KR101143388B1 - The method for regeneration of oxidoreductase cofactor using visible light active photocatalyst and the method for production of L-glutamate therethrough - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가시광선 흡수 광촉매를 이용한 산화환원효소 보조인자의 재생방법 및 이를 이용한 효소반응으로 L-글루타메이트를 제조하는 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 반응기에 산화형의 산화환원효소 보조인자; 산화환원 매개체; 및 가시광선 흡수 광촉매를 넣고 교반시면서 가시광선을 포함하는 빛을 조사하여 환원형의 산화환원효소 보조인자를 생성시키는 단계를 포함하는 산화환원효소 보조인자의 재생방법 및 이를 이용한 효소반응으로 L-글루타메이트를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 전극 대신 가시광선을 흡수하는 광촉매를 사용함으로써 태양에너지를 사용하여 추가에너지 비용 없이 산화환원효소의 보조인자를 재생할 수 있어 경제적이고 환경친화적이므로, 대량생산 및 자동화가 가능하며, 따라서 효소공정을 사용하여 화합물을 제조하는 산업에 유용하게 사용될 수 있다.The present invention relates to a method for reproducing an oxidoreductase cofactor using a visible light absorbing photocatalyst and a method for preparing L-glutamate by an enzymatic reaction using the same, and specifically, an oxidized oxidase cofactor of an oxidation type in a reactor; Redox mediators; And a method for regenerating the oxidoreductase cofactor, comprising the step of adding a visible light absorbing photocatalyst and irradiating light including the visible light while stirring to produce a reduced oxidoreductase cofactor and an enzyme reaction using the same. It relates to a method of manufacturing. According to the present invention, by using a photocatalyst that absorbs visible light instead of an electrode, solar energy can be used to regenerate cofactors of oxidoreductases without additional energy costs, which is economical and environmentally friendly, and therefore mass production and automation are possible. It can be usefully used in the industry for preparing compounds using enzymatic processes.

광촉매, 가시광선, 산화환원효소 보조인자, NAD+, 옥시도리덕타제 Photocatalyst, visible light, oxidoreductase cofactor, NAD +, oxidoreductase

Description

가시광선 흡수 광촉매를 이용한 산화환원효소 보조인자의 재생방법 및 이를 이용한 효소반응으로 L-글루타메이트를 제조하는 방법{The method for regeneration of oxidoreductase cofactor using visible light active photocatalyst and the method for production of L-glutamate therethrough}The method for regeneration of oxidoreductase cofactor using visible light active photocatalyst and the method for production of L-glutamate therethrough }

본 발명은 가시광선 흡수 광촉매를 이용한 산화환원효소 보조인자의 재생방법 및 이를 이용한 효소반응으로 L-글루타메이트를 제조하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for reproducing an oxidoreductase cofactor using a visible light absorbing photocatalyst and a method for preparing L-glutamate by an enzymatic reaction using the same.

효소는 단백질로 이루어진 주효소(apoenzyme)와 조효소(coenzyme)로 이루어지며, 상기 조효소는 금속이온 여부에 따라 보조인자(cofactor) 또는 보결족(prosthetic group)으로 구분된다. 우리가 통상적으로 말하는 조효소는 엄밀하게는 보조인자(cofactor)를 말하는 것으로서, 상기 보조인자는 기질로부터 이탈된 원자나 원자단을 일시적으로 수용하여 다른 물질에 전달하는 역할을 하며 대표적으로 니코틴아미드 보조인자인 NAD, NADP와 플라빈 보조인자인 FAD, FMN 등이 있다. The enzyme consists of a main enzyme (apoenzyme) and coenzyme (coenzyme) consisting of proteins, the coenzyme is divided into cofactors or prosthetic groups depending on whether the metal ion. Coenzyme, which we usually refer to, refers strictly to a cofactor, which temporarily accepts atoms or groups of atoms released from a substrate and delivers them to other substances. Typically, nicotinamide cofactor NAD, NADP and flavin cofactors FAD and FMN.

상기 니코틴아미드 보조인자와 플라빈 보조인자 또는 그들의 산화된 형태는 많은 종류의 산화환원효소(oxidoreductase)가 수행하는 산화환원 생촉매반응에 있어서 필수적인 보조인자로 이용된다. 상기 생촉매반응은 실험실 내 유기합성 및 다양한 공업 분야에서 있어서 점점 더 중요해지고 있다. 그러나 이들 보조인자의 높은 비용 때문에 많은 효소 공정을 갖는 산업이 발달되지 못하고 있다. 따라서 생촉매 반응의 효율을 높이고, 경제적이고 산업가능성이 있는 공정을 만들기 위해서는, 효소의 지속적 반응 수행을 위한 보조인자가 지속적으로 재생되어야 할 필요가 있다. 그러나, 다양한 방식으로 널리 이용되고 있는 가수분해 효소와는 달리, 산화환원 효소의 사용에 있어서 만족할만한 보조인자 재생방법이 확립되지 않아 그다지 널리 상용화되고 있지 않은 현실이다. The nicotinamide cofactors and flavin cofactors or their oxidized forms are used as cofactors essential in the redox biocatalysis carried out by many kinds of oxidoreductases. Such biocatalytic reactions are becoming increasingly important in laboratory organic synthesis and various industrial fields. However, the high cost of these cofactors prevents the development of an industry with many enzymatic processes. Therefore, in order to increase the efficiency of the biocatalytic reaction and to make an economical and industrially feasible process, cofactors for the continuous reaction of the enzyme need to be continuously regenerated. However, unlike hydrolytic enzymes that are widely used in various ways, a satisfactory cofactor regeneration method for the use of redox enzymes has not been established and is not widely commercialized.

이에 전기화학적 재생(electrochemical regeneration)은 기존의 제2효소/기질 재생방법을 대체할 수 있는 하나의 매력적인 방법으로 여겨져 왔다. 하지만 전기화학적 재생방법에서도 NAD(P)+의 NAD(P)H로의 환원이 열역학적으로 선호되는 전압조건에서도 전극과 NAD(P)+사이의 느린 전자전달 속도로 인하여 재생 효율이 떨어지는 단점이 있었다. Electrochemical regeneration has thus been considered an attractive alternative to the existing second enzyme / substrate regeneration. However, electrochemical regeneration method had in NAD (P) + NAD (P ) reduced the disadvantage in the voltage condition is thermodynamically favored due to slow the electron transfer rate between the electrode and the NAD (P) + poor reproduction efficiency to H in.

이를 해결하기 위하여 균등질의 산화환원 매개체(mediator)를 사용하여 전극과 NAD(P)+사이에 전자를 전달하는 방법이 개발된 바 있으며, 일례 중 대표적으로 로듐(Ⅲ) 복합체인 (펜타메틸사이클로펜타디에닐-2,2'-비피리딘클로로)로듐(Ⅲ ):[Cp*Rh(bpy)H2O]2+(이하 Mox)를 NAD(P)+에의 전자전달을 위한 매개체로 사용하는 방법이 개발되었다.In order to solve this problem, a method of transferring electrons between an electrode and NAD (P) + using a homogeneous redox mediator has been developed, and a typical rhodium (III) complex (pentamethylcyclopenta) has been developed. Dienyl-2,2'-bipyridinechloro) rhodium (III): [Cp * Rh (bpy) H 2 O] 2+ (hereinafter M ox ) using as a medium for electron transfer to NAD (P) + The method was developed.

상기 전자전달 매개체 중에서 로듐(Ⅲ) 복합체 Mox는 전기화학/화학적 과정을 거쳐 활성 환원체인 Mred2로 변환되어 NADH의 재생에 관여한다. Mox는 두 개의 전자를 받아들여 전기화학적인 변화로 Mred1의 상태가 된다(E-step). 이어서 상기 Mred1은 총 전자의 양은 변하지 않고 용액 상에서 하나의 양성자를 취함으로써 화학적인 과정을 통해 Mred2로 변환된다(C-step). 상기 활성 환원체인 Mred2는 전자 두 개와 양성자 하나를 NAD(P)+에 제공하여 NAD(P)H로 변환시키고, 이때 자신은 초기상태인 Mox로 돌아가게 된다(도 1 참조). The rhodium (III) complex M ox in the electron transport medium is converted into M red2 , an active reducing agent , through electrochemical / chemical process and is involved in the regeneration of NADH. M ox accepts two electrons and becomes the state of M red1 by an electrochemical change (E-step). The M red1 is then converted to M red2 through a chemical process by taking one proton in solution without changing the total amount of electrons (C-step). The active reductant M red2 provides two electrons and one proton to NAD (P) + to convert to NAD (P) H, where it returns to its initial state, M ox (see FIG. 1 ).

그러나, 전극을 사용하는 전기화학적 재생방법은 외부에서 전기에너지를 주입해야 하는 문제가 있다.However, the electrochemical regeneration method using the electrode has a problem that the electrical energy must be injected from the outside.

한편, 최근 대체에너지로서 광화학에너지를 이용하여 보조인자를 재생하는 방법에 관심이 증가하고 있다. 상기 광화학 에너지는 풍부한 태양 에너지를 사용하기 때문에 깨끗하며 경제적이다.On the other hand, there is an increasing interest in the method of regenerating the cofactor by using photochemical energy as alternative energy. The photochemical energy is clean and economical because it uses abundant solar energy.

상기 광화학 보조인자 재생을 위하여 몇몇 연구가 진행되었는데, 구체적으로 효소 매개체로서 균질상(용해성 색소 감광제) 또는 비균질상(TiO2/CdS 광촉매)에서 광화학 보조인자 재생 실험을 수행하였고, 그 결과 낮은 특이적 활성 및 낮은 수율, 기질 저해 및 높은 비용 등의 문제가 나타났다. 또한 균질 매개체로부터의 보조인자의의 정제/분리의 어려움, 유해한 전자 대체물질 등의 문제도 나타났다. 따라서, 종래 광화학 보조인자 재생연구는 만족스럽지 못하였다.Several studies have been carried out for the regeneration of the photochemical cofactors. Specifically, photochemical cofactor regeneration experiments were carried out in a homogeneous phase (soluble dye photosensitizer) or an inhomogeneous phase (TiO 2 / CdS photocatalyst) as an enzyme mediator. Problems include activity and low yield, substrate inhibition and high cost. In addition, problems such as difficulty in purifying / separating cofactors from homogeneous mediators and harmful electronic substitutes have also been shown. Therefore, the conventional photochemical cofactor regeneration research was not satisfactory.

이에 본 발명자는 종래 산화환원효소의 보조인자의 효율적인 재생방법을 개발하고자 각고의 노력을 거듭한 결과, 메틸비올로겐, 루테늄 Ⅱ 복합체 및 로듐 Ⅲ 복합체로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 1종 이상의 산화환원 매개체에 전극 대신 가시광선을 흡수하는 광촉매를 사용함으로써 태양에너지를 사용하여 추가에너지 비용 없이 산화환원효소의 보조인자를 재생할 수 있음을 확인하고 이를 이용한 효소반응으로 L-글루타메이트를 제조하는 방법을 개발하여 본 발명을 완성하였다. Accordingly, the present inventors have endeavored to develop an efficient regeneration method of cofactors of the conventional oxidoreductase, and as a result, any one or more kinds of oxidation selected from the group consisting of methyl viologen, ruthenium II complex, and rhodium III complex By using a photocatalyst that absorbs visible light instead of an electrode as a reducing medium, it was confirmed that solar energy can be used to regenerate cofactors of oxidoreductases without additional energy costs, and developed a method for producing L-glutamate by enzymatic reaction using the same. The present invention was completed.

본 발명의 목적은 산화환원 매개체에 전극 대신 가시광선을 흡수하는 광촉매를 사용함으로써 태양에너지를 사용하여 추가에너지 비용 없이 산화환원효소의 보조인자를 재생하는 방법 및 이를 이용한 효소반응으로 L-글루타메이트를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to prepare a L- glutamate by using a photocatalyst that absorbs visible light instead of an electrode in the redox mediator to regenerate cofactors of oxidoreductase without additional energy costs using solar energy and an enzymatic reaction using the same. To provide a way.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 The present invention to achieve the above object

반응기에 산화형의 산화환원효소 보조인자; 메틸비올로겐, 루테늄 Ⅱ 복합체 및 로듐 Ⅲ 복합체로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 1종 이상의 산화환원 매개체; 및 가시광선 흡수 광촉매를 넣고 교반시켜 환원형의 산화환원효소 보조인자를 생성시키는 단계를 포함하는 산화환원효소 보조인자의 재생방법을 제공한다. Oxidation-reducing oxidase cofactors in the reactor; Any one or more redox mediators selected from the group consisting of methylviologen, ruthenium II complex and rhodium III complex; And adding a visible light absorbing photocatalyst and stirring to generate a reduced oxidoreductase cofactor.

또한, 본 발명은 상기 방법으로 생성된 환원형의 산화환원효소 보조인자에 글루타메이트탈수소효소 및 기질 물질을 넣고 교반시키는 단계를 포함하는 생촉매반응에 의한 L-글루타메이트의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method for preparing L-glutamate by biocatalytic reaction comprising the step of adding a glutamate dehydrogenase and a substrate material to a reduced oxidoreductase cofactor produced by the above method.

본 발명에 의하면, 전극 대신 가시광선을 흡수하는 광촉매를 사용함으로써 태양에너지를 사용하여 추가에너지 비용 없이 산화환원효소의 보조인자를 재생할 수 있어 경제적이고 환경친화적이므로, 대량생산 및 자동화가 가능하며, 따라서 효소공정을 사용하여 화합물을 제조하는 산업에 유용하게 사용될 수 있다.According to the present invention, by using a photocatalyst that absorbs visible light instead of an electrode, solar energy can be used to regenerate cofactors of oxidoreductases without additional energy costs, which is economical and environmentally friendly, and therefore mass production and automation are possible. It can be usefully used in the industry for preparing compounds using enzymatic processes.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, this invention is demonstrated in detail.

본 발명은 The present invention

반응기에 산화형의 산화환원효소 보조인자; 메틸비올로겐, 루테늄 Ⅱ 복합체 및 로듐 Ⅲ 복합체로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 1종 이상의 산화환원 매개체; 및 가시광선 흡수 광촉매를 넣고 교반시면서 가시광선을 포함하는 빛을 조사하여 환원형의 산화환원효소 보조인자를 생성시키는 단계를 포함하는 산화환원효소 보조인자의 재생방법을 제공한다. Oxidation-reducing oxidase cofactors in the reactor; Any one or more redox mediators selected from the group consisting of methylviologen, ruthenium II complex and rhodium III complex; And adding a visible light absorbing photocatalyst and irradiating light including visible light while stirring to generate a reduced oxidoreductase cofactor.

본 발명에 있어서, 전기화학적 환원의 대상이 되는 산화형의 산화환원효소 보조인자는 니코틴아미드 보조인자인 NAD+(nicotinamide adenine dinucleotide), NADP+(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate) 또는 플라빈 보조인자인 FAD+(flavin adenine dinucleotide), FMN+(flavin mononucleotide)일 수 있으며, 바람직하게는 NAD+일 수 있다. In the present invention, The cofactor oxidoreductase of oxidation to be subjected to the electrochemical reduction nicotinamide cofactor design NAD + (nicotinamide adenine dinucleotide), NADP + (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate) or a flavin cofactor design FAD + (flavin adenine dinucleotide), FMN + (flavin mononucleotide), preferably NAD + .

본 발명에 있어서, 상기 산화환원 매개체로서 메틸비올로겐, 루테늄 Ⅱ 복합체 및 로듐 Ⅲ 복합체는 산화형의 산화환원효소 보조인자에 전자전달(electron transfer)을 위한 매개체의 용도로 사용된다. In the present invention, methylbiologen, ruthenium II complex, and rhodium III complex as redox mediators are used as mediators for electron transfer to oxidative redox cofactors.

상기 산화환원 매개체 중 메틸비올로겐(methyl viologen)은 NAD(P)H에 대한 전자전달 매개체로써 플라보효소(Flavoenzyme)(Ferredoxin reductase(FDR) 또는 Lipoamide Dehydrogenase(LipDH))와 함께 간접적인 전기화학적 재생에 사용된 바 있으며(Dicosimo et al. J Org Chem (1981) 46 : 4622-4623), 루테늄(Ⅱ) 복합체인 (헥사메틸벤젠-2,2′-비피리딘클로로)루테늄(Ⅱ)은 케톤류의 알콜로의 환원에 전자전달을 위한 매개체로 사용된 바 있고(Ogo S, Abura T, Watanabe Y(2002) Organometallics 21:2964-2969; Yaw Kai Yan et al. J Biol Inorg Chem (2006) 11: 483-488), 로듐 (Ⅲ) 복합체인 (펜타메틸사이클로펜타디에닐-2,2'-비피리딘클로로)로듐(Ⅲ):[Cp*Rh(bpy)H2O]2+(이하 Mox)은 NAD(P)+에의 전자전달을 위한 매개체(K. Vuorilehto, S. Lutz, C. Wandrey, Bioelectrochemistry 2004, 65, 1) 및 FAD+에의 전자전달을 위한 매개체(F. Hollmann et al. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic 19-20(2003) 167-176)로 사용된 바 있다. 따라서, 상기 산화환원 매개체는 전자와 양성자를 전달함으로써 산화환원효소 보조인자의 재생 동역학(kinetics)을 개량하는데 사용된다. Among the redox mediators, methyl viologen is an indirect electrochemical regeneration with Flavoenzyme (Ferredoxin reductase (FDR) or Lipoamide Dehydrogenase (LipDH)) as an electron transfer mediator for NAD (P) H. (Dicosimo et al. J Org Chem (1981) 46: 4622-4623), and the ruthenium (II) complex (hexamethylbenzene-2,2′-bipyridinechloro) ruthenium (II) is used in ketones. It has been used as a medium for electron transfer to the reduction to alcohol (Ogo S, Abura T, Watanabe Y (2002) Organometallics 21: 2964-2969; Yaw Kai Yan et al. J Biol Inorg Chem (2006) 11: 483 488), a rhodium (III) complex (pentamethylcyclopentadienyl-2,2'-bipyridinechloro) rhodium (III): [Cp * Rh (bpy) H 2 O] 2+ (hereinafter M ox ) Are mediators for electron transfer to NAD (P) + (K. Vuorilehto, S. Lutz, C. Wandrey, Bioelectrochemistry 2004, 65, 1) and mediators for electron transfer to FAD + (F. Hollmann et al. Journal of Molecula r Catalysis B: Enzymatic 19-20 (2003) 167-176). Thus, the redox mediator is used to improve the regeneration kinetics of oxidoreductase cofactors by delivering electrons and protons.

이때, 상기 루테늄 Ⅱ 복합체는 바람직하게는 (헥사메틸벤젠-2,2′-비피리딘 클로로)루테늄(Ⅱ)일 수 있고, 상기 로듐 Ⅲ 복합체는 (펜타메틸사이클로펜타디에닐-2,2'-비피리딘클로로)로듐(Ⅲ)을 사용하는 것이 바람직하다.In this case, the ruthenium II complex may be preferably (hexamethylbenzene-2,2′-bipyridine chloro) ruthenium (II), and the rhodium III complex is (pentamethylcyclopentadienyl-2,2′- Preference is given to using bipyridinechloro) rhodium (III).

본 발명에 있어서, 상기 광촉매는 기존의 전극을 대신하여 태양광을 흡수하여 자신이 지니고 있는 전자들로 채워진 가전자대(Valance band)로부터 전자를 비어 있는 전도대(Conduction band)로 이동시킴으로써 산화환원 매개체가 전자를 잘 받아들여 화학반응을 수행하도록 하는 역할을 한다. 이때, 지구에서 이용가능한 전체 태양광 에너지 중 46%가 가시광선 영역이고 단지 4%가 자외선 영역인 바, 본 발명에서 사용되는 광촉매는 가시광선을 흡수하여 전자를 들뜨게 할 수 있는 물질인 것이 바람직하다. 상기 가시광선 흡수 광촉매로는 바람직하게 W2Fe4Ta2O17를 사용할 수 있다.In the present invention, the photocatalyst is a redox mediator by absorbing sunlight in place of the existing electrode to move the electrons from the valence band filled with the electrons they have to the empty conduction band It accepts the former and plays a role in chemical reaction. At this time, since 46% of the total solar energy available on the earth is in the visible light region and only 4% is the ultraviolet light region, the photocatalyst used in the present invention is preferably a material capable of absorbing visible light to excite electrons. . As the visible light absorbing photocatalyst, W 2 Fe 4 Ta 2 O 17 may be preferably used.

본 발명에 따른 가시광선 광촉매를 이용한 산화환원효소의 보조인자 재생방법의 메카니즘은 다음과 같다.The mechanism of the cofactor regeneration method of the oxidoreductase using the visible light photocatalyst according to the present invention is as follows.

구체적으로, 본 발명에서는 산화환원 매개체로 로듐 복합체(Ⅲ)를 사용하였으며, 이 경우, 도 2에 나타낸 바와 같이, 광촉매인 W2Fe4Ta2O17가 가시광선을 흡수하여 전자가 들뜸으로써 Mox에 전자를 전달하여 Mred1을 형성하며(단계 a); 상기 단계 a의 Mred1는 산화되어 Mred2를 형성하고(단계 b); 상기 단계 b의 Mred2가 산화형 산화환원효소 보조인자에게 전자와 양성자를 전달하여 환원형 산화환원효소 보조인자를 형성하게 된다(단계 c). Specifically, in the present invention, a rhodium complex (III) was used as a redox mediator. In this case, as shown in FIG . 2 , the photocatalyst, W 2 Fe 4 Ta 2 O 17 , absorbed visible light to lift the electrons. electrons are delivered to ox to form M red1 (step a); M red1 of step a is oxidized to form M red2 (step b); M red2 of step b transfers electrons and protons to oxidative oxidoreductase cofactors to form a reduced oxidoreductase cofactor (step c).

또한, 본 발명에 있어서, 전자의 들뜸으로 광촉매 내 가전자대에 생성된 정공(h+VB)을 안정화시키기 위하여 환원제를 추가적으로 사용할 수 있다. 이때 사용되는 환원제는 EDTA, 트리메틸아민(TEA), NaBH4, 시트르산나트륨(Sodium Citrate) 등이 바람직하다.In addition, in the present invention, a reducing agent may be additionally used to stabilize holes (h + VB) generated in the valence band in the photocatalyst by the excitation of electrons. At this time, the reducing agent used is EDTA, trimethylamine (TEA), NaBH 4 , sodium citrate (Sodium Citrate) is preferred.

본 발명에 있어서, 상기 환원제의 첨가량은 0.5~20 mM인 것이 바람직하다. 만일 상기 환원제의 첨가량이 0.5 mM 미만이면 반응 시스템이 불안정해져 지는 문제가 있고, 20 mM을 초과하면 수율이 오히려 감소하는 문제가 있다.In this invention, it is preferable that the addition amount of the said reducing agent is 0.5-20 mM. If the addition amount of the reducing agent is less than 0.5 mM there is a problem that the reaction system becomes unstable, if it exceeds 20 mM there is a problem that the yield is rather reduced.

또한, 본 발명은 상기 가시광선 흡수 광촉매를 이용한 산화환원효소 보조인자 재생 방법으로 생성된 환원형의 산화환원효소 보조인자에 산화환원효소 및 기질 물질을 넣고 교반시키는 단계를 포함하는 생촉매반응에 의한 화합물의 제조방법을 제공한다.In another aspect, the present invention is a biocatalytic reaction comprising the step of putting the oxidoreductase and the substrate material in a reduced oxidoreductase cofactor produced by the oxidoreductase cofactor regeneration method using the visible light absorption photocatalyst Provided are methods for preparing the compounds.

상기 방법은 태양에너지를 사용하여 추가에너지 비용 없이 산화환원효소의 보조인자를 재생할 수 있어 경제적이고 환경친화적이므로, 대량생산 및 자동화가 가능하며, 따라서 글루타메이트 탈수소효소 등의 산화환원효소를 이용하여 L-글루타메이트와 같은 화합물을 제조하는 산업에 유용하게 사용될 수 있다.The method is economical and environmentally friendly because it can regenerate cofactors of oxidoreductases without additional energy costs using solar energy, and therefore can be mass-produced and automated. Therefore, L-oxidases such as glutamate dehydrogenases can be used. It can be usefully used in the industry of preparing a compound such as glutamate.

이하, 본 발명을 실시예를 들어 상세히 설명하고자 하지만, 본 발명의 권리범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples, but the scope of the present invention is not limited to these Examples.

<< 제조예Manufacturing example 1>  1> 광촉매(WPhotocatalyst (W 22 FeFe 44 TaTa 22 OO 1717 )의)of 제조 Produce

상기 광촉매 W2Fe4Ta2O17는 전통적인 고체상 루트를 통해 제조하였다. 구체적으로 WO3, Fe2O3 및 Ta2O5를 화학양론적 원소비가 W:Fe:Ta=1:2:1이 되도록 적절한 양으로 혼합한 다음, 균질한 혼합물이 될 때까지 완전히 분쇄시켰다. 다음으로 혼합물을 순 알루미나 도가니에 넣고 공기 중, 1000 ℃에서 10시간 동안 소결시켰다. 이후, 상온으로 냉각한 다음 다시한번 완전히 분쇄시키고, 동일한 조건 하에서 소결시켰다. 이 과정을 세번 반복하여 화학적으로 균질한 결정형의 광촉매를 제조하였다.The photocatalyst W 2 Fe 4 Ta 2 O 17 was prepared via a traditional solid phase route. Specifically, WO 3, Fe 2 O 3 and Ta 2 O 5 were mixed in an appropriate amount such that the stoichiometric element ratio was W: Fe: Ta = 1: 2: 1, and then completely ground until a homogeneous mixture was obtained. The mixture was then placed in a pure alumina crucible and sintered at 1000 ° C. for 10 hours in air. Thereafter, the mixture was cooled to room temperature and then completely pulverized again, and sintered under the same conditions. This process was repeated three times to prepare a photocatalyst of chemically homogeneous crystalline form.

<특성><Characteristic>

제조한 광촉매의 특성을 알아보기 위하여 X선 회절, 전계방출형 주사전자현미경(FESEM) 등을 이용하여 다음과 같은 분석을 수행하였다.In order to investigate the characteristics of the prepared photocatalyst, the following analysis was performed using X-ray diffraction, field emission scanning electron microscope (FESEM), and the like.

(1) X선 (1) X-ray 회절diffraction

상기 광촉매의 분말 X선 회절패턴은 Ragaku-D/MaX-2200V WRD 기기를 사용하였으며, CuKα 방사선(40 kV/40 mA, λ=1.5405 Å)은 흑연 단색화장치 및 Ni 필터를 이용하였다.The powder X-ray diffraction pattern of the photocatalyst was used with a Ragaku-D / MaX-2200V WRD instrument, and CuKα radiation (40 kV / 40 mA, λ = 1.5405 Hz) was used with a graphite monochromator and a Ni filter.

측정된 상기 광촉매의 분말 X선 회절패턴을 도 3에 나타내었다.The measured powder X-ray diffraction pattern of the photocatalyst is shown in FIG. 3 .

도 3을 통하여 제조된 화합물이 W2Fe4Ta2O17임을 확인하였다. It was confirmed that the compound prepared through FIG. 3 was W 2 Fe 4 Ta 2 O 17 .

(2) (2) 전계방출형Field emission type 주사전자현미경( Scanning electron microscope FESEMFESEM ))

FESEM 이미지는 JEOL-JSM 6700F 기기로부터 얻었다. FESEM images were obtained from a JEOL-JSM 6700F instrument.

측정 결과를 도 4에 나타내었다.The measurement results are shown in Fig.

도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 사용되는 광촉매는 크기가 1 ㎛ 이하인 부드러운 표면의 결정형 분말로 나타났다.As shown in Fig . 4 , the photocatalyst used in the present invention appeared as a crystalline powder of a soft surface having a size of 1 m or less.

(3) 원소조성분석(3) Elemental composition analysis

상기 광촉매의 원소조성은 플라즈마-원자 방출 스펙트로미터(ICP-AES)(Jobin-Yvon Ultima-C) 기기를 이용하여 결정하였다.The elemental composition of the photocatalyst was determined using a plasma-atomic emission spectrometer (ICP-AES) (Jobin-Yvon Ultima-C) instrument.

결과를 표 1에 나타내었다.The results are shown in Table 1.


원소(중량%)Element (% by weight)
WW FeFe TaTa 측정값Measures 31.331.3 18.618.6 30.730.7 초기 고정값Initial fixed value 29.829.8 18.118.1 29.329.3

표 1에 나타낸 바와 같이, 제조된 광촉매의 화학적 조성은 초기 고정값과 유사함을 알 수 있으며, 초기 고정값이 W:Fe:Ta=2.0:4.0:2.0인 바, 제조된 화합물이 W2Fe4Ta2O17임을 확인하였다.As shown in Table 1, and found to be similar to the chemical composition of the produced photocatalyst is the initial fixed value, the initial fixed value W: Fe: Ta = 2.0: 4.0: 2.0 of the bar, is the compound W 2 Fe 4 Ta 2 O 17 It was confirmed.

(4) 확산 반사 스펙트럼((4) diffuse reflection spectrum ( DRSDRS ))

확산 반사 스펙트럼은 Shimadzu UV-2450 UV-Vis 스펙트로포토미터를 이용하여 측정하였다. Diffuse reflection spectra were measured using a Shimadzu UV-2450 UV-Vis spectrophotometer.

측정 결과를 도 5에 나타내었다.The measurement results are shown in FIG. 5 .

도 5에 나타낸 바와 같이, 제조된 광촉매는 400-700 nm의 파장에서 흡수가 일어나는 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명에 사용되는 광촉매는 가시광선을 흡수하여 광촉매 기능을 나타냄을 알 수 있다.As shown in FIG . 5 , it can be seen that the prepared photocatalyst absorbs at a wavelength of 400-700 nm. Therefore, it can be seen that the photocatalyst used in the present invention exhibits a photocatalyst function by absorbing visible light.

<< 제조예Manufacturing example 2> 로듐 Ⅲ 복합체 M의 제조 2> Preparation of Rhodium III Composite M

NAD+와 광촉매와의 전자를 전달하기 위한 유기금속 매개체로 로듐 Ⅲ 복합체인 (펜타메틸사이클로펜타디에닐-2,2'-비피리딘클로로)로듐(Ⅲ)(이하 M이라 함; M=[Cp*Rh(bpy)H2O]+; Cp*=C5Me5, bpy=2,2'-비피리딘)을 사용하였다. 상기 로듐 Ⅲ 복합체 M은 Kelle와 Gratzel의 방법(F. Hollmann, B. Witholt, A. Schmid, J. Mol . Catal. B 2002, 19-20, 167)으로 합성하였다.Rhodium III complex (pentamethylcyclopentadienyl-2,2'-bipyridinechloro) rhodium (III) (hereinafter referred to as M; M = [Cp] as an organometallic medium for transferring electrons between NAD + and a photocatalyst * Rh (bpy) H 2 O] + ; Cp * = C 5 Me 5 , bpy = 2,2'-bipyridine). The rhodium III complex M was synthesized by Kelle and Gratzel's method (F. Hollmann, B. Witholt, A. Schmid, J. Mol . Catal . B 2002, 19-20 , 167).

<< 실시예Example 1> 로듐 Ⅲ 복합체 및  1> rhodium III composite and 광촉매(WPhotocatalyst (W 22 FeFe 44 TaTa 22 OO 1717 )를) 이용한  Used NADHNADH 의 재생 방법How to play

석영 큐벳 반응기에 인산완충용액(100 mM, pH 7.0)을 넣고, W2Fe4Ta2O17 5 mg, 로듐 Ⅲ 복합체 M 0.2 mM, NAD 0.1 mM 및 EDTA 5/20 mM을 넣어 상온에서 교반시켰다. 반응은 아르곤 분위기 하에서 450W 할로겐 램프(λ≥420 nm)를 이용하였다. 이후 NADH의 농도를 분광광도계(Biospec-mini, Shimadzu)를 이용하여 340 nm에서 측정하였다.Phosphoric acid buffer solution (100 mM, pH 7.0) was added to the quartz cuvette reactor, and W 2 Fe 4 Ta 2 O 17 5 mg, 0.2 mM rhodium III complex M, 0.1 mM NAD and 5/20 mM EDTA were added and stirred at room temperature. The reaction was carried out using a 450 W halogen lamp (λ ≧ 420 nm) under argon atmosphere. The concentration of NADH was then measured at 340 nm using a spectrophotometer (Biospec-mini, Shimadzu).

<< 실시예Example 2>  2> 광촉매(WPhotocatalyst (W 22 FeFe 44 TaTa 22 OO 1717 )를) 이용한  Used 생촉매반응Biocatalytic Reaction

상기 생촉매반응을 위하여, 반응기에 0.1M의 인산완충용액(pH 7.0)을 넣고, W2Fe4Ta2O17 5 mg, 로듐 Ⅲ 복합체 M 0.2 mM, NAD 0.1 mM, EDTA 5/20 mM, 알파-케토글루타메이트 1 mM, (NH4)2SO4 5 mM 및 글루타메이트 탈수소효소 20U를 넣어 상온에서 교반시켰다. 생촉매반응으로 합성된 L-글루타메이트는 문헌(C.B. Park and D.S. Clark, Biotechnol. Bioeng. 2002, 78, 229)의 방법대로 마이크로플레이트 리더를 사용하여 490 nm에서 퀴논이민(quinoneimine) 염료의 비색법으로 분석하였다.For the biocatalytic reaction, 0.1M phosphate buffer solution (pH 7.0) was added to the reactor, W 2 Fe 4 Ta 2 O 17 5 mg, rhodium III complex M 0.2 mM, NAD 0.1 mM, EDTA 5/20 mM, Alpha-ketoglutamate 1 mM, (NH 4 ) 2 SO 4 5 mM and 20 U of glutamate dehydrogenase were added thereto and stirred at room temperature. L-glutamate synthesized by biocatalysis was analyzed by colorimetric analysis of quinoneimine dye at 490 nm using a microplate reader as described in CB Park and DS Clark, Biotechnol. Bioeng. 2002, 78, 229. It was.

<< 실험예Experimental Example 1>  1> 광촉매Photocatalyst  And 전자주개에Electronic donor 따른  According NADHNADH 생성량 측정  Production measurement

본 발명에 따른 NADH 재생 방법에 있어서, 광촉매 및 전자주개가 미치는 영향을 알아보기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.In the NADH regeneration method according to the present invention, the following experiment was performed to investigate the effects of photocatalyst and electron donor.

본 발명에서 사용된 W2Fe4Ta2O17 촉매에 전자주개로서 물을 사용하거나 잘 알려진 환원제인 EDTA 5.0 mM 및 20 mM을 추가로 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 14시간 동안 반응을 수행하여 시간에 따른 NADH의 생성량을 측정하였다.W 2 Fe 4 Ta 2 O 17 used in the present invention The production of NADH over time was measured by performing the reaction for 14 hours in the same manner as in Example 1, except that water was used as the electron donor or the addition of well-known reducing agents EDTA 5.0 mM and 20 mM were added. It was.

또한, 촉매를 W2Fe4Ta2O17 촉매 대신 TiO2 촉매를 사용하고 EDTA 5.0 mM을 추가로 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 14시간 동안 반응을 수행하여 시간에 따른 NADH의 생성량을 측정하였다.In addition, the catalyst W 2 Fe 4 Ta 2 O 17 The reaction was carried out for 14 hours in the same manner as in Example 1, except that TiO 2 catalyst was used instead of the catalyst, and EDTA 5.0 mM was further added, thereby measuring the amount of NADH produced over time.

측정 결과를 표 2 및 도 6에 나타내었다.The measurement results are shown in Table 2 and FIG. 6 .

시간(h)Time (h) (1) TiO2
+ EDTA 5.0 mM
(CNADH/μM)
(1) TiO 2
+ EDTA 5.0 mM
(C NADH / μM)
(2) W2Fe4Ta2O17
+ 물
(CNADH/μM)
(2) W 2 Fe 4 Ta 2 O 17
+ Water
(C NADH / μM)
(3) W2Fe4Ta2O17
+ EDTA 5.0 mM
(CNADH/μM)
(3) W 2 Fe 4 Ta 2 O 17
+ EDTA 5.0 mM
(C NADH / μM)
(4) W2Fe4Ta2O17
+ EDTA 20 mM
(CNADH/μM)
(4) W 2 Fe 4 Ta 2 O 17
+ EDTA 20 mM
(C NADH / μM)
22 00 66 1313 55 55 1One 55 2222 2020 88 22 1010 2323 4040 1010 33 1313 3030 4343 1212 55 1212 3232 5050 1414 44 1313 3737 5757

표 2 및 도 6에 나타낸 바와 같이, TiO2 촉매를 사용할 경우에는 NADH의 생성량이 0.4 μM 미만으로 거의 생성되지 않으나, W2Fe4Ta2O17 촉매를 사용할 경우에는 NADH의 생성량이 시간에 따라 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 전자주개로서 물을 사용하는 경우보다 강력한 환원제인 EDTA를 사용하는 경우에 NADH의 생성 속도가 2-3배 증가함을 알 수 있다.As shown in Table 2 and FIG. 6 , when the TiO 2 catalyst is used, the amount of NADH produced is less than 0.4 μM, but W 2 Fe 4 Ta 2 O 17 In the case of using a catalyst, it can be seen that the amount of NADH produced increases with time. In addition, it can be seen that the production rate of NADH is increased 2-3 times when EDTA, which is a stronger reducing agent, is used than when water is used as the electron donor.

<< 실험예Experimental Example 2>  2> 광촉매에On photocatalyst 따른 L- According to L- 글루타메이트Glutamate 전환율 측정 Conversion rate measurement

본 발명에 사용되는 광촉매의 종류에 따른 NADH의 생성을 통한 생촉매반응에 미치는 영향을 알아보기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.In order to determine the effect on the biocatalytic reaction through the production of NADH according to the type of photocatalyst used in the present invention, the following experiment was performed.

촉매로서 W2Fe4Ta2O17 , TiO2 - xNx(x=0.01) 또는 TiO2 촉매를 사용하고 EDTA 5.0 mM을 추가로 첨가한 것을 제외하고는 실시예 2과 동일한 방법으로 24시간 동안 반응을 수행하여 알파-케토글루타메이트로부터 L-글루타메이트의 전환율을 측정하였다.24 hours in the same manner as in Example 2, except that W 2 Fe 4 Ta 2 O 17 , TiO 2 - x N x (x = 0.01) or TiO 2 catalyst was added as a catalyst and 5.0 mM of EDTA was further added. The reaction was carried out to determine the conversion of L-glutamate from alpha-ketoglutamate.

합성된 L-글루타메이트의 전환율은 문헌(C.B. Park and D.S. Clark, Biotechnol. Bioeng. 2002, 78, 229)의 방법대로 마이크로플레이트 리더를 사용하여 490 nm에서 퀴논이민(quinoneimine) 염료의 비색법으로 분석하여 측정하였다.The conversion of synthesized L-glutamate was measured by colorimetric analysis of quinoneimine dyes at 490 nm using a microplate reader according to the method of CB Park and DS Clark, Biotechnol. Bioeng. 2002, 78, 229. It was.

측정 결과를 표 3 및 도 7에 나타내었다.The measurement results are shown in Table 3 and FIG. 7 .

촉매catalyst L-글루타메이트의 전환율(%)% Conversion of L-glutamate TiO2 TiO 2 00 TiO2 - xNx TiO 2 - x N x 44 W2Fe4Ta2O17 W 2 Fe 4 Ta 2 O 17 1515

표 3 및 도 7에 나타낸 바와 같이, 광촉매로서 TiO2를 사용하는 경우에는 L-글루타메이트가 전환되지 않았고, 광촉매로서 가시광선을 흡수하는 TiO2 - xNx를 사용하는 경우에는 L-글루타메이트의 전환율이 4%로 나타났으나, W2Fe4Ta2O17를 사용하는 경우에는 L-글루타메이트의 전환율이 15%로 나타났다.As shown in Table 3 and FIG. 7 , when TiO 2 was used as the photocatalyst, L-glutamate was not converted, and when TiO 2 - x N x absorbing visible light was used as the photocatalyst, the conversion rate of L-glutamate was used. Was 4%, but when using W 2 Fe 4 Ta 2 O 17 The conversion of L-glutamate was found to be 15%.

따라서, 본 발명에 따른 산화환원효소 보조인자의 재생방법에 사용되는 광촉매는 W2Fe4Ta2O17를 사용하는 것이 바람직하다.Therefore, it is preferable to use W 2 Fe 4 Ta 2 O 17 as the photocatalyst used in the regeneration method of the oxidoreductase cofactor according to the present invention.

도 1은 로듐 Ⅲ 복합체 M의 전기화학적 변환을 나타낸 도면이다. 1 is a diagram showing the electrochemical conversion of rhodium III complex M.

도 2는 본 발명에 따른 가시광선 흡수 광촉매를 이용한 산화환원효소 보조인자 재생방법의 모식도이다. 2 is a schematic diagram of a method for regenerating oxidoreductase cofactors using a visible light absorbing photocatalyst according to the present invention.

도 3은 본 발명의 제조예에 따른 W2Fe4Ta2O17 촉매의 X선 회절(XRD)스펙트럼이다. 3 is W 2 Fe 4 Ta 2 O 17 according to the preparation example of the present invention X-ray diffraction (XRD) spectrum of the catalyst.

도 4는 본 발명의 제조예에 따른 W2Fe4Ta2O17 촉매의 전계방출형 주사전자현미경(FESEM) 사진이다. 4 is W 2 Fe 4 Ta 2 O 17 according to the preparation example of the present invention. Field emission scanning electron microscope (FESEM) photographs of the catalyst.

도 5는 본 발명의 제조예에 따른 W2Fe4Ta2O17 촉매의 확산 반사 스펙트럼(DRS)이다. 5 is W 2 Fe 4 Ta 2 O 17 according to the preparation example of the present invention The diffuse reflection spectrum (DRS) of the catalyst.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 광촉매 종류 및 환원제의 양에 대한 산화환원효소 보조인자의 생성량을 나타내는 그래프이다. Figure 6 is a graph showing the amount of oxidoreductase cofactor production for the type of photocatalyst and the amount of reducing agent according to an embodiment of the present invention.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 광촉매 종류에 대한 광촉매반응에 의한 L-글루타메이트의 전환율을 나타내는 그래프이다. 7 is a graph showing the conversion rate of L-glutamate by the photocatalytic reaction for the photocatalyst type according to one embodiment of the present invention.

Claims (11)

반응기에 산화형의 산화환원효소 보조인자; (헥사메틸벤젠-2,2'-비피리딘클로로)루테늄(Ⅱ) 또는 (펜타메틸사이클로펜타디에닐-2,2'-비피리딘클로로)로듐(Ⅲ) 중 어느 하나의 산화환원 매개체; 및 가시광선 흡수 광촉매로서 W2Fe4Ta2O17을 넣고 교반시면서 가시광선을 포함하는 빛을 조사하여 환원형의 산화환원효소 보조인자를 생성시키는 단계를 포함하는 산화환원효소 보조인자의 재생방법.Oxidation-reducing oxidase cofactors in the reactor; Redox mediator of either (hexamethylbenzene-2,2'-bipyridinechloro) ruthenium (II) or (pentamethylcyclopentadienyl-2,2'-bipyridinechloro) rhodium (III); And adding W 2 Fe 4 Ta 2 O 17 as a visible light absorbing photocatalyst and irradiating light containing visible light with stirring to generate a reduced oxidoreductase cofactor. . 제1항에 있어서, 상기 산화형의 산화환원효소 보조인자는 NAD+, NADP+, FAD+ 및 FMN+으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 산화환원효소 보조인자의 재생방법.The method for regenerating an oxidoreductase cofactor according to claim 1, wherein the oxidoreductase cofactor of the oxidized type is any one selected from the group consisting of NAD + , NADP + , FAD + and FMN + . 제1항에 있어서, 상기 산화형의 산화환원효소 보조인자는 NAD+인 것을 특징으로 하는 산화환원효소 보조인자의 재생방법.The method of claim 1, wherein the oxidoreductase cofactor of the oxidized type is NAD + . 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 전자의 들뜸으로 광촉매 내 가전자대에 생성된 정공(h+ VB)을 안정화시키기 위하여 환원제를 추가하는 것을 특징으로 하는 산화환원효소 보조인자의 재생방법.The method of regenerating a oxidoreductase cofactor according to claim 1, wherein a reducing agent is added to stabilize holes (h + VB ) generated in the valence band in the photocatalyst by the excitation of electrons. 제7항에 있어서, 상기 환원제는 EDTA, 트리메틸아민(TEA), NaBH4, 시트르산나트륨(Sodium Citrate)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 산화환원효소 보조인자의 재생방법.8. The method of claim 7, wherein said reducing agent is selected from the group consisting of EDTA, trimethylamine (TEA), NaBH 4 , sodium citrate. 제7항에 있어서, 상기 환원제의 첨가량은 0.5~20 mM인 것을 특징으로 하는 산화환원효소 보조인자의 재생방법.8. The method for regenerating oxidoreductase cofactor according to claim 7, wherein the amount of the reducing agent is 0.5 to 20 mM. 반응기에 산화형의 산화환원효소 보조인자; (헥사메틸벤젠-2,2'-비피리딘클로로)루테늄(Ⅱ) 또는 (펜타메틸사이클로펜타디에닐-2,2'-비피리딘클로로)로듐(Ⅲ) 중 어느 하나의 산화환원 매개체; 및 가시광선 흡수 광촉매로서 W2Fe4Ta2O17을 넣고 교반시면서 가시광선을 포함하는 빛을 조사하여 환원형의 산화환원효소 보조인자를 재생시키는 단계; 및 Oxidation-reducing oxidase cofactors in the reactor; Redox mediator of either (hexamethylbenzene-2,2'-bipyridinechloro) ruthenium (II) or (pentamethylcyclopentadienyl-2,2'-bipyridinechloro) rhodium (III); And adding W 2 Fe 4 Ta 2 O 17 as a visible light absorbing photocatalyst and irradiating light including visible light while regenerating a reduced oxidoreductase cofactor; And 상기 단계에서 재생된 환원형의 보조인자와, 산화환원효소로서 글루타메이트 탈수소효소 및 기질로서 알파-케토글루타레이트를 반응시키는 단계를 포함하는 L-글루타메이트의 제조방법.A method for producing L-glutamate comprising the step of reacting the reduced cofactor regenerated in the step, glutamate dehydrogenase as oxidoreductase and alpha-ketoglutarate as a substrate. 삭제delete
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