본 발명은 모나콜린-K 생산성이 우수한 모나스커스 러버 KACC 93007을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 모나스커스 러버 KACC 93007을 배양하여 그 배양물로부터 모나콜린-K를 제조하는 방법을 제공한다. 상기에서 모나스커스 러버 KACC 93007의 배양은 액체배양 또는 고체배양 모두에서 효과적으로 수행될 수 있다.
이하, 본 발명의 내용을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 모나스커스 러버 KACC 93007(이하 '신균주'라 칭함)는 콜레스테롤 생합성 억제효과를 가지는 모나콜린-K의 생산균주인 모나스커스 러버 KCCM 60394(ATCC 16366)(이하, '친균주'라 칭함)로부터 소정의 돌연변이 처리를 가한 후 이트라코나졸 저항성 균주로 선별된 것 중에서 모나콜린-K를 가장 많이 생산하는 것으로 확인된 균주이다.
본 발명에 따라 제조된 신균주 또는 동 균주가 생산하는 모나콜린-K는 의학적 또는 식품학적 용도로서 제공될 수 있다. 의약품 또는 식품의 첨가물로 제공되는 경우에는 홍국균 쌀 배양물을 제조하고 이로부터 얻어지는 열수, 주정 또는 유기용매 추출물의 형태로 제공될 수 있다. 또한 순수분리된 모나콜린-K를 의약품의 용도로 사용하는 경우에는 경구 또는 비경구적으로 투여될 수 있다. 비경구적으로 투여하는 경우, 상기 모나콜린-K를 생리염수 또는 적절한 완충용액에 용해시키고, 주사, 직장주입 또는 국부적용을 위한 액제 또는 현탁제로 제형화할 수 있다. 경구적으로 투여하는 경우, 분리한 모나콜린-K를 약제학적으로 허용가능한 부형제등과 혼합하고, 경우에 따라서는 젤라틴 캡슐, 정제 등으로도 제형화가 가능하다.
상기 본 발명에 따른 신균주의 배양생리학적 및 형태학적 특성을 친균주와 비교한 결과는 하기 표 1 내지 4와 같다.
<표 1> 친균주 KCCM 60394 및 신균주 KACC 93007균주의 한천배지에서의 배양학적 특징
배지 |
온도 |
M. ruber KCCM 60394 |
M. ruber KACC 93007 |
*PDA |
28℃ |
콜로니 크기 |
65~70mm |
콜로니 크기 |
60~65mm |
콜로니 색깔 |
밝은 갈색 |
콜로니 색깔 |
진한 붉은색/주황색 |
콜로니 형태 |
균사상 |
콜로니 형태 |
균사상 |
균사체 |
균사 발달 |
균사체 |
균사 발달 |
*MYA |
28℃ |
콜로니 크기 |
70~80mm |
콜로니 크기 |
60~70mm |
콜로니 색깔 |
연한 분홍색과 갈색 |
콜로니 색깔 |
진한 붉은색/주황색 |
콜로니 형태 |
균사상 |
콜로니 형태 |
균사상 |
균사체 |
균사 발달 |
균사체 |
균사 발달 |
※ Humid chamber에서 7일간 배양후 관찰
<PDA 및 MYA 고체배지 성분 및 농도>
PDA 배지 성분 |
농도(g/L) |
토마토, Infusion from 200g |
4.0 |
덱스트로스 |
20.2 |
아가 |
15.0 |
MYA 배지 성분 |
농도(g/L) |
맥아추출물 |
20.0 |
효모추출물 |
2.0 |
아가 |
15.0 |
상기 표 1에 제시된 바와 같이 친균주와 신균주의 배양학적 특성과 생리학적 특성들이 대부분 유사하다. PDA 및 MYA 플레이트에서 자라는 친균주와 신균주의 콜로니(colony) 형태나 크기에 있어서도 큰 차이는 없다. 또한 두 균주 모두 균사가 잘 발달되어 있고, 포자형성도 매우 활발하다. 그러나, PDA 및 MYA 플레이트 상에서 자라는 속도를 관찰해 보면 신균주의 성장속도가 조금 느린 것을 알 수 있으며, 두 균주의 색소 생산 경향에서 차이가 나는 것을 확인할 수 있다. 즉, 포자형성용 고체배지(sporulation plate)와 홍국생산용 고체배양에서 관찰되는 콜로니 및 색깔이 친균주의 경우에는 붉은색 색소를 많이 생산하고, 신균주의 경우에는 황색 또는 주황색 계열의 색소를 많이 생산하는 것을 확인할 수 있다.
<표 2> 친균주 KCCM 60394 및 신균주 KACC 93007균주의 색소 생산량 비교
Test |
M. ruber KCCM 60394 |
M. ruber KACC 93007 |
A495 (Red pigment) |
105 |
385 |
A385 (Orange pigment) |
87 |
500 |
<표 3> 친균주 KCCM 60394 및 신균주 KACC 93007균주의 생리적 특성 비교
Test |
M. ruber KCCM 60394 |
M. ruber KACC 93007 |
에탄올생산성 |
+ |
+ |
전분가수분해 |
+ |
++ |
아밀라제활성 |
+ |
++ |
카제인가수분해 |
+ |
+ |
지질가수분해 |
+ |
+ |
색소침착 |
레드 |
+++ |
++ |
오렌지 |
++ |
+++ |
※ +(보통) →+++(잘됨)
두 균주의 색소 생산량의 차이는 상기 표 2에 제시된 바와 같다. 또한 전분가수분해 결과(표 3)에 나타낸 바와 같이, 신균주는 친균주보다 전분가수분해 능력이 우수하며, 아밀라제의 활성도 우수한 것으로 관찰된다. 이 결과는 고체배양 시 소모된 기질의 양을 관찰해 봄으로써, 즉 고체배양의 기질로 사용된 쌀의 소모량(이용도)이 신균주에서 더 높게 나타난 결과에 의해서 재확인될 수 있다.
친균주와 신균주의 형태학적인 특성을 비교하기 위해서 각 균주의 슬라이드 배양을 통해 현미경 관찰을 수행한 결과는 하기 표 4와 같다. 슬라이드 배양은 멸균된 페트리디쉬에 삼각봉을 넣고 그 위에 슬라이드글라스를 얹은 뒤, 각 균주가 배양된 아가피이스(agar piece)를 올려 놓고 그 위에 커버글라스를 덮어 배양한다. 이때, 아가피이스가 마르지 않게 멸균된 증류수를 페트리디쉬에 약간 첨가하여 배양한다. 현미경 관찰은 커버글라스로 균사체가 자라 나오는 것이 관찰된 후에 수행한다.
<표 4> 친균주 KCCM 60394 및 신균주 KACC 93007균주의 형태학적 특성 비교
구분 |
M. ruber KCCM 60394 |
M. ruber KACC 93007 |
Vegetative hyphae(균사) |
+++ |
++ |
Aerial hyphae(기균사) |
++ |
++ |
Septum |
+ |
+ |
Rami(분지) |
- |
- |
Phialides |
- |
- |
Metulae(기저병자) |
- |
- |
Foot cell(병족세포) |
- |
- |
Conidiophore(분생자병) |
+++ |
++ |
Conidia(분생자) |
+++++ |
+++ |
Cleisothecium(폐자기) |
+++ |
+++++ |
Ascospore(유성포자) |
+++ |
+++++ |
※ +(보통) →+++++(잘됨)
상기 표 4에 나타낸 바와 같이 친균주와 신균주의 기본적인 형태학적 특징, 즉 균사 및 기균사를 형성하거나 격막(septum)을 가지는 등의 기본 구조는 동일하나, 신균주의 경우에는 친균주 보다 유성생식기인 폐자기(cleisothecium)의 형성이 매우 활발하며, 또한 자낭포자(ascospore)의 수도 많다. 또한 색소 생산량의 경우, 신균주가 친균주에 비해 3∼5배 정도 더 높다. 모나스커스속의 색소 생합성 경로가 이차대사산물인 모나콜린-K의 생합성 경로와 대부분 동일하게 진행되는 생리학적 특성을 고려해 볼 때, 본 발명에 따른 신균주가 모나콜린-K의 생합성 능력뿐만 아니라 색소 생합성 능력도 매우 훌륭한 고생산성 균주임을 확인할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 권리범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
<실시예 1> 신균주의 분리
돌연변이 및 이트라코나졸 저항성 균주 선별
본 실시예에서는 모나콜린-K 생산을 위한 돌연변이 및 이트라코나졸 내성 변이주를 얻기 위해 모나스커스 러버(Monascus ruber) KCCM 60394(한국미생물보존센터로부터 분양)을 친균주로 사용하였다. 상기 친균주로부터 이트라코나졸에 내성을 갖는 돌연변이주를 얻기 위해 포자형성 한천배지인 PDA 플레이트에 친균주를 도말하여 포자를 획득하였다. 포자 현탁액을 돌연변이원인 UV를 처리하여 돌연변이를 유발하였다. UV 처리시간은 대략 70∼80% 사멸조건인 30초로 하였다. UV를 처리한 뒤, 이트라코나졸 첨가 배지에 포자현탁액을 도말하였다. 이트라코나졸의 M. ruber 균주에 대한 최소저해농도(Minimum inhibitory concentration : MIC)를 미리 조사한 결과 30mg/L이었으므로, 이를 바탕으로 250mg/L의 이트라코나졸이 첨가된 선별배지(생산균주의 사멸율이 90% 이상임)에 변이처리된 균주를 도말하여 저항성 균주를 선별하고자 하였다. 암소에서 7∼10일 정도 도말된 균주를 배양한 뒤, 콜로니를 형성한 이트라코나졸 저항성 균주의 균사를 포자형성 배지에 계대배양하였다.
Monacolin-K 고생산성 균주 선별
본 실시예에서는 균주 선별을 위해 Ichikawa(Folia Microbiol, 16, 218-224,1971) 등이 개발한 아가 플러그(Agar plug)법을 기초로 하여, 본 발명에 적합하도록 개량한 아가 피이스 바이오에세이(agar piece bioassay) 방법을 이용하여(Park, 2000), 모나콜린-K 생산 능력이 우수한 돌연변이 균주를 대량 선별하였다. 선별된 균주들에 대해 액체배양 및 고체배양을 수행한 후, 모나콜린-K의 함량을 HPLC로 측정하여 생산성이 가장 높은 균주를 재선별하는 과정을 반복하였다.
실험결과
선별배지에서 배양한 후, 콜로니를 형성한 각각의 저항성 균주들을 아가 피이스 위에 올려 놓고, 모나콜린-K 민감성 균류(Aspergillus niger)가 도말된 플레이트에서 배양한 뒤, 성장저해환(clear zone)을 보여 주는 모나스커스 균주를 1차 모나콜린-K 생산성 균주로 선별하였다 (도 1참조).
상기 아가 피이스 바이오에세이를 통해 1차로 선별된 고생산성 균주들로부터 고체배양(solid-state fermentation)을 통해 모나콜린-K 생산성이 가장 뛰어난 균주를 선별하였으며, 이 고생산성 균주를 'W57'이라 명명하였다(도 2참조). 상기 선별된 W57 균주는 모나콜린-K 함량이 대략 0.5∼0.6%(w/w)인 것으로 확인되었다.
고체배양을 통해 선별된 W57 균주로부터 2차 고생산성 균주의 선별작업을 위해, W57 균주를 포자형성 배지에 도말하여 포자현탁액을 얻은 뒤, 이트라코나졸 농도가 500mg/L로 증가된 선별배지에 도말하여 2차 저항성 균주를 선별하였다. 2차 저항성 균주 선별 또한 1차 실험과 동일하게 아가 피이스 바이오에세이를 수행하여 모나콜린-K 생합성 능력이 우수한 균주들을 우선 선별한 후, 각 균주의 고체배양을 통해 모나콜린-K의 생산성을 조사하였다(도 3참조).
실험결과, 1차 저항성균주의 경우 모나콜린-K 함량이 0.1%(w/w) 이하인 균주가 대부분이었던 것과는 달리, 2차 저항성 균주들은 모나콜린-K의 생산성이 현저히 증가한 것을 확인할 수 있었다. 선별된 균주들 중에서 모나콜린-K 생산성이 가장 뛰어난 균주를 선별할 수 있었으며, 이 균주를 'Monascus ruber W57S48'이라고 명명하였다. 이와 같이, 최종 선별된 모나콜린-K 고생산성 균주를 특허균주기탁기관인 한국농용미생물보존센터(KACC) 농업생명공학연구원(NIAB)(KACC, 대한민국 수원시 441-707 소재)에 기탁번호 'KACC 93007' 로 2003.4.4일자로 기탁하였다.
<실시예 2> 신균주의 배양 및 모나콜린-K 생산능 측정
고체배양 (Solid State Fermentation) 방법
모나콜린-K 고생산성 균주의 선별 및 모나콜린-K 생산량을 확인하기 위해 고체배양실험을 수행하였다. 고체배양 실험은 강원도 철원에서 재배된 쌀을 기질로 사용하였다. 쌀 100g을 2∼3회 세척한 뒤, 충분히 잠길만한 물에 담근 후 30℃에서 3시간 침지시킨 후, 탈수과정을 거쳤다. 비이커에 쌀을 담고 121℃로 30분간 멸균한 뒤 실온에서 냉각시켰다. 낟알로 준비된 쌀에 seed 배양의 균사체를 10% 접종하고 쌀과 혼합이 잘 되도록 혼합한 뒤 28℃에서 10일간 고체배양을 수행하였다. 습도 유지를 위해 항온항습기에서 습도를 95% 이상이 되도록 조절하며 배양하였다.
액체배양 방법
모나콜린-K 생산량을 확인하기 위해 각 균주의 액체배양을 실시하였다. PDA 플레이트에서 10일간 배양한 각 균주로부터 20% 글리세롤 용액으로 포자를 수거한 뒤, 성장배지에 접종하였다. 250ml baffled flask에 50ml의 성장배지를 넣고 150rpm으로 28℃에서 5일간 배양하였다. 균사모양으로 자란 균사체를 최적화된 생산배지에 10%(v/v)으로 접종한 뒤 10일간 배양하여 모나콜린-K 생산량을 HPLC로 분석하였다. 본 실험에서 사용한 성장배지와 최적화된 생산배지의 성분은 하기 표 5와 같다.
<표 5> 배지 조성
성장배지 성분 |
농도(g/L) |
최적생산배지 성분 |
농도(g/L) |
글루코오스 |
30 |
수크로오스 |
110 |
(NH4)2SO4
|
10 |
맥아추출물 |
10 |
KH2PO4
|
0.75 |
(NH4)2SO4
|
10 |
MgSO4·7H2O |
0.5 |
스킴 밀크 |
30 |
CaCl2
|
0.1 |
|
|
미량원소 |
1ml |
|
|
증류수 |
1L |
증류수 |
1L |
모나콜린-K의 HPLC 분석방법
모나콜린-K의 함량을 측정하기 위해 HPLC(High Pressure Liquid Chromatography)를 사용하였다. 시료의 전처리는 동결건조된 시료 1g에 메탄올(MeOH)(reagent grade)을 20ml 첨가하여 혼합한 후에 실온에서 6시간 동안 추출하여 사용하였다. 상등액 1ml를 취하여 15,000rpm에서 10분간 원심분리한 후, 0.45㎛ 마이크로필터를 통과하여 HPLC 분석용 시료를 준비하였다. HPLC 분석조건은 다음 표 6과 같다.
<표 6> HPLC 분석조건
칼럼 |
10㎛ Waters μBondapak C18 reverse phase (3.9×300㎜)(Millipore, Milford, MA, USA) |
이동상 |
σ-phosphoric acid (18mM) : Me-OH (22.5 : 77.5) |
칼럼온도 |
40℃ by temperature controller |
검출기&조건 |
UV-VIS detector, Waters 486 |
UV 파장 |
238nm |
유속 |
1.2㎖/분 |
샘플주입 |
20㎕ |
표 7에 고체배양과 액체배양을 통해 신균주와 친균주의 모나콜린-K 생산량을 비교 조사한 결과를 제시하였다. 고체배양과 액체배양은 상기 실험방법에 기술한 바와 동일하게 수행하였다.
<표 7> 친균주 KCCM 60394 및 신균주 KACC 93007균주의 모나콜린-K 생산량 비교
Test |
M. ruber KCCM 60394 |
M. ruber KACC 93007 |
액체배양 |
50∼65 unit |
850∼1,000 unit |
고체배양 |
0.1∼0.2 % |
1.8∼2.3 % |
액체배양과 고체배양 실험 결과, 신균주의 모나콜린-K 생산성이 친균주에 비해 액체배양에서는 약 15배 정도, 그리고 고체배양에서는 약 10배 정도 향상되었음을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구에서 획득한 신균주 M. ruber KACC 93007은 모나콜린-K 생합성 능력이 매우 우수하며, 홍국 특유의 색소 생산 능력도 뛰어난 균주임을 확인할 수 있었다.