KR101717925B1 - 하이드로겔 가교체를 형성하여 효소를 안정화시키는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 효소를 안정화시키는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 효소를 폴리올에 균일하게 분산시켜 안정화하고 이를 다시 하이드로겔 용액에 재분산시킨 후 가교제를 첨가하여 가교에 의한 경화 과정을 거쳐 하이드로겔 가교체를 생성시킴으로써 효소를 안정화시키는 방법에 관한 것이다.

효소 안정화 * 하이드로겔 * 폴리올 * 가교제

Description

하이드로겔 가교체를 형성하여 효소를 안정화시키는 방법{Method for stabilizing enzyme forming cross-linked hydrogel with enzyme}

본 발명은 효소를 안정화시키는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 효소를 폴리올에 균일하게 분산시켜 안정화하고 이를 다시 하이드로겔 용액에 재분산시킨 후 가교제를 첨가하여 가교에 의한 경화 과정을 거쳐 하이드로겔 가교체를 생성시킴으로써 효소를 안정화시키는 방법에 관한 것이다.

바이오산업의 발전과 더불어, 다양한 효소가 치료/치유제로 사용되고 있다. 그러나, 대부분의 효소는 매우 짧은 반감기를 지니고 있어, 궁극적인 효능 발현 이전에 변성(denaturation)되는 경향이 있으며, 효소 성분의 이러한 낮은 안정도는 그 활용가치를 저하시키는 가장 큰 요인이 되고 있다. 따라서, 효소의 응용을 확대하기 위하여 최근 적절한 전달시스템의 구축에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 많은 효소 전달시스템 중에서 생분해성 고분자를 벽제로 활용한 연구는 장기 투여의 관점에서 많은 장점을 지니고 있다(Y. Okawa, et al., Chem . Pharmac . Bull. 5 (1988) 1095; 및 H. Okada, et al., Pharmac . Res . 11 (1994) 1143). 이러한 전달시스템 또한 제조 공정과 장기 보관의 관점에서는 안정도가 보장되어야 할 필요가 있다.

일반적으로 수-유-수 다중 에멀젼 방법이 효소 함유 마이크로캡슐의 제조를 위하여 자주 사용되지만, 수-유 계면에서 효소의 활성이 저하된다(P. Couvreur, et al., Adv . Drug Del . Rev. 28 (1997) 85; 및 H. Sah, J. Pharmac . Sci. 88 (1999) 1320). 따라서, 최근에는 고체-유-수 에멀젼 방법이 고체 상태에서 효소의 활성을 유지할 수 있다는 장점 때문에 보다 현실적으로 받아들여지고 있다(T. Morita, Y. Sakamura, Y. Horikiri, T. Suzuki, H. Yoshino, J. Control. Rel. 69 (2000) 435). 그러나, 상기 고체 상태의 효소를 캡슐화하는 방법들은 대부분 화학적인 환경에서 제조되는 제조 공정상의 특징 때문에 효소의 변성이 발생한다. 또한, 수용액상에서 폴리올을 효소와 함께 도입할 경우, 효소의 역가가 급격히 상승되는 것이 화학적으로 밝혀졌고(Jai K. Kaushik, et al., J. Phys . Chem . B 1998, 102, 7058-7066), 이를 응용한 여러가지 효소 안정화 방법이 제안되었다(한국공개특허공보 제2004-0084364호). 그러나, 이러한 폴리올 수용액에 의해 안정화된 효소는 계면활성제 및 오일이 포함된 화장품 제형 내에서는 효소의 계면이 계면 장력에 의해 변성되어 매우 불안정해지고, 고분자 마이크로캡슐을 이용하는 경우, 도입될 수 있는 효소의 함량이 제한적이고, 사용되는 유기 용매 환경에 의해 변성이 발생하게 된다.

이에 본 발명자들은 이러한 효소의 변성을 막을 수 있는 안정화 시스템을 개발하고자 노력한 결과, 효소를 폴리올에 균일하게 분산시켜 안정화하고 이를 다시 하이드로겔 용액에 재분산시킨 후 가교제를 첨가하여 가교에 의한 경화 과정을 거쳐 하이드로겔 가교체를 생성시킴으로써 효소를 안정화시킬 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 제약 또는 화장품 제형에 적용하기 위한 효소를 안정화시키는 방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 1) 효소를 폴리올에 분산시키는 단계; 2) 하이드로겔을 용매에 용해하는 단계; 3) 상기 1)의 용액을 2)에 재분산시키는 단계; 및 4) 가교제 용액을 상기 3)에 첨가한 후 40∼70℃에서 30분 내지 1시간 교반하여 하이드로겔 가교체를 생성하는 단계를 거쳐 효소를 안정화시키는 방법에 관한 것이다.

본 발명에서는 효소를 폴리올에 균일하게 분산시켜 안정화하고 이를 다시 하이드로겔 용액에 재분산시킨 후 가교제를 첨가하여 가교에 의한 경화 과정을 거쳐 하이드로겔 가교체를 생성시킴으로써 그 내부에 효소를 효과적으로 도입하여 효소의 안정성을 높여 주었으며, 상기 폴리올이 효소와 하이드로겔 사이에서 소수성 배향 효과를 부여하여 효소의 변성을 막고 그 활성도를 높여주었다.

본 발명은 효소를 폴리올에 균일하게 분산시켜 안정화하고 이를 다시 하이드로겔 용액에 재분산시킨 후 가교제를 첨가하여 가교에 의한 경화 과정을 거쳐 하이드로겔 가교체를 생성시킴으로써 효소를 안정화시키는 방법에 관한 것이다.

본 발명에서 제공하는 효소의 안정화 방법은 하기 단계들을 포함한다:

1) 효소를 폴리올에 분산시키는 단계;

2) 하이드로겔을 용매에 용해하는 단계;

3) 상기 1)의 용액을 2)에 재분산시키는 단계; 및

4) 가교제 용액을 상기 3)에 첨가한 후 40∼70℃에서 30분 내지 1시간 교반하여 하이드로겔 가교체를 생성하는 단계.

상기 과정을 보다 상세히 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 1) 단계에서 효소를 폴리올에 고르게 분산시킨다. 이때 사용하는 효소로는 산화환원효소, 전이효소, 가수분해효소, 리아제(lyase), 이성질화효소 및 리가아제 등의 효소를 포함하며, 예를 들면, 파파인, 세라티오 펙티다아제 및 리파아제 등을 들 수 있으나, 이에만 한정되지 않는다. 상기 효소들은 단독으로 또는 둘 이상을 혼합하여 사용하는 것이 가능하다.

상기 폴리올은 하이드로겔화 과정에서 고분자량에 의해 부여되는 소수성에 의해 효소와 물사이에 효과적으로 배향하게 되어, "소용매성 효과(solvophobic effect)"에 의하여 효소를 효과적으로 보호할 수 있다. 이러한 소수성 배향 효과를 유도하기 위해서는 폴리올의 분자량이 충분히 높아야만하며, 적절한 폴리올은 분자량이 5,000 g/mol 의 폴리에스테르 고분자로서, 구체적으로는 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜 및 그들의 공중합체 및 유도체들이 이에 해당한다.

상기 2) 단계에서 하이드로겔을 물, 알칼리 수용액 또는 에탄올 등의 용매에 용해한다.

이때, 하이드로겔로 사용되는 수용성 고분자는 젤라틴, 아카시아 검, 콜라겐 또는 카라기난 검 등을 들 수 있으며, 이들은 단독으로 또는 둘 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.

그런 다음 효소가 분산된 폴리올 용액을 하이드로겔 용액에 재분산시킨다.

이때, 상기 수용성 고분자, 즉 하이드로겔의 양은 효소와 폴리올을 합한 중량의 20∼30 중량%의 양을 사용하는 것이 적절하다. 또 상기 폴리올/효소를 합한 중량과 수용성 고분자의 양은 물에 대하여 30∼40 중량%로 도입한다.

상기 분산액에 가교제를 물 또는 알칼리 수용액 등의 용매에 용해한 가교제 용액을 첨가한 후 40∼70℃에서 30분 내지 한 시간 교반하여 하이드로겔 가교체를 생성한다.

상기 가교제는 아민 그룹과 축합 반응이 가능한 형태로서, 글리옥 살(glyoxal), 제니핀(genipin), 글루타르알데히드(glutaraldehyde) 또는 글리세롤(glycerol) 등이 사용 가능하며, 수용성 고분자 대비 0.7∼1.5 중량%로 도입한다. 상기 가교제를 1.5 중량%를 초과하여 도입할 경우에는 가교체의 강도가 매우 강해져서 제형 내에서 효소의 활성을 효과적으로 나타낼수 없고, 0.7 중량% 미만으로 도입할 경우에는 가교체가 효율적으로 형성되지 않아 안정화 효과를 나타낼 수 없다. 즉, 상기 가교제는 수용성 고분자 및 일부 효소와 축합 반응을 일으켜 망상 구조를 형성할 수 있다.

본 발명에서는 상기 과정을 통해 상대적으로 고함량의 효소/폴리올/하이드로겔 가교체를 얻을 수 있었다. 본 발명에 의한 가교체는 효소와 하이드로겔이 교차결합을 통해 가교체를 형성하고 그 내부에서 폴리올이 효소와 물 사이에 배향되어 효소를 효과적으로 보호해 준다. 초기 도입된 폴리올은 가교체 내에서 효소의 배치(conformation)가 지속적으로 유지될 수 있도록 화학적-물리적으로 조합된 가교체가 폴리올을 효소/물 계면에서 효과적으로 배향시켜 준다.

상기의 방법으로 제조된 하이드로겔 가교체를 효소(단백질) 안정화 하이드로겔로 활용할 수 있으며, 나아가 이 기술을 다른 효소 응용 기술에도 도입하는 것이 가능하다.

또한 본 발명에서 제조한 효소 안정화 하이드로겔 가교체는 제약 및 화장품 조성에서 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

이하, 본 발명의 내용을 실시예 및 시험예를 통하여 보다 구체적으로 설명한 다. 이들 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시되는 것일 뿐 본 발명의 권리범위가 이들 실시예로 한정되는 것은 아니고, 당업계에서 통상적으로 주지된 변형, 치환 및 삽입 등을 수행할 수 있으며, 이에 대한 것도 본 발명의 범위에 포함된다.

[실시예 1] 파파인 함유 폴리프로필렌글리콜/젤라틴 하이드로겔 가교체 제조

파파인을 분자량 5,000 g/mol의 고분자량 폴리프로필렌글리콜에 분산시켰다. 이 때 파파인의 함량은 전체 폴리프로필렌 대비 50%로 하였다. 이어서, 증류수에 젤라틴 6%를 용해시키고, 상기 파파인/폴리프로필렌 글리콜 혼합체를 전체 중량 대비 30%로 젤라틴 수용액과 혼합하였다. 이후, 40% 글리옥살 수용액을 약 1.5% 추가도입하고, 1시간 가량 상온에서 교반하여 최종적으로 반응을 마무리하였다.

[시험예 1] 파파인 도입량 분석

실시예 1에서 제조한 폴리프로필렌글리콜/젤라틴 하이드로겔 내 파파인 도입량은 다음과 같이 분석하였다. 먼저, 실시예 1에서 제조한 파파인 함유 폴리프로필렌글리콜/젤라틴 하이드로겔 50 ml을 디메틸설폭사이드 1 ml에 넣고 1시간 동안 항온배양한 후, 0.05% 소듐도데실설페이트/0.01N 소듐하이드록사이드 용액 2 ml를 첨가하여 실온에서 1시간 방치해서 효소를 완전히 녹였다. 이어서 마이크로-BCA를 이용한 단백질 정량을 통해 파파인의 함량을 정량하였으며, 하기 수학식 1에 의거 파파인 도입률을 산출한 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

도입률(%) = 파파인 실측량(중량)/(폴리프로필렌글리콜/젤라틴 하이드로겔)중량 × 100

파파인 도입량 (중량%, 이론치)	파파인 도입량 (중량%, 계산치)	도입률(%)
15	13	86

상기 표 1의 결과에서, 본 발명에 의한 안정화 시스템을 통해 효소를 효과적으로 포집하였음을 확인하였다.

[실시예 2]

상기 실시예 1에서, 파파인 도입량을 전체 가교체 대비 15 중량%로 조절한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 파파인 함유 폴리프로필렌글리콜/젤라틴 하이드로겔 가교체를 제조하였다.

[비교예 1]

파파인 1 중량%를 분자량 5,000 g/mol의 고분자량 폴리프로필렌글리콜 1 중량%에 분산시켜 비교예 1을 제조하였다.

[비교예 2]

파파인을 분자량 400 g/mol의 폴리에틸렌글리콜에 분산시켰다. 상기 분산액을 폴리메틸메타크릴레이트(75,000 g/mol 분자량)와 3:7의 중량비로 메틸렌클로라이드에 실온 교반하여 완전 용해하였다. 폴리에틸렌글리콜과 폴리메틸메타크릴레이트는 메틸렌클로라이드에 대하여 20 중량% 도입하였다.

상기 용액을 다시 1%의 폴리비닐알콜(평균 검화도 89%)이 녹아 있는 수용액에 넣고 기계식 호모게나이저를 이용하여 5,000 rpm에서 5분간 유화하였다. 이 때, 폴리에틸렌글리콜/폴리메틸메타크릴레이트/메틸렌클로라이드 용액은 수상에서 30 중량%의 농도를 갖는다. 유화가 끝난 후, 유화액은 감압증발기로 옮겨 실온에서 30분간 감압교반하여 용매인 메틸렌클로라이드를 완전히 제거하였다. 감압증발 공정이 끝난 후, 분산액은 여과지를 통과시켜 여과시켜 캡슐만 회수하고 물을 포함하는 모든 수용성 물질은 제거하였다. 회수된 캡슐은 실온 감압 건조기에서 1일 동안 건조하였다.

[제형예 1 및 비교제형예 1∼3]

하기 표 2에 기재된 조성에 따라 제형예 1 및 비교제형예 1∼3의 화장료를 제조하였다(단위: 중량%).

구분	배합성분	제형예 1	비교제형예 1	비교제형예 2	비교제형예 3
수상	실시예 2	2.0	-	-	-
수상	비교예 1	-	2.0	-	-
수상	비교예 2	-	-	-	2.0
수상	파파인	-	-	1.0	-
수상	정제수	잔량	잔량	잔량	잔량
유상	식물성 경화유	1.50	1.50	1.50	1.50
유상	스테아린산	0.60	0.60	0.60	0.60
유상	글리세롤 스테아레이트	1.00	1.00	1.00	1.00
유상	세테아릴 알코올	2.00	2.00	2.00	2.00
유상	아라키딜 베헤닐 알코올 및 아라키딜글루코사이드	1.00	1.00	1.00	1.00
유상	세테아릴 알코올 및 세테아릴글루코사이드	2.00	2.00	2.00	2.00
유상	PEG-100 스테아레이트, 글리세롤올레이트 및 프로필렌글리콜	1.50	1.50	1.50	1.50
유상	카프릴릭/카프릭 트리글리세라이드	11.00	11.00	11.00	11.00
유상	사이클로메치콘	6.00	6.00	6.00	6.00
수상	방부제, 향	적량	적량	적량	적량
수상	트리에탄올 아민	0.10	0.10	0.10	0.10

<제조방법>

1) 수상성분들을 실온상에서 균일하게 혼합하고 60℃로 가열하였다.

2) 유상 성분들을 60℃로 가열하여 균일하게 용해 및 혼합하였다.

3) 교반 하에 상기 2)에 상기 1)을 투입하여 균일하게 유화하였다.

[시험예 2] 파파인 안정도 분석

제형예 1 및 비교제형예 1∼3에서 제조한 화장료 내에서의 파파인 활성도를 저장 온도 45℃에서 저장기간에 따라 확인하였다.

하이드로겔 내 파파인의 활성도는 다음과 같이 분석하였다. 아세톤 1 ml에 제형예 1 및 비교제형예 1∼3을 20 ml씩 넣고 10초간 초음파를 주사하였다. 이어서, 12,000 rpm에서 5분간 원심 분리하였다. 이 과정을 3회 반복하여 순수 효소만을 얻었다. 얻어진 순수 효소는 카제인을 기질로 280 nm에서 UV 흡광기를 이용하여 활성도를 측정하였다. 저장 조건에 따라 얻어진 파파인의 활성도를 하기 표 3에 나타내었다.

구분	초기	1주	2주	4주	8주	16주
제형예 1	100%	95%	85%	81%	81%	80%
비교제형예 1	100%	67%	59%	51%	27%	15%
비교제형예 2	100%	49%	21%	5%	-	-
비교제형예 3	100%	90%	86%	75%	69%	71%

상기 표 3의 결과에서, 제형예 1에서 제조한 파파인 함유 폴리프로필렌글리콜/젤라틴 하이드로겔을 포함하는 제형예 1은 비교제형예 1∼3 대비 장기 저장 조건에서도 우수한 활성도를 나타내었다.

이와 같이, 효소의 우수한 활성도는 폴리에틸렌글리콜과 같은 폴리올이 하이드로겔 내에서 고체 형태의 효소를 효과적으로 안정화한다는 것을 의미한다. 즉, 효소와 하이드로겔과 같은 고분자 벽제 사이에 폴리올이 적절하게 위치하여 소수성 분배 효과를 부여함으로써 효소와 고분자 간의 직접적인 상호작용을 차단하여 결과적으로 효소의 안정도를 향상시키는 것임을 확인할 수 있었다.

본 발명에 의한 하이드로겔 가교체는 그 내부에 효소성분을 효과적으로 도입할 수 있는 시스템이다. 특히, 폴리올의 소용매성 효과를 계면활성제와 오일이 많은 화장품 제형 내에서 효과적으로 발휘할 수 있도록, 효소와 하이드로겔 사이에서 소수성 배향 효과를 부여하여 효소의 변성을 막을 수 있는 면에서 큰 의미를 찾을 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 하이드로겔 가교체는 내부에 고함량으로 담지된 효소에 대한 우수한 안정도를 부여하여 실질적인 응용에 있어서 효소의 활용도를 더욱 높여 줄 수 있을 것으로 기대된다. 특히, 효소를 촉매로 사용하는 다양한 바이오엔지니어링 분야에서 반응 제어 시스템으로 활용이 가능하고, 효소를 분해 촉매로 사용하는 피부과학 분야에서는 각질 케어 및 타 유효성분 피부 흡수 가속화제로 의미 있게 활용될 것으로 기대된다.

Claims (6)

1) 파파인을 폴리올에 분산시키는 단계;

2) 하이드로겔을 용매에 용해하는 단계;

3) 상기 1) 단계에서 분산된 파파인을 2) 단계에서 용해된 하이드로겔에 재분산시키는 단계; 및

4) 가교제 용액을 상기 3) 단계에서 재분산된 파파인에 첨가한 후 40~70℃에서 30분 내지 1시간 교반하여 하이드로겔 가교체를 생성하는 단계;

를 포함하여 파파인을 안정화시키는 방법으로서,

상기 4) 단계의 가교제 용액에 용해된 가교제는 글리옥살(glyoxal), 제니핀(genipin), 글루타르알데히드(glutaraldehyde) 및 글리세롤(glycerol)로 이루어진 군에서 선택된 것이며, 상기 가교제 용액의 중량은 상기 하이드로겔 중량에 대하여, 0.7~1.5 중량%인, 파파인을 안정화시키는 방법.

삭제

제 1항에 있어서, 상기 1) 단계에서 사용하는 폴리올은 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜 및 그들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 것임을 특징으로 하는 파파인을 안정화시키는 방법.

제 1항에 있어서, 상기 2) 단계에서 사용하는 하이드로겔은 젤라틴, 아카시아 검, 콜라겐 및 카라기난 검으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상임을 특징으로 하는 파파인을 안정화시키는 방법.

제 1항에 있어서, 상기 4) 단계에서 사용하는 가교제는 글리옥살(glyoxal)인 것을 특징으로 하는 파파인을 안정화시키는 방법.

제 1항, 및 제 3항 내지 제 5항 중 어느 한 항에에 의한 방법으로 제조되고, 안쪽부터 파파인, 폴리올 및 하이드로겔 가교체가 순차적으로 배치된 구조를 갖는 파파인/폴리올/하이드로겔 가교체.