식품, 식품영양학, 식품 공무원, 농학과 농축산식품이용학 5. 생물공학

제5장 생물공학

▣ 학습목표
1. 생물공학에서 미생물의 가치 및 역할
2. 미생물 보존방법, 보존되었던 미생물의 사용 과정
3. 발효물질 생산 과정
4. 장류, 김치, 탁주, 포도주, 맥주, 요구르트 등 주요 발효식품 제조 미생물
5. 효소이용체계
6. 유전공학의 개념 및 유전공학적 방법 이용 체계

▣ 강의흐름
생물공학의 개념 및 분야 소개
↓
생물공학에서 미생물이 주 생물체로 이용되는 이유
↓
발효공학 응용방법 및 분야
↓
효소공학 이용체계 및 분야
↓
유전공학 체계 및 특성


▣ 주요용어
모균주 : 보존되어 있는 균주
냉동건조 : 냉동상태에서 건조함으로서 피건조물에 손상을 최소화 하는 건조방법
조추출액 : 정제 되지 않은 상태의 발효 생산물
이온교환 크로마토그라피 : 분리하고자 물질이 이온교환 수지의 특정이온에 결합하도록 한 후 이온교환수지와 결합력이 강한 이온을 첨가하여 물질을 분리해 내는 정제 방법
고정화 : 특정 물질을 고체 매질에 결합 시켜 고정하는 것
친화 크로마토그라피 : 특정 물질을 고형 매질의 작용기에 특이적으로 결합시켜 다른 물질 과 분리하여 정제하는 것
위치특이 돌연변이 : DNA의 특정 부위(deoxyribonucleotide)만을 특이적으로 변환 시키는 돌연변이법
극한 효소 ; 극한 조건(고온, 저온, 강산, 강알칼리)에서 활성이 높거나 유지하는 효소
유전공학 : 유전자를 다른 생물체에 옮기거나 변화시켜 유용한 물질 혹은 생물체를 생산하 는 기술
유전자 조작 생물체 : 유전 공학적 방법에 의해 제조된 생물체
클론 : 복제된 유전자 혹은 생물체
클로닝 : 동일한 유전자 혹은 동일한 유전정보를 가지는 생물체를 대량으로 생산하는 것

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* 생물공학

1. 발효공학
(1) 발효의 의미
협의 : 혐기 에너지생산대사
광의 : 미생물을 이용하여 유용물질 생산
(2) 발효공학 분야
발효식품 : 장류, 발효주, 김치, 발효유제품, 발효육제품
유용물질 생산 : 항생물질, 효소, 호르몬, 유기산, 유기용매

2. 효소공학
가치 개선 : 감미도 증가(invertase), 고기연도개선(bromeline), bifidus factor(lysozyme),
과일주스 청정화(pectinase)
가공식품 생산 : 치즈제조(chymosin)
품질 유지 : 산화 방지(glucose oxidase)

3. 유전공학
유용물질 생산 : 효소, 호르몬
형질전환 생물체 : 멸강나방 방제 옥수수, 비타민A 강화 벼

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* 미생물


설명
미생물은 다음과 같은 특징이 있어 생물공학의 주생물체로 널리 이용된다.
① 영양요구단순, 번식 조절 용이
② 미생물유지, 번식을 위한 시설과 기구가 간편하고 공간이 많이 필요하지 않음
③ 미생물종류가 많고 각기 특성이 다르기 때문에 필요한 특성을 가지는 미생물을 분리할 수 있음
④ 미생물이 생산한 물질을 분리, 정제하기가 용이함
⑤ 유전정보의 숫자가 적고 유전자 구조가 간단하여 유전자를 변환시키기 용이함

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*발효의 응용과정



설명
1. 미생물 분리, 선발
목표로 하는 특성을 가지는 미생물들을 분리하고 이들 중 가장 우수한 미생물을 선발한 다.
2. 미생물의 보존
선발된 미생물을 보존하여 필요할 때 사용할 수 있도록 한다.
3. 발효식품 제조
발효식품제조에 이용하기 위해 선발한 미생물은 식품원료에 접종하여 발효식품을 제조한다.
4. 유용물질을 생산하기 위해 선발한 미생물을 대량으로 번식한 후 해당물질을 미생물로 부터 분리, 정제한다.

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* 미생물관리

설명
1. 유의 사항
(1) 생산성 유지
보관중 세포분열을 지속하면 환경이 악화하여 사멸한다. 세포 분열과정에서 돌연 변이가 생길 수 있어 특성이 변화하여 생산성이 저하한다.
(2) 오염 방지
다른 미생물이 오염되면 선발된 미생물의 숫자가 감소 할 뿐만 아니라 오염된 미생물의 특성이 바람직하지 않기 때문에 사용할 수 없게 된다. 특히 선발된 미생물을 숙주로 하는 virus가 오염되면 선발 미생물이 모두 사멸한다.
2. 저장 방법
(1) 냉장 저장
냉장온도에서 느리긴 하지만 번식을 하기 때문에 수일간만 보존할 수 있다.
(2) 냉동저장
세포분열을 중단하기 때문에 수년간 보존 할 수 있다. 동결시 얼음결정에 의해 세포가 상해를 받는데 glycerol과 같은 내동제를 첨가하면 동결에 의한 상해를 방지 할 수 있다. 액체질소에 저장하면 얼음경정이 작게 형성되기 때문에 상해를 줄일 수 있다.
(3) 냉동건조
미생물의 대사가 중단되기 때문에 매우 장기간 보관 할 수 있다.

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* 발효공학
  생산물 분리, 정제
  미생물 배양액
↙ ↘
세포내 생산 세포외 분비
↙ ↘
미생물 세포체 회수 미생물 세포체 제거
↙ ↘
세포벽 파괴 배양여액 농축
↓ ↓
세포파편 제거 ↓
↘ ↓
정제(염석, pH 조절, 크로마토그라피)

설명
1. 물질의 생산
미생물이 생산하는 물질은 미생물 대사의 중간 산물 혹은 최종 산물이다. 이 물질들은 미생물체의 필요에 따라 생산하여 세포내에 머무르거나 세포 밖으로 분비 된다.
2. 세포내 물질의 분리, 정제
미생물체를 원심분리 혹은 filter에 의해 분리 한 후에 미생물세포벽을 파괴하여 내부 내용물을 밖으로 나오도록 한다. 세포 파편은 원심분리에 의해 제거한다. 이 조추출액을 염석, pH 조절, 크로마토그라피의 방법으로 해당물질을 분리, 정제한다.
3. 세포외 분비 물질의 분리, 정제
미생물체를 원심분리 혹은 filter에 의해 분리하여 제거하고 남은 배양여액을 사용한다. 배양여액을 염석, pH 조절, 크로마토그라피의 방법으로 해당물질을 분리, 정제한다.
4. 정제 방법
(1) 용해 특성
① 염석(salting out)
물질들은 각기 소금 혹은 황산암모니움 에 용해하는 성질, 즉 이들 농도에 따라 용해 혹은 침전하는 특성이 다르다. 이러한 용해 특성을 이용하여 목표로 하는 물 질을 다른 물질과 분리할 수 있다.
② pH
물질들은 각기 등전점이 다르기 때문에 pH에 따라 용해하는 성질, 즉 용해 혹은 침전 하는 특성이 다르다. 이러한 용해 특성을 이용하여 목표로 하는 물질을 다른 물질과 분리할 수 있다.
(2) 크로마토그라피
크로마토그라피 란 혼합용액을 고형지지체를 통과하여 물질들이 지지체에 머무는 시간 혹은 흡착정도의 차이에 따라 물질들을 분리하는 방법을 일컫는다.
① Gel filtration
분자량에 따라 고형 지지체를 통과하는 시간이 다른 것을 이용하여 물질을 분리하는 방법이다.
② 이온교환 크로마토그라피(ion exchange chromatography)
물질들의 전하의 차이에 따라 이온교환수지에 결합하는 결합력의 차이에 근거하여 물질을 분리하는 방법이다.
③ 친화 크로마토그라피(affinity chromatography)
분리하고자 하는 물질이 가지고 있는 작용기에 근거하여 물질을 분리하는 방법이다.

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*  발효식품


1. 장류
개량식 메주로 제조하는 장류의 미생물은 Aspergillus oryzae 이나 재래식 메주로 제조하는 장류의 미생물은 지방, 가정에 따라 매우 다양하다.
2. 김치
제조과정에 번식하는 미생물은 여러가지 종류이나 Leuconostoc mesenteroides 가 김치 맛에 가장 많이 기여한다.
3. 발효주
탁주의 미생물 급원은 누룩인데 누룩에 서식하는 미생물은 곰팡이, 효모, 박테리아 등 여러종류이다.

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* 효소 특성


설명
1. 반응속도
효소는 유기 촉매이기 때문에 효소반응은 반응속도가 매우 빠르다.
2. 반응특이성
효소마다 특정 반응만을 촉진하고, 특정 기질에 대해서만 반응 하기 때문에 목표로 하는 반응 외에는 반응이 일어나지 않는다.
3. 반응 조건
효소마다 반응조건이 틀리므로 경제적인 조건, 성분이 변화하지 않는 조건에서 잘 반응하는 효소를 선택 할 수 있다.
4. 반응의 지속성
효소는 반응을 마친 후에는 기질과 분리되기 때문에 변성이 일어나지 않는 한 계속해서 반응을 할 수 있다. 그러므로 효소를 회수할 수 있다면 장기간 사용할 수 있다.

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* 효소 이용체계
생산원 탐색, 결정
↓
생산 최적 조건 확립
↓
효소 생산, 정제
↓
효소반응 최적 조건 확립
↓
효소 이용

설명
1. 생산원 탐색, 결정
생산원은 주로 미생물이다. 목표로 하는 반응이 나타나는 자연계의 장소에서 해당 효소를 생산하는 미생물을 분리할 수 있다.
2. 생산 최적 조건 확립
미생물이 잘 번식하면서 목표로 하는 효소를 최대한으로 생산할 수 있는 조건, 즉 영양소, pH, 온도 등의 조건을 확립한다.
3. 효소 생산, 정제
효소의 정확한 특성을 알기 위해서는 효소를 정제해야 한다.
4. 효소반응 최적조건 확립
효소의 활성이 가장 높은 기질의 농도, pH, 온도, 반응촉진 물질 등을 조사한다.
5. 효소의 이용
효소를 최적 조건에서 이용한다.

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* 효소이용 기술
고정화(immobilization)
재사용, 연속반응, 안정화
효소변환(modification)
효소 특성(반응성, 안정성) 개선
인공효소(enzyme mimetics)
특별한 특성의 효소 제조
극한 효소(extremozyme)
고온성 효소, 저온성 효소

설명
1. 고정화
① 효소를 지지체에 고정하면 반응 후 회수하여 다시 사용할 수 있다.
② 효소지지체를 관에 충전한 후 반응액을 관으로 통과 시킴으로서 반응을 연속적으로 실 시 할 수 있다.
③ 효소를 지지체에 고정하면 효소의 3차구조가 지지되어 안정성이 증가한다.
2. 효소변환
특정 물질을 효소에 결합하거나(chemical modification), 유전자의 일부를 변환하여 아미노산 구성을 부분적으로 바꾸어 효소의 특성을 개선 할 수 있다.
3. 인공 효소
특정 효소의 축적된 정보에 근거하여 특성이 훌륭한 효소를 제조할 수 있다.
4. 극한 효소
고온성 효소 : 65℃ 이상의 높은 온도에서 활성이 높고 안정한 효소를 사용하면 미생물 오염 없이 반응 할 수 있다.
저온성 효소 : 냉장온도에서 활성이 높은 효소를 원료를 냉장 보관하는 과정에서 오염 미 생물의 번식을 최소화 하면서 반응시킬 수 있다.

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* 효소의 응용
탄수화물 가공효소
amylase, lactase, invertase, cellulase
단백질 가공효소
chymosin, papain, bromeline
과채류 가공효소
pectinase, naringinase
첨가물
glucose oxidase, lysozyme, catalase

설명
1. 탄수화물 가공효소
amylase : 녹말을 분해하여 발효 원료로 잘 이용될수 있도록 하거나 감미를 증가 한다.
lactase : 우유의 lactose를 분해하여 유당소화장애 없이 우유를 먹을 수 있도록 한한다.
invertase : 설탕을 glucose와 fructose로 분해하여 감미를 증가한다.
cellulase : 섬유소를 분해하며, 유아 식품을 부드럽게 한다. 폐수 처리 시 미생물에 의해 잘 이용될 수 있도록 하기 위해 섬유소를 분해한다.
2. 단백질 가공효소
chymosin : 우유 casein을 안정하게 하는 κ-casein을 분해하여 casein이 응고한 curd 가 형성되도록 한다. 치즈제조에 사용된다.
papain, bromeline : 질긴 고기를 연하게 한다.
3. 과채류 가공효소
pecctinase : 과일의 pectin 물질을 분해하여 맑은 과일 쥬스를 생산할 수 있다.
naringinase : 귤의 쓴맛 원인 성분인 naringin을 분해하여 쓴맛을 없앤다.
4. 첨가물
glucose oxidase : 포장 용기에 glucose와 함께 첨가하면 산소를 소모하면서 glucose를 산화하여 포장 용기내의 산소를 제거 할 수 있다.
lysozyme : 그람양성세균의 세포벽을 분해하기 때문에 살균 기능이 있다. bifidus factor이며 조제유에 첨가 한다.
catalase : 과산화수소로 살균한 우유 포장 용기에 남아 있는 과산화수소를 분해, 제거 한다.


* 유전공학 이용체계

설명

1. 생물체 선발
목표로 하는 형질을 가지고 있는 생물체를 선발한다.
2. 유전자 분리
선발한 생물체로 부터 유전자를 분리한다.
3. 운반체 삽입
분리된 유전자를 이용하기 위해서는 량을 증가해야 한다. 분리된 유전자는 일반적으로 E. coli 에 삽입하여 대량으로 생산하는데 E. coli 에 삽입하고, E. coli 가 증식할 때 세포체와 함께 복제 되어 증가하기 위해서는 유전자를 운반하는 운반체에 결합시켜 사용한다. 유전자 운반체로는 plasmid가 많이 사용된다.
4. E. coli 에 전이
분리한 유전자가 삽입된 운반체를 E. coli 에 전이 한다.

형질 전환 생물체 제조
5. 유전자 cloning
유전자가 삽입된 운반체가 전이된 E. coli를 증식하면 유전자와 운반체가 복제되어 량이 증가한다. E. coli로 부터 유전자 운반체를 대량 생산 분리한다.
6. 형질전환 생물체 제조
유전자 운반체를 형질을 전환 시키고자 하는 생물체에 전이하여 분리된 유전자가 생물체에 염색체의 일부로 정착되도록 함으로서 형질전환 생물체를 제조한다.
7. 농축산 식품 생산
형질전환 생물체에 전이된 유전자가 발현되어 특성이 개선된 농축산 식품 혹은 생물물질을 생산 할 수 있다.


물질 특성 개선
5. 유전자 cloning
유전자가 삽입된 운반체가 전이된 E. coli 를 증식하면 유전자와 운반체가 복제되어 량이 증가한다. E. coli 로 부터 유전자 운반체를 대량 생산 분리한다.
6. 유전자 변환
대량으로 생산된 유전자를 변환하여 목표로 하는 유전정보의 유전자료 변환 한다.
7. 물질 특성 개선
변환된 유전자를 E. coli 에 전이하여 발현시킴으로서 특성이 개선된 생물물질을 생산하여 농축산식품가공에 사용한다.

재조합 단백질 생산
5. 재조합 단백질 생산
유전자가 전이된 E. coli를 증식하면 전이된 유전자에 해당하는 단백질이 생산된다. 이 단백질을 분리하여 농축산식품가공에 이용한다.

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*유전공학의 특성

정확성
대량 생산
형질전환 생물체 생산
생태계 부조화

설명
1. 정확성
형질의 근거가 되는 유전자를 사용하기 때문에 특성 변화를 정확하게 예측 할 수 있다.
2. 대량 생산
유전자를 번식이 용이한 미생물에 전이하기 때문에 유전자, 유전자 발현물질을 대량으로 생산 할 수 있다.
3. 형질전환 생물체 생산
생물체의 돌연변이를 인위적으로 함으로서 형질이 변화한 형질전환 생물체를 만들기가 용이하다.
4. 생태계 부조화
유전자의 변화가 자연적으로 일어난 것이 아니기 때문에 생태계에서 조화되지 못하여 나타나는 현상을 예측하기 어렵다.

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연습문제
1. 생물공학에서 미생물이 주 생물체로 이용되는 이유는 무엇인가 ?(화면2)
2. 냉동 건조된 미생물의 저장가능기간이 매우 긴 이유는 무엇인가 ?(화면 4)
3. 효소를 이용한 가공에서 부반응의 염려가 없는 이유는 무엇인가 ?(화면 7)
4. 고정화 효소의 장점을 대별하시오(화면 9)
5. 고온성 효소의 장점을 제시하시오(화면 9)
6. 유전자 조작식품이 가지는 문제는 무엇인가(화면 12)

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강의내용 핵심 정리
1. 생물공학 개념
개념 : 생물체로 부터 유용한 물질을 생산하는 분야
분류 : 발효공학, 효소공학, 유전공학
2. 미생물이 생물공학의 주생물체로 이용되는 이유
① 영양요구가 간단하고 번식조절이 용이하다.
② 관리 기구와 시설이 간단하고 넓은 공간이 필요하지 않다.
③ 미생물들은 각기 독특한 특성을 가지고 있어 필요한 형질을 가지는 미생물을 구할 수 있다.
④ 미생물이 생산한 물질을 분리, 정제하기가 용이하다.
⑤ 유전자구조가 간단하여 조작이 용이하다.
3. 발효공학
(1) 발효공학 응용과정
미생물분리, 선발→미생물 보존→발효식품제조 혹은 유용물질 생산
(2) 미생물 저장방법
① 냉장저장, 냉동저장, 냉동건조 방법이 있다.
② 냉장온도에서 미생물은 세포분열을 하기 때문에 저장가능기간은 수일에 불과하다.
③ 냉동건조하면 대사가 중단되기 때문에 저장가능기간이 대단히 길다.
(3) 발효공학 응용 분야
발효식품 : 장류, 발효주, 침채류, 발효유육제품
4. 효소공학
(1) 효소 특성
① 반응속도가 매우 빠르다.
② 반응의 특이성이 있어 부반응이 없다.
③ 온화한 조건에서 반응할 수 있어 성분 변화의 염려가 없다.
④ 반응 후 효소를 회수하여 재사용 할 수 있다.
(2) 효소이용 기술
고정화 : 재사용 가능, 연속 반응 가능, 효소 안정성 증진
효소변환 : 기능을 개선할 수 있음
극한 효소 : 유용한 극한조건에서 반응함으로서 미생물 오염 방지, 냉장보관중의 처리 등의 잇점이 있음.
5. 유전공학
(1) 장점
① 특성을 정확하게 변화시킬 수 있다.
② 유전자를 번식 및 유전자 발현이 왕성한 생물체에 전이함으로서 유전자와 발현 물질을 대량으로 생산 할 수 있다.
③ 필요한 형질을 가지는 생물체를 생산할 수 있다.
(2) 단점
생태계에서의 부조화에 기인하는 현상을 예측할 수 없다.

목숨을 구해줬더니 뺨 맞는 오토바이 레이싱 선수

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