대장균 β-Galactosidse를 이용한 1, 2-Hexanediol galactoside의 합성과 Ethyl Acetate 추출 및 Silica Gel Chromatography를이용한 정제

김이옥,정경환,Kim, Yi-Ok,Jung, Kyung-Hwan 한국응용과학기술학회 2016 한국응용과학기술학회지 Vol.33 No.3

선행연구에서 화장품 소재로서 보습력과 방부력을 가지고 있는 1, 2-hexanediol (HD)의 transgalactosylation 반응을 통하여 galactose한 분자가 HD에 결합한 1, 2-hexanediol galactoside (HD-gal)의 합성을 확인하였다. 본 연구에서 재조합 ${\beta}$-galactosidase (${\beta}$-gal)가 발현된 Escherichia coli (E. coli) 세포를 이용하여 약 94%의 수율로 HD-gal가 합성되는 것을 관찰하였고, HD-gal을 합성한 후, 보다 효과적인 HD-gal의 정제 방법에 대하여서도 연구하였다. 먼저 고농도의 lactose (300 g/l) 존재 하에서 ${\beta}$-gal을 함유한 E. coli 세포를 이용하여, 48 시간 동안 75 mM의 HD로 부터 HD-gal이 합성되는 것을 TLC 분석으로 확인하였고, 반응액에서 E. coli ${\beta}$-gal의 존재를 Western blotting으로 확인할 수 있었다. HD-gal을 효과적으로 순수 정제하기 위하여, 용매를 사용하여 transgalactosylation 반응이 끝난 후 잔여 HD를 우선 제거하고, 이어서 silica gel chromatography를 수행하는 방법을 실시하였다. 물에 녹지 않는 용매로는 methylene chloride와 ethyl acetate를 선택하여 비교 실험하였는데, ethyl acetate를 사용하여 4회 물층을 분획하여, 잔여 HD를 효과적으로 제거할 수 있었다. 그 후, 이어서 silica gel chromatography 수행하여, 순수한 HD-gal을 효과적으로 정제하였다. 반응에 첨가된 75 mM의 HD를 기준으로 최종 정제된 HD-gal의 생산 수율은 mole 기준으로는 약 $8.9{\pm}0.6%$ (n=3), weight 기준으로 약 $21.1{\pm}1.4%$ (n=3) 정도였다. 앞으로 이러한 정제 방법을 이용하여 얻은 HD-gal의 항균력 변화를 HD와 비교하여 평가할 예정이고, 피부세포에 대한 독성 변화를 역시 HD와 비교하여 분석할 예정이다. 1, 2-Hexanediol galactoside (HD-gal) has been previously synthesized from 1, 2-hexanediol (HD), in which recombinant ${\beta}$-galactosidase (${\beta}$-gal) of Escherichia coli (E. coli) was used for transgalactosylation reaction. In this study, a method for HD-gal purification from the reaction mixture was particularly investigated. Using ${\beta}$-gal-containing E. coli, HD-gal was synthesized from 75 mM HD for 48 hr under 300 g/l lactose concentration. Then, HD-gal synthesis from HD was confirmed by TLC analysis, and the existence of E. coli ${\beta}$-gal during 48 hr-reaction was also confirmed by Western blotting, in which the conversion yield of HD to HD-gal reached about 94% during 48 hr. To establish an efficient method for HD-gal purification, we carried out the solvent extraction of the reaction mixture, followed by silica gel chromatography, particularly in order to remove the residual HD. Two water-immiscible solvents, such as methylene chloride and ethyl acetate, were investigated comparatively to find out appropriate solvent. Then, it was found that residual HD was almost removed when ethyl acetate extraction of water phase of reaction mixture was carried out four times. Subsequently, silica gel chromatography was carried out, and purified HD-gal could be finally obtained. The production yield for HD-gal from 75 mM HD was $8.9{\pm}0.6%$ (n=3) (mole basis) or $21.1{\pm}1.4%$ (n=3) (weight basis). For further study, using purified HD-gal, we will investigate the minimum inhibitory concentrations (MICs) of HD-gal against bacteria. In addition, cytotoxicity to human skin cells of HD-gal will be examined.

Surface-aerated fermentor에서 Pachysolen tannophilus를 이용한 glycerol로 부터 ethanol 생산

김이옥(Yi-Ok Kim),최운용(Woon-Yong Choi),강도형(Do-Hyung Kang),이현용(Hyeon-Yong Lee),정경환(Kyung-Hwan Jung) 한국생명과학회 2013 생명과학회지 Vol.23 No.7

본 연구에서 glycerol에서 ethanol을 생산할 수 있는 P. tannophilus ATCC 32691를 선별하여, ethanol 생산조건에 대하여 조사하였다. Ethanol 생산 시, 미량의 공기 공급이 매우 중요함을 확인하였고, 이를 위하여 발효조에서 surface aeration 방법을 통하여 ethanol 생산을 시도하였다. Glycerol이 포함된 YPG 배지(1% yeast extract, 2% peptone, 2% glycerol)에서 ethanol을 생산하는 최적 조건은 880 ml의 배양액에 500 ml/min의 공기를 surface aeration 방법으로 공급하면서, 300 rpm의 agitation speed로 운전할 경우였다. 이 조건을 이용하여 fed-batch 배양을 실시한 결과 배양시작 후, 90시간에 이르러 ethanol이 최고 5.74 g/l 생산되었고, glycerol에 대한 ethanol 수율(Ye/g)은 0.166 이었다. We investigated ethanol production from glycerol after screening of the yeast Pachysolen tannophilus ATCC 32691. For yeast to produce ethanol form glycerol, it is important that aeration is finely controlled. Therefore, we attempted to produce ethanol using a surface-aerated fermentor. When 880 ml of YPG medium (1% yeast extract, 2% peptone, 2% glycerol) was used to produce ethanol, the optimal aeration conditions for ethanol production were a surface aeration rate and agitation speed of 500 ml/min and 300 rpm, respectively. In a fed-batch culture, the maximum ethanol production and the maximum ethanol yield from glycerol (Ye/g) was 5.74 g/l and 0.166, respectively, after 90 hr using the surface-aerated fermentor.

β-galactosidse 함유하는 재조합 대장균 세포를 이용한 1,2-hexanediol galactoside의 합성

김이옥(Yi-Ok Kim),정경환(Kyung-Hwan Jung) 한국생명과학회 2016 생명과학회지 Vol.26 No.5

최근 화장품에 쓰이는 방부제에 대한 피부 부작용이 보고되고 있다. 그 중에서 1,2-hexanediol (HD)는 방부기능과 보습기능을 가지고 있는 물질로 알려져 있는데, 본 연구에서는 보다 안전한 화장품용 소재를 개발하기 위하여 β-galactosidase (β-gal)을 함유하고 있는 대장균 세포를 이용한 transgalactosylation 반응을 통하여 1,2-hexanediol galactoside (HD-G)을 합성하는 연구를 수행하였다. 이 반응은 높은 농도의 lactose (300 g/l) 조건에서 24시간 동안 수행되었으며, 반응 시간이 12시간 지난 후부터 새로운 spot이 TLC 분석으로 확인되었다. 이 spot을 잠정적으로 HD-G로 추정한 후, 이 물질을 silica gel chromatography로 정제한 후, mass spectrometry 분석을 통하여, 이 물질이 HD-G의 sodium adduct ion ([M+Na]+, m/z=303.1423)임을 확인하였다. 추가적으로 정제된 HD-G를 시판되는 β-gal을 이용하여 가수분해하고, 유리된 단당류를 TLC로 분석하여 보았다. 이 때, galactose 한 분자가 HD-G로부터 유리 되는 것을 확인하였다. 결론적으로, 재조합 대장균 β-gal을 이용하여 HD로부터 HD-G이 합성되었음을 확인할 수 있었으며, 앞으로 추가연구를 통하여 항균력의 변화와 피부세포에 대한 세포독성 변화를 조사할 예정이며, 기능성에 변화가 없는 보다 안전한 화장품용 방부제가 개발되기를 기대하고 있다. Recently, it has been reported that some preservatives used in cosmetics lead to skin problems. Among the many cosmetic ingredients, 1, 2-hexanediol (HD) is used as both a preservative and humectant. In order to develop safer ingredients, we studied the synthesis of 1, 2-hexanediol galactoside (HD-G) by a transgalactosylation reaction using β-galactosidase (β-gal)-containing recombinant Escherichia coli cells. The transgalactosylation reaction was carried out under high-lactose conditions for 24 hr. After 12 hr had elapsed, a new spot was identified by thin-layer chromatography (TLC) analysis, and we presumptively designated this new spot as HD-G. Then, we carried out the purification of the presumptive HD-G spot from the reaction mixture by using silica gel chromatography, and its mass was measured by electrospray ionization-mass spectrometry. The purified new spot on the chromatograph was identified a sodium adduct ion ([M+Na]+, m/z = 303.1423) of HD-G. In addition, when purified HD-G was hydrolyzed using commercially available E. coli β-gal, it was observed that a galactose molecule was released from HD-G. That is, it was demonstrated that HD-G is a galactoside derivative of HD. Finally, we confirmed that HD-G was enzymatically synthesized by E. coli β -gal as a new molecular entity. In the future, we plan to determine the minimum inhibitory concentrations of HD-G against different bacterial species. The cytotoxicity of HD-G against human skin cells will also be examined. It is expected hopefully that the galactosylation of HD would improve the functionality of HD-G.

베타-갈락토시데이즈를 이용하여 합성한 1, 2-Hexanediol Galactoside의 보습력과 항균력에 대한 연구

김이옥 ( Yi-ok Kim ),정경환 ( Kyung-hwan Jung ) 대한화장품학회 2017 대한화장품학회지 Vol.43 No.4

재조합 대장균의 β-galactosidase (β-gal)을 이용하여 transgalactosylation 반응으로 1, 2-hexanediol galactoside (HD-gal) 합성을 수행하였다. 먼저, 합성 반응을 수행할 때의, β-gal의 양, 1, 2-hexanediol (HD)의 양, 반응 pH, 반응 온도 등 반응조건을 최적화하였다. β-Gal은 4.8 U/mL, HD는 75 mM, pH는 7.0, 온도는 37 ℃의 조건이 최적 합성 조건이었으며, 이때, 약 96%의 HD가 HD-gal로 conversion 되었다. 그리고, 돼지 epidermis를 이용하여 HD와 HD-gal의 water holding capacity (WHC)를 비교 측정하여 보았는데, 이때, epidermis 표면에 HD와 HD-gal을 84.4, 126.6, 168.8, 211.0 mM을 처리하였으며, 84.4, 126.6, 168.8 mM의 HD와 HD-gal을 처리하였을 경우 HD-gal이 HD보다 더 큰 WHC 값을 보여 주었고, 168.8 mM의 경우에는 HD-gal이 HD와 비교하여 최대 약 20% 정도의 더 큰 WHC 값을 보여 주었다. 그러나, HD-gal의 MIC (minimal inhibitory concentration) 값을 측정해 본 결과, Enterococcus faecalis의 경우에는 HD의 MIC와 같았으나, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus의 경우에는 약 3배에서 10배까지 HD-gal의 MIC 값이 HD에 비하여 증가되는 현상이 관찰되었다. 결론적으로, HD의 transgalactosylation 반응으로 인하여 합성된 HD-gal의 보습력은 HD에 비하여 증가되고, HD-gal의 항균력은 HD와 비교하여 감소하는 현상을 관찰하였다. We carried out the enzymatic synthesis of 1, 2-hexanediol galactoside (HD-gal) by transgalactosylation reaction using recombinant Escherichia coli β-galactosidase (β-gal). The amounts of β-gal and 1, 2-hexanediol (HD), pH, and temperature, respectively, were first optimized (β-Gal, 4.8 U/mL; HD, 75 mM; pH, 7.0; temperature, 37 ℃). Under these optimal conditions, about 96% HD was converted to HD-gal. When we investigated the water holding capacities (WHCs) of HD and HD-gal using pig epidermis in the concentrations of 84.4, 126.6, 168.8, 211.0 mM, WHC of HD-gal was superior to HD. In particular, at 168.8 mM HD and HD-gal, WHC of HD-gal showed about 20% greater than that of HD. However, it was observed that MIC values against Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus of HD-gal were about three to ten times greater than those of HD, although MIC value of HD-gal against Enterococcus faecalis was almost the same as that of HD. Finally, it was concluded that the covalent bonding of a galactose molecule to HD (transgalactosylation) resulted in an increase in WHC of HD-gal and a decrease in anti- bacterial activity.