학(green chemistry)
집필
김성훈/한국생명공학연구원
감수
송홍규/강원대학교
참고문헌
1. Brooks, S.A., Dwek, M.V., and Schumcher, U. 2002. Polysaccharide. In Brooks, S.A., Dwek, M.V., and Schumcher, U. (eds.), Functional and Molecular Glycobiology, pp. 49-72. BIOS Scientific Publishers, Oxford, UK.
2. Glick, B.R., Pasternak, J.J., and Patten, C.L. 2017. Industrial and environmental uses of recombinant microorganisms. In Glick, B.R., Pasternak, J.J., and Patten, C.L. (eds.), Molecular Biotechnology: Principles and applications of recombinant DNA, 5th edn., pp. 403-474. ASM Press, Washington, USA.
3. Stephanopoulos, G.N., Aristidou, A.A., and Nielsen, J. 1998. Examples of pathway manipulations: Metabolic engineering in practice. In Stephanopoulos, G.N., Aristidou, A.A., and Nielsen, J. (eds.), Metabolic engineering-principles and methodologies, pp. 203-283. Academic Press, San Diego, USA.