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Background
유용 단백질은 인체에서 면역 기능, 호르몬 및 효소
합성에 기여하고, 피부 탄력 증진 기능이 있는
단백질이다. 유용 단백질을 자연 상태에서 얻으면
아주 극소량으로 밖에는 얻을 수 없어서 가격이
매우 높다.
미생물은 이분법을 통해 기하급수적으로 증식하기
때문에 유용 단백질을 생산하도록 유전자를 재조합
하면 미생물을 생산공장으로 이용하여 대량생산이
가능해진다.
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유전자 재조합 기술이 발전하면서 복잡한 형태의 단백질도 합성할 수 있는 기술이 개발되었고, 이렇게 개발된 유용 단백질은 제약,
화장품, 식품 분야에서 특수 소재로서 사용되고 있다.
Why Ultrasonic Technology?
미생물 내의 유용단백질을 얻기 위해서는 먼저 세포를 파쇄해야 한다. 일반 초음파 분산기는
세포의 파쇄에 유용하게 사용되는 장비이나 산업규모의 대용량의 처리에는 부적합하다.
그 이유는 기존 초음파 분산기는 실험실 규모에서 scale up 할 때 probe 출력 면적을 크게
할수록 amplitude가 감소 (처리 에너지 감소)되어 실험실 규모에서 얻었던 결과를 더 이상
기대할 수 없기 때문이다.
BSP-1200 및 ISP-3000 고출력 초음파장비는 대용량을 처리할 때 probe의 면적을 크게 하더라도
amplitude가 유지되어 최소 20배 더 많은 양을 처리하더라도 실험실 규모와 동일한 결과를 얻을 수 있다.
Cell Disruption of S. cerevisiae (Yeast)
이 실험에서는 유용 단백질인 Alkaline phosphatase (AP) 를 생산하도록 유전자가 재조합 된
효모 (S.cerevisiae) 를 사용하였다. 20% 효모 현탁액 (cell suspension)에 고출력 probe
(high intensity probe)를 고출력 초음파 장비 (LSP-500, BSP-1200)를 사용하여 효모를
파쇄하였고, 실험실 규모와 파일럿 규모에서 얻은 AP 생산량을 비교하였다.
더불어 효모 용해 시약인 CelLyticTM-Y (Sigma, St. Louis, MO)를 사용하여
고출력 초음파 장비와 시약의 AP 생산량을 비교하였다.
실험 방법
| 1. |
AP를 함유한 20% 효모 현탁액을 만든다. |
| 2. |
시료의 온도가 18 oC로 유지되도록 chiller를 연결한다. |
| 3. |
12 mm 직경의 실험용 초음파 분산기의 amplitude를 20 및 75 um로 설정하여 분산 후 AP 농도를 확인한다. |
| 4. |
32 mm 직경의 파일럿 규모용 초음파 분산기의 amplitude를 75 및 95 um로 설정하여 분산 후 AP 농도를 확인한다. |
| 5. |
AP를 함유한 20% 효모 현탁액을 만든다. |
실험 결과
다음은 고출력 probe 초음파 분산기 및 CelLyticTM-Y을 사용하여 파쇄한 효모로부터 얻은
AP 농도를 나타낸 그래프이다
왼쪽은 실험실 규모 고출력 probe 초음파 분산기와 CelLyticTM-Y 의 효모 파쇄 효과를 비교한
그래프이다. 초음파 분산기의 효모 파쇄 효과가 CelLyticTM-Y 을 사용한 경우에 비해 월등히
높았고, amplitude가 20 um 에서 75 um 로 증가함에 따라 파쇄 효과가 증가한 것으로 보아
기기 성능이 사용자의 의도에 따라 조절이 가능한 것을 확인하였다.
오른쪽은 파일럿 규모 고출력 probe 초음파 분산기의 효모 파쇄 결과이다. 실험용 기기와
마찬가지로 amplitude가 증가함에 따라 파쇄효과가 증가하는 기기 성능 조절이 가능한 것을
확인하였다.
다음은 AP 생산량이 200 mIU/ml일 때의 분당처리 속도를 비교한 내용이다.
| 규 모 |
Probe 직경 |
Amplitude |
분당처리속도 |
| 실험용 |
12 mm |
75 ㎛ |
4.5 ml/min |
| 파일럿 |
32 mm |
75 ㎛ |
30 ml/min |
| 파일럿 |
32 mm |
95 ㎛ |
90 ml/min |
| 1. |
일반적인 초음파 분산기의 probe 직경을 크게 하면 amplitude는 감소된다.
이 실험에서 사용한 고출력 probe의 경우, 직경이 12 mm (실험실 규모) 에서 32 mm (파일럿 규모) 로 증가했으나 amplitude의 감소 없이 75 um 로 유지되었다.
Scale up에 따른 초음파 처리량의 변화 (scale up 계수)는 다음과 같이 probe의 직경에 대한 계산으로 쉽게 구할수 있다.
● Scale up 계수 = (DA/DB)2
- DA : Scale up 후 probe의 초음파 출력 직경
- DB : Scale up 전 probe 초음파 출력 직경
이 실험에서의 scale up 계수는 약 7이었고, 실제 처리량도 약 7배 차이가 있는 것으로 보아
scale up 효과를 간편하게 예측할 수 있음을 확인하였다. |
| 2. |
파일럿 규모에서 amplitude가 75 um 에서 95 um로 증가함에 따라 분당처리속도가
30 ml/min 에서 90 ml/min 으로 증가하였다. |
Conclusions
고출력 probe를 사용하면 아래와 같은 이점을 얻을 수 있다.
| 1. |
Scale up에서 probe의 직경을 크게 하여 처리 용량을 높여도 amplitude를 유지하여 실험실
규모에서 얻은 결과를 대용량 규모에서 기대할 수 있다. |
| 2. |
계산한 scale up 계수와 실제 분당처리속도에 따른 scale up 계수가 거의 일치하여 대용량 공정을 간편하게 계획할 수 있다. |
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