13. 생명공학

* 생명과학 지식의 공학적 응용* 

1. 생명공학(Bioengineering & Biotechnology)

가. 종류

1) 화학생명공학(Chemical biotech, White biotech)

2) 의생명공학(Medical Biotech, Red biotech)

3) 농생명공학(Agro / Food biotech, Green)

4) 융합생명공학(Integrated biotech)

2. 화학생명공학(Chemical Biotech)

가. 생명체

- 가장 복잡하고 정교한 조절기작을 갖춘 완벽한 시스템

효소반응을 이용해 다양한 종류의 생화학물질을 만들어 낼 수 있다.

1) 생물전환기술(Bioconversion) : 1~2단계의 효소반응에 적용하는 기술

1) 포도당(Glucose) 생산

전분(Amylase) >> 올리고당(Glucoamylase) >> 포도당

2) 과당(Fructose) 생산

포도당(Glucose isomerase) >> 과당

※ 과당은 설탕보다 2배 단맛이 높다.

나. 효소반응

1) Lock-Key 이론

- 특정 기질은 특정효소와 만나야만 꼭 목적산물을 만들게 된다.

- 한 가지 효소는 한 가지 반응만 촉매함

2) 효소반응은 특이적이면서도 순한 조건에서 일어난다.

- 촉매 : 단백질

- 용매 : 물

- 반응조건 : 상온, 상압

- 특이도 : 매우높음

- 반응속도 : 느림(단점)

- 안정성 : 낮음(단점) >> 변성으로 인한 활성 상실

※ 최근에는 나노 구조체를 이용하여 변성문제를 보완해나가고 있다.

2) 방향전환기술(Directed evolution)

- DNA변화를 통해 안정성, 활성도가 높은 단백질을 찾아 대용량으로 생산하는 것

3) 미생물세포의 대사기능을 이용

- 미생물(세균, 효모, 곰팡이) 대사 : 다단계의 대사산물 생산에 적용

원료물질 + 미생물 = 목적산물

ex) 포도당 + 푸른곰팡이 = 페니실린

다. 대사공학기술(Metabolic Engineer) 

유전정보를 바탕으로 대사경로 네트워크를 재설계하는 기술

1) 피드백조절 해체(Feed-Back Regulation)

- 목적산물에 의한 Feedback 저해를 받는 효소를 유전공학적으로 개량을 해서 원래 효소와 바꿔치기 하면 농도에 관계없이 계속적으로 목적산물을 만들 수 있음

2) 병목현상 / 부반응 제거

- 유전자를 증폭시켜 반응속도를 빠르게하는 것

- 부산물의 유전자를 제거하는 기술

3) 신규물질 대사경로 도입

- 관련 신규유전자를 도입하여 새로운 목적산물을 만드는 기술

4) 기질 이용성 확대

-  미생물이 사용하지 않던 원료물질을 사용하게 하여 목적산물을 만들게 하는 기술

3. 바이오(단백질)의약품 분야(Medical biotech)

- 유전공학기술의 발달로 인체 단백질 유전자의 자유로운 이식 가능

가. 인슐린의 대량 생산(1982)

대장균을 이용한 재조합 인간 인슐린

인슐린 구조 규명 >> 대장균 이식 >> 대량 배량 >> 준리정제 >> 인슐린

* 한계 *

- 의약품 단백질의 60~70%는 당사슬이 결합된 당단백질(Glycoprotein)

- 대장균이나 미생물은 당사슬구조 생합성의 불완전 때문에 사용이 불가능

나. CHO(Chinese Hamster Ovary Cell)의 등장

1) 인간 세포와 유사한 당사슬 구조 생합성(Glycosylation)

- 단백질을 세포밖으로 분비하고 유전자 증폭이 용이

에리스로포이틴 단백질의약품(EPO) : 조혈제단백질

* 단점 *

- 세포벽이 없어 생물반응에서 교반시 세포막이 터져 죽기 쉬웁

- 호흡에 필요한 용존산소 공급이 용이치 않음

- 아미노산과 비타민 등 영야 요구성이 매우 까다롭고 성장조절 인자를 요구

- 배지의 삼투압에 민감하여 고농도 세포 배양이 어려움

- 배지 가격이 비싸 생산비용이 높음

생명과학자들의 노력으로 CHO세포의 단점을 극복해나가고 있다.

다. 약물전달기술(Drug Delivery System, DDS)

필요한 양의 약물을 필요한 곳에 정확하게 전달 / 약물의 효능과 안정성을 극대화시키는 기술

* 핵심기술 *

1) 약효지속시간 연장 기술(Long Acting / Sustained Release)
- 무독성, 수용성, 생체조건에서 서서히 분해
- 현재 사용허가 된 고분자 종류 : PGA(Polyglycolic Acid), PLA(Polylactic Acid), PLGA(lactic-co-glycolic Acid)

2) 표적전달 기술(Targeting)
- 항체를 이용한 표적 전달기술 : 환부의 세포와 특이적 결합
- 기존 약물은 온몸에 분포하였지만, 표적기술은 환부에만 작용하여 부작용을 획기적으로 감소시킬수 있다.

3) 조합기술(Combination)

3. 기능성 식품소재 및 농생명고학 분야(Food / Agro Biotech)

가. 미생물을 이용한 기능성 식품소재 의 대량생산

- 특수 물질을 생산하는 유전자 세트를 미생물에 이식 / 발현시킴

1) 유전자 재조합 미생물
2) 대량배양
3) 분리정제
4) 기능성 식품 생산

4. 바이오센터(Biosensor / Biochip) : BT와 IT 만남의 결과물

생명체에는 효소와 기질과의 결합 또는 항체와 항원간의 반응
DNA와 DNA의 결합 등이 있음
이런 결합을 신호처리를 측정할 수 있는 기술

가. 촉매 이용센서(Biocatalytic Biosensor)
: 효소 바이오센서, 미생물 바이오센서, 조직 바이오센서

1) 효소 바이오센서 : 다양한 생화학물질의 측정이 가능

- 포도당 측정센서, 포도당이 있는 용액을 전극에 담그면 전자가 방출되어 신호를 측정, 혈당을 측정하는 장치에 들어간다.

나. 친화력 이용센서(Bioaffinity Biosensor)
: 면역(항체) 바이오센서, DNA 바이오센서

1) 면역바이오센서(Immuno-Sensor)

- 항체와 항원 간의 특이적 상호작용을 이용
- 항체를 만들 수 있는 물질은 모두 측정 대상
- 표지물질(label) : 효소, 형광물질, 방사성 동위원소, 광산란 등
- 효소 면역센서 : ELISA
- 식중독균 및 바이러스 등의 생물체 측정도 가능

다. 바이오칩(Biochip, Microarray)
: DNA칩, 단백질칩, 세포칩

1) 바이오칩 기술(Biochip, Microarray)

- 대용량 시료 분석(HTS, High-Throughput Screening) : 임상진단, 신약개발, 유전자 발현 패턴 분석
- 유전자 조각이나 단백질을 작은 기판 위에 고밀도로 배열(Array)
- 시료를 넣은 후 반응에서 나오는 형광 정도를 측정 분석함

※ 혼자 공부한 것이니 정확한 정보가 아닙니다. ※

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