식품효소공학 및 탄수화물소재 연구실 Food Enzyme Biotechnology & Functional Carbohydrate Lab.

  연구영역.식품탄수화물·효소공학, 당질학, 기능성 탄수화물, 효소적 생물전환, 식품생물공학, 극한환경효소, 단백질 공학

  연구실. 연세대학교 생활과학대학 (삼성관) 526호    
  전화번호. 02-2123-3124    

  지도교수. 이수복 교수

Our research interests are in 1) food enzyme biotechnology, 2) carbohydrate bioengineering (applied glycoscience), 3) food functionality and nutraceuticals. The first goal to do such researches is to develop new, low energy consuming and clean biocatalytic reactions with highly performing enzymes. The second goal is to create high-valued functional food biomaterials, such as novel oligomeric carbohydrates, branched oligosaccharides, acarbose derivatives, modified starches, natural and biotransformed glycosides, oligopeptides, glycoproteins, and so on, using bioseparation and enzyme reaction engineering. The third goal is to evaluate physicochemical and physiological properties of bioactive compounds including nutraceuticals and elucidate the relationship between structure and function of functional food ingredients. To achieve above goals, we are developing tools and combining innovative processes for genome-based screening of applied biocatalytic enzymes, enzymatic reaction process, molecular evolution, evaluation of food functionality in model food and nutritional bioavailability, bioseparation, and kinetic reaction mechanism.

The major ongoing research projects are as follows.

1. development and application of functional bioactive carbohydrates
2. creating novel enzymes from useful microorganisms including extremophiles
3. bioseparation of natural glycosides, biotransformation and bioavailability
4. glycosyltransferase and reaction mechanism of transglycosylation
5. bioactive peptides and proteins
6. structure and function of enzyme

본 연구실에서는 식품의 중요 자원인 탄수화물 (전분, 펙틴 등 다당류, 소당류, 식품 배당체 등) 당질원료의 효소적 생물전환기술을 효소공학, 당질공학, 유전공학적 기술을 병합하는 창의적 핵심기반기술로서 확립하고 이를 활용하여 식품생물산업에 유용한 기능성 탄수화물 신소재의 개발을 가능케하여 기능성 식품소재화하는 방안을 연구하고 있으며, 이를 통해 식품 효소공학, 탄수화물화학 및 식품생물공학의 새로운 지식을 창출하고자 한다. 이러한 효소적 생물전환방법의 개발과 이를 활용한 유용한 신소재의 합성, 그리고 이 생물전환체의 구조와 응용적 기능 특성의 상관성을 연구함은 효소 및 당질공학(glycotechnology)과 분자진화기술(molecular evolution)을 기반으로 식품, 의약품 및 화장품 소재로의 산업적 응용가치를 탐색하는 식품생명공학적 기술개발에 해당한다.

탄수화물은 단순한 생체구성물질 또는 에너지원으로서의 역할이외에 그 구조적 다양성으로 인하여 식품의 기능적 물성개선, 영양생리적인 대사활성, 생체기능의 정보전달과 인식, 면역 등의 생명기작 매개물질로서 관여하는 등 의약 및 식품기능성 소재로서 폭넓은 활용성을 지닌 고부가가치 생물산업소재로 다각적인 연구가 진행되고 있다. 특히, 식품산업에서 다양한 올리고당류, 분지올리고당류(branched oligosaccharides), 변형 전분류(modified starch) 등은 난소화성으로 충치예방, 장내유용미생물 증식, 저칼로리 성분이고, 이에 기초하여 변비증상개선, 중성지질저하, 혈당개선, 대장암 발생저하 등의 생리기능적 활성을 지니고 있다. 당질이 비당체에 결합된 식물성 배당체 화합물(glycosides)은 항암, 항염증, 항콜레스테롤, 혈청지질개선, 면역강화 등의 생체조절기능을 갖고 있으며 생물전환방법에 의해 이화학적, 생리활성적 기능성이 증대된 배당체유도체는 보편적으로 물에 대한 용해도 및 화학적인 안정성이 크게 증가하고, 각 화합물에 따라 항고지혈, 항미생물, 항종양, 면역활성강화 등 다양한 생리활성이 개선, 보강된다고 보고되고 있다. 이처럼 탄수화물관련 물질들은 식품 및 생명공학산업에 응용성이 높은 식품소재로서 가치를 지닌다. 또한, "당생물학(glycobiology)"의 발달로 인하여 소당류의 탄수화물로 이루어진 물질들이 세포의 부착(adhesion), 분화(differentiation), 발달(development), 조절(regulation)등의 중요한 역할에 관여하고 있다는 사실이 밝혀지면서 당으로 이루어진 화합물에 대한 관심이 크며, 복잡한 당화합물의 신규합성이나 대량생산이 필요하다. 따라서, 응용성이 넓은 생리활성 식품성분으로 새로운 탄수화물 기능성 소재 (food-grade functional carbohydrates)에 관한 연구의 중요성이 강조된다.

유용한 효소를 개발하고자 다양한 극한환경미생물(extremophile)을 이용하는 연구는 매우 흥미롭다. 극한환경미생물은 1990년대부터 일본과 유럽에서 주로 시작되어 왔는데, 높은 온도, pH, 염농도 등의 극한 환경에서 생육이 가능한 미생물을 일컫는다. 특히 생육온도가 70-80℃ 이상에서 자라는 초고온성균들은 다양한 탄수화물 대사 관련 효소들을 생성하고, 대부분 높은 온도에서도 강한 활성을 나타내며 고온의 다양한 효소반응에서 정제의 용이, 단백질 변성에 대한 강한 저항성, 기질 용해도의 증가 및 반응속도의 증가와 반응 중 오염 감소 등 기존의 중온성 효소들에 비해 여러 장점을 지니고 있다. 따라서, 초고온성 미생물로부터 다양한 효소의 유전자를 스크리닝하고 발현시켜 효소의 특성을 파악하여 새로운 응용성을 찾는 연구는 극한환경미생물의 생존을 가능하게 하는 효소에 대한 기초생화학적 측면과 특수한 환경에서 우수한 활성을 보이는 효소를 이용한 부가가치 높은 신기술의 창출이라는 응용적 측면에서 중요하다. 초고온균의 생육에 중요한 다당류의 분해, 수송과 분해된 당을 이용한 세포내 물질의 생합성에 관련된 다양한 당전이 효소에 관한 연구는 그 중요성에도 불구하고 연구가 많이 부족하며, 최근 생물정보학(bioinformatics)과 비교 유전체학(comparative genomics)에 기반을 둔 초고온 미생물유래 효소의 탐색과 선별, 그 생화학적 연구 및 반응특성과 이의 응용성에 관한 창의적 연구가 필요하다. 또한, 여러 종류의 효소를 복합적으로 사용하여 새로운 종류의 당전이산물 또는 당구조체를 생산하려는 창조적 연구는 앞으로 많이 경주되어야하며 이는 학문적, 실용적 파급효과가 크다.