KR101190291B1 - Method for Photochemical Regenerating Oxidoreductase Cofactor Using Inorganic photosensitizer - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무기 광감응제를 이용한 옥시도리덕타제 보조인자의 광화학적 재생 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무기 광감응제와 산화환원 매개체를 이용하여, 산화형의 옥시도리덕타제 보조인자를 환원형의 옥시도리덕타제 보조인자로 변환시키는 것을 특징으로 하는 옥시도리덕타제 보조인자의 광화학적 재생 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 가시광 영역의 빛의 조사만으로도 옥시도리덕타제 보조인자의 신속하게 재생시킬 수 있어, 옥시도리덕타제 효소를 이용하는 다양한 생촉매반응의 효율을 높이는데 매우 유용하게 사용될 수 있다.
The present invention relates to a photochemical regeneration method of an oxidoreductase cofactor using an inorganic photosensitizer, and more particularly, to an oxidation type oxidoreductase cofactor using an inorganic photosensitizer and a redox mediator. The present invention relates to a photochemical regeneration method of an oxidoreductase cofactor which is converted to a reduced oxidoreductase cofactor.
According to the present invention, it is possible to rapidly regenerate the oxidoreductase cofactor by only irradiating light in the visible light region, and can be very useful for increasing the efficiency of various biocatalytic reactions using the oxidoreductase enzyme.

Description

무기 광감응제를 이용한 옥시도리덕타제 보조인자의 광화학적 재생방법 {Method for Photochemical Regenerating Oxidoreductase Cofactor Using Inorganic photosensitizer)}Photochemical Regeneration of Oxidoreductase Cofactor Using Inorganic Photosensitive Agents {Method for Photochemical Regenerating Oxidoreductase Cofactor Using Inorganic photosensitizer}

본 발명은 무기 광감응제를 이용한 옥시도리덕타제 보조인자의 광화학적 재생 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 메틸비올로겐, 루테늄 II 복합체 및 로듐 III 복합체로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 1종 이상의 산화환원 매개체와 무기 광감응제를 이용하여, 산화형의 옥시도리덕타제 보조인자를 환원형의 옥시도리덕타제 보조인자로 변환시키는 것을 특징으로 하는 옥시도리덕타제 보조인자의 광화학적 재생 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a photochemical regeneration method of an oxidoreductase cofactor using an inorganic photosensitizer, and more particularly, any one selected from the group consisting of methyl viologen, ruthenium II complex, and rhodium III complex. In the photochemical regeneration method of an oxidoreductase cofactor, the oxidative oxidoreductase cofactor is converted into a reduced oxidoreductase cofactor by using the above-described redox mediator and an inorganic photosensitizer. It is about.

효소를 이용한 촉매 반응은 산업적으로 반드시 필요한 정밀 화학 물질을 생산하는데 있어 중요한 역할을 담당한다. 그러나 지금까지 주로 사용된 화학 촉매들은 생산 과정 중에 stereoisomer와 같은 부산물을 만드는 경우가 대부분이며, 이에 따른 정제 과정으로 인해 물질의 생산 단가가 상당히 높아졌다. 이러한 화학 촉매와는 달리 효소를 이용한 생체 촉매를 사용하는 경우에는 부산물 없이 특정 물질만 생산하는 것이 가능하다. 특히, glutamate dehydrogenase (GDH), alcohol dehydrogenase (ADH), lactate dehydrogenase (LDH)와 같은 산화환원효소들은 chiral compound나 alchol, aldehyde, amino acid 등 고가의 정밀 화학 물질들을 생산하는데 주로 쓰여 그 활용 가치가 매우 높다. Catalytic reactions with enzymes play an important role in producing the fine chemicals that are industrially necessary. However, the chemical catalysts used up to now mostly produce by-products such as stereoisomers during the production process, and the purification process increases the production cost of the material considerably. Unlike such chemical catalysts, when using a biocatalyst using an enzyme, it is possible to produce only a specific material without by-products. In particular, redox enzymes such as glutamate dehydrogenase (GDH), alcohol dehydrogenase (ADH) and lactate dehydrogenase (LDH) are mainly used to produce high-quality fine chemicals such as chiral compounds and alchol, aldehydes and amino acids. high.

그러나 산화환원효소를 사용하기 위해서는 보조인자가 필요하다는 것이 제약이 된다. 산화환원효소를 이용한 생체촉매 반응에서 보조인자는 reducing equivalent로 작용하기 때문에 효소 반응 수행에 매우 중요한 역할을 한다. 하지만 산화 또는 환원의 두 가지 형태를 가지는 보조인자는 다른 하나의 상태로 변환이 되면 더 이상 효소 반응에 사용할 수 없다. 따라서 항상 효소기질과 동일한 양을 사용해야 하는데, 보조인자가 상당한 고가임을 고려했을 때 실제 산업에서 사용되기에는 경제적인 측면에서 어려움이 많다. However, there is a restriction that cofactors are required to use oxidoreductase. In the biocatalyst reaction using oxidoreductase, the cofactor plays a very important role in carrying out the enzyme reaction because it acts as a reducing equivalent. However, cofactors, which have two forms of oxidation or reduction, can no longer be used for enzymatic reactions once they are converted to one state. Therefore, the same amount as the enzyme substrate should always be used, considering that the cofactor is quite expensive, there are many economic difficulties in using it in the actual industry.

따라서, 보조인자를 재생하여 다시 사용하기 위한 연구가 진행되어, 그 결과 많은 재생법들이 개발되었다. 대표적인 방법으로는 제 2효소를 사용한 생화학적 방법과 전기화학적 방법이 있는데, 이 중 제 2효소를 사용한 생화학적 방법은 제 2효소의 반응에 따른 부산물이 형성되거나 기질 간의 경쟁에서 야기되는 낮은 열역학적 평형으로 전체 반응 속도가 감소하는 등 많은 문제점을 가지고 있다. 전기화학적인 보조인자의 재생법 또한 전극과 산화형의 옥시도리덕타제 보조인자 사이의 느린 전자전달 속도로 인하여 재생 효율이 떨어지는 문제점을 가지고 있다. 이를 해결하기 위하여 균등질의 산화환원 매개체(mediator)를 사용하여 전극과 보조인자 사이에 전자를 전달하는 방법이 개발된 바 있다. Therefore, researches for regenerating and reusing cofactors have been conducted, and as a result, many regeneration methods have been developed. Representative methods include biochemical methods and electrochemical methods using a second enzyme. Among them, a biochemical method using a second enzyme has a low thermodynamic equilibrium caused by formation of by-products or competition between substrates. As a result, the overall reaction rate is reduced. Regeneration of electrochemical cofactors also has a problem of poor regeneration efficiency due to the slow electron transfer rate between the electrode and the oxidoreductase cofactor of the oxidized type. To solve this problem, a method of transferring electrons between an electrode and a cofactor using a homogeneous redox mediator has been developed.

구체적으로, 메틸비올로겐 (methyl viologen)이 NAD(P)H에 대한 전자전달 매개체로써 Flavoenzyme(Ferredoxin reductase (FDR) 혹은 Lipoamide Dehydrogenase (LipDH))과 함께 간접적인 전기화학적 재생에 사용된 바 있으며(Dicosimo et al., J Org Chem 46:4622, 1981), 루테늄(II) 복합체인 (헥사메틸벤젠-2,2'-비피리딘클로로)루테늄(II)을 케톤류의 알콜로의 환원에 전자전달을 위한 매개체로 사용된 바 있고(Ogo S et al., Organometallics 21:2964, 2002; Yaw Kai Yan et al. J Biol Inorg Chem 11:483, 2006), 로듐 복합체인 (펜타메틸사이클로펜타디에닐-2,2'-비피리딘클로로)로듐(III):[Cp*Rh(bpy)H2O]2+ (이하 Mox)를 NAD(P)+에의 전자전달을 위한 매개체로 사용한 바 있으며(R. Ruppert, S.et al., Tetrahedron Lett., 28:6583, 1987; F. Hollmann, A.et al., Angew. Chem. 113:190, 2001; Angew. Chem. Int. Ed., 40:169, 2001; K. Vuorilehtoet al., Bioelectrochemistry, 65: 1, 2004), 상기 로듐 복합체를 FADH2의 재생에 사용한 바 있다(F. Hollmann et al. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic 19-20:167, 2003). 그러나 전기화학적인 재생방법은 본질적으로 전극의 표면적에 절대적으로 의존적인 수득률을 보여 생산력에 한계를 보이는 단점이 있다. 넓은 표면적의 전극을 사용하면 그만큼 높은 반응 속도와 생산력을 얻을 수 있으나 그에 따르는 기반설비 비용이 증가하게 되어 대량 생산에 어려움이 있다.Specifically, methyl viologen has been used for indirect electrochemical regeneration with Flavoenzyme (Ferredoxin reductase (FDR) or Lipoamide Dehydrogenase (LipDH)) as an electron transfer medium for NAD (P) H ( Dicosimo et al., J Org Chem 46: 4622, 1981), electron transfer of the ruthenium (II) complex (hexamethylbenzene-2,2'-bipyridinechloro) ruthenium (II) to reduction of ketones to alcohols (Ogo S et al ., Organometallics 21: 2964, 2002; Yaw Kai Yan et al . J Biol Inorg Chem 11: 483, 2006) and the rhodium complex (pentamethylcyclopentadienyl-2) , 2'-bipyridinechloro) rhodium (III): [Cp * Rh (bpy) H 2 O] 2+ (hereinafter M ox ) was used as a medium for electron transfer to NAD (P) + (R. Ruppert, S. et al., Tetrahedron Lett ., 28: 6583, 1987; F. Hollmann, A. et al., Angew. Chem . 113: 190, 2001; Angew. Chem. Int. Ed. , 40: 169 , 2001; K. Vuorilehto et al., Bioelectrochemistry , 65: 1, 20 04) The rhodium complex has been used for the regeneration of FADH 2 (F. Hollmann et al. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic 19-20: 167, 2003). However, the electrochemical regeneration method has a disadvantage in that the productivity is limited because the yield is essentially dependent on the surface area of the electrode. The use of a large surface area electrode can achieve such a high reaction rate and productivity, but there is a difficulty in mass production due to an increase in the infrastructure cost.

이에 비해 보조인자의 광화학적 재생법은 무제한 사용이 가능한 태양광을 에너지원으로 한다는 점에서 최근 각광받고 있다. 하지만 이러한 장점에도 불구하고 보조인자의 재생 효율은 높지 않았는데, 가장 큰 원인이 고효율의 광감응제가 개발되지 않았기 때문이다. 광감응제를 통하여 태양광으로부터 에너지를 얻는 광화학적 재생법의 특성상 광감응제가 가능하면 많은 양의 에너지를 태양광으로부터 흡수해야 하는데, 지금까지 사용했던 TiO2, ZrO2, SrTiO3, Ta2O5 등은 주로 자외선 영역의 빛을 흡수하는데 알맞은 물질이었다. 자외선 영역의 에너지가 전체 태양광 에너지의 4 %에 해당한다는 사실을 고려할 때, 46 %를 차지하는 가시광 영역을 흡수하는 새로운 광감응제의 개발은 필수이다.On the other hand, photochemical regeneration of cofactors has been in the spotlight in recent years in that the solar energy can be used as an unlimited energy source. However, despite these advantages, the regeneration efficiency of the cofactor was not high, because the high efficiency photosensitive agent was not developed. Due to the nature of the photochemical regeneration method that obtains energy from the sunlight through the photosensitive agent, the photosensitive agent should absorb a large amount of energy from the sunlight if possible. TiO 2 , ZrO 2 , SrTiO 3 , Ta 2 O 5 and the like were mainly suitable for absorbing light in the ultraviolet region. Given the fact that the energy in the ultraviolet region corresponds to 4% of the total solar energy, the development of a new photoresist that absorbs the visible region, which accounts for 46%, is essential.

한편, 나노 입자들은 입자 크기를 조절함으로써 광학적 특성을 쉽게 조절할 수 있고, 저온에서 상대적으로 싼 값에 합성할 수 있으며, 부피에 비해 표면적이 넓다는 장점을 가지고 있다. 이러한 장점들로 인해 나노 입자들은 multicolor optical coding, biological imaging, optoelectronic device 등 다양한 분야에 사용되고 있으며, 그 중에서도 CdS, CdSe, CdTe 나노 입자는 최근 각광받고 있는 태양전지에 많이 사용되고 있다. 이들 나노 입자의 높은 흡광 계수는 태양전지가 많은 양의 빛을 흡수할 수 있도록 도와주며, 뛰어난 광안정성은 오랜 기간 태양전지의 안정적인 사용이 가능하도록 해준다.On the other hand, nanoparticles have the advantage of being easy to control the optical properties by controlling the particle size, synthesized at a relatively low value at low temperatures, and has a large surface area compared to the volume. Due to these advantages, nanoparticles are used in various fields such as multicolor optical coding, biological imaging, and optoelectronic devices, and among them, CdS, CdSe, and CdTe nanoparticles have been widely used in solar cells that are in the spotlight recently. The high absorption coefficients of these nanoparticles help the solar cells absorb large amounts of light, and their excellent light stability enables long-term stable use of the solar cells.

이에, 본 발명자는 카드뮴 나노 입자를 옥시도리덕타제 보조인자를 광화학적으로 재생하는데 사용하는 경우, 가시광선 영역에서도 효율적으로 옥시도리덕타제 보조인자를 재생할 수 있다는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
Thus, the present inventors have confirmed that when the cadmium nanoparticles are used to photochemically regenerate oxidoreductase cofactors, the present invention can efficiently regenerate oxidoreductase cofactors in the visible region, thereby completing the present invention. It became.

본 발명의 목적은 가시광선 영역에서도 효율적으로 옥시도리덕타아제 보조인자를 재생시킬 수 있는 방법을 제공하는데 있다.
It is an object of the present invention to provide a method capable of efficiently regenerating oxidoreductase cofactors in the visible light region.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (i) 산화형 옥시도리덕타제 보조인자, (ii) 무기 광감응제, (iii) 산화환원 매개체 및 (iv) 희생전자 주개를 함유하는 옥시도리덕타제 보조인자 재생용액에 빛을 조사하는 것을 특징으로 하는 옥시도리덕타제 보조인자의 광학적 재생방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides an oxidoreductase containing (i) an oxidized oxidoreductase cofactor, (ii) an inorganic photosensitizer, (iii) a redox mediator and (iv) a sacrificial electron donor. Provided is an optical regeneration method of an oxidoreductase cofactor, characterized in that light is irradiated to the cofactor regeneration solution.

본 발명은 또한, (i) 산화형 옥시도리덕타제 보조인자, (ii) 무기 광감응제, (iii) 산화환원 매개체 및 (iv) 희생전자 주개를 함유하는 옥시도리덕타제 보조인자 재생용 조성물을 제공한다.
The present invention also provides a composition for regeneration of an oxidoreductase cofactor containing (i) an oxidized oxidoreductase cofactor, (ii) an inorganic photosensitizer, (iii) a redox mediator, and (iv) a sacrificial electron donor. To provide.

본 발명에 따르면, 가시광 영역의 빛의 조사만으로도 옥시도리덕타제 보조인자의 신속하게 재생시킬 수 있어, 옥시도리덕타제 효소를 이용하는 다양한 생촉매반응의 효율을 높이는데 매우 유용하게 사용될 수 있다.
According to the present invention, it is possible to rapidly regenerate the oxidoreductase cofactor by only irradiating light in the visible light region, and can be very useful for increasing the efficiency of various biocatalytic reactions using the oxidoreductase enzyme.

도 1은 카드뮴 나노 입자 및 로듐 복합체를 이용한 NADH의 광학적 재생의 모식도를 나타낸 것이다.
도 2은 NADH의 광학적 재생 메커니즘 분석을 위한 형광 스펙트럼 및 순환 전압-전류도를 나타낸 것이다.
도 3는 카드뮴 나노 입자의 농도 및 빛의 조사 여부를 변수로 실험한 광화학적 NADH 재생의 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 광화학적 NADH 재생 시스템에서의 카드뮴 나노 입자 효율을 다른 종류의 무기 광감응제를 사용해 NADH를 재생한 경우와 비교한 것이다.
도 5는 카드뮴 나노 입자의 입자 크기 변화가 NADH의 광화학적 재생에 끼치는 영향을 나타낸 것이다.
도 6은 동일 표면적 하에서 나노 입자와 마이크로 입자의 NADH 재생 결과를 비교한 것이다.
1 shows a schematic diagram of optical regeneration of NADH using cadmium nanoparticles and rhodium complexes.
2 shows fluorescence spectra and cyclic voltammograms for analyzing the optical regeneration mechanism of NADH.
Figure 3 shows the results of photochemical NADH regeneration experiments with the concentration of the cadmium nanoparticles and whether or not light irradiation.
FIG. 4 compares the cadmium nanoparticle efficiencies in photochemical NADH regeneration systems with the regeneration of NADH using different types of inorganic photosensitizers.
FIG. 5 shows the effect of particle size change of cadmium nanoparticles on the photochemical regeneration of NADH.
6 compares NADH regeneration results of nanoparticles and microparticles under the same surface area.

일 관점에서, 본 발명은 (i) 산화형 옥시도리덕타제 보조인자, (ii) 무기 광감응제, (iii) 산화환원 매개체 및 (iv) 희생전자 주개를 함유하는 옥시도리덕타제 보조인자 재생용액에 빛을 조사하는 것을 특징으로 하는 옥시도리덕타제 보조인자의 광학적 재생방법에 관한 것이다.In one aspect, the present invention is directed to regeneration of an oxidoreductase cofactor containing (i) an oxidized oxidoreductase cofactor, (ii) an inorganic photosensitizer, (iii) a redox mediator, and (iv) a sacrificial electron donor The present invention relates to an optical regeneration method of an oxidoreductase cofactor, which is irradiated with light.

본 발명에 있어서, 상기 산화형 옥시도리덕타제 보조인자는 NAD+, NADP+, FAD+ 및 FMN+으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 무기 광감응제는Cd, Ti, Zn, W 및 Ta로 구성된 나노입자 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, the oxidized oxidoreductase cofactor may be selected from the group consisting of NAD + , NADP + , FAD + and FMN + , wherein the inorganic photosensitizer is Cd, Ti, Zn, It may be characterized in that it is selected from the group of nanoparticles consisting of W and Ta.

바람직하게는, 상기 Cd 나노입자는 CdS, CdSe, CdTe일 수 있으며, 상기 Ti 나노입자는 TiO2, SrTiO3 등일 수 있으며, Zn 나노입자는 ZnS, In2O3(ZnO)3 등일 수 있고, W 나노입자는 WO3, W2Fe4Ta2O17 등일 수 있으며, Ta 나노입자는 Ta2O5, NaTaO3 등일 수 있다.Preferably, the Cd nanoparticles may be CdS, CdSe, CdTe, the Ti nanoparticles may be TiO 2 , SrTiO 3 and the like, Zn nanoparticles may be ZnS, In 2 O 3 (ZnO) 3 and the like, The W nanoparticles may be WO 3 , W 2 Fe 4 Ta 2 O 17, or the like, and the Ta nanoparticles may be Ta 2 O 5 , NaTaO 3, or the like.

본 발명에 있어서, 상기 Cd(카드뮴) 나노입자는 CdS(황화카드뮴), CdSe(셀런화 카드뮴) 및 CdTe(카드뮴텔루라이드)로 구성된 군에서 선택되는 카드뮴 결정의 나노입자인 것을 특징으로 할 수 있다. In the present invention, the Cd (cadmium) nanoparticles may be characterized in that the nanoparticles of cadmium crystals selected from the group consisting of CdS (cadmium sulfide), CdSe (cadmium selenide) and CdTe (cadmium telluride). .

본 발명에서, 카드뮴 나노입자는 1~5 nm 크기의 나노입자를 사용하는 것이 바람직하다.In the present invention, it is preferable to use cadmium nanoparticles with nanoparticles having a size of 1 to 5 nm.

본 발명에 있어서, 상기 산화환원 매개체는 메틸비올로겐, 루테늄 II 복합체 및 로듐 III 복합체로 구성되는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 루테늄 II 복합체는 (헥사메틸벤젠-2,2′-비피리딘클로로)루테늄(II)인 것을 특징으로 할 수 있으며, 상기 로듐 III 복합체는 (펜타메틸사이클로펜타디에닐-2,2'-비피리딘클로로)로듐(III)인 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, the redox mediator may be selected from the group consisting of methylviologen, ruthenium II complex and rhodium III complex, wherein the ruthenium II complex is (hexamethylbenzene-2,2 ' -Bipyridinechloro) ruthenium (II), and the rhodium III complex may be characterized as (pentamethylcyclopentadienyl-2,2'-bipyridinechloro) rhodium (III). .

본 발명에 있어서, 상기 희생전자주개는 트리에탄올아민(Triethanolamine, TEOA), 에틸렌디아민테트라아세트산(Ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA), 시트르산(Citric acid), 개미산(Formic acid), 아스코르브산(Ascorbic acid), 옥살산(Oxalic acid), 알코올류 및 물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 빛은 텅스텐-할로겐 램프광, 제논 램프광, 단파장 레이저광 및 태양광으로 구성되는 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, the sacrificial electron donor is triethanolamine (TEOA), ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), citric acid, formic acid, ascorbic acid, ascorbic acid, oxalic acid ( Oxalic acid), alcohols and water, and the light may be selected from the group consisting of tungsten-halogen lamp light, xenon lamp light, short wavelength laser light and sunlight. Can be.

본 발명에 있어서, 인공광원과 석영반응기를 포함하는 옥시도리덕타제 반응기에서 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, it may be characterized in that it is carried out in an oxidoreductase reactor comprising an artificial light source and a quartz reactor.

다른 관점에서, 본 발명은 (i) 산화형 옥시도리덕타제 보조인자, (ii) 무기 광감응제, (iii) 산화환원 매개체 및 (iv) 희생전자 주개를 함유하는 옥시도리덕타제 보조인자 재생용 조성물에 관한 것이다.In another aspect, the present invention is directed to regeneration of an oxidoreductase cofactor containing (i) an oxidative oxidoreductase cofactor, (ii) an inorganic photosensitizer, (iii) a redox mediator, and (iv) a sacrificial electron donor It relates to a composition for.

본 발명은 하기 2단계를 포함하여 이루어지는 옥시도리덕타제(oxidoreductase) 보조인자(cofactor)의 광화학적 재생방법을 제공한다. The present invention provides a photochemical regeneration method of an oxidoreductase cofactor comprising the following two steps.

<단계 1> : 옥시도리덕타제 반응기에 희생 전자 주개; 빛을 흡수해 산화환원반응에 활성을 갖는 무기 광감응제; 산화환원 매개체; 산화형의 옥시도리덕타제 보조인자를 첨가하는 단계; 및<Step 1>: sacrificial electron donor in an oxidoreductase reactor; Inorganic photosensitizers that absorb light and are active in redox reactions; Redox mediators; Adding an oxidoreductase cofactor of the oxidized type; And

<단계 2> : 상기 단계 1의 반응기에 빛을 조사하여 환원형의 옥시도리덕타제 보조인자를 생성시키는 단계.<Step 2>: the step of irradiating light to the reactor of step 1 to generate a reduced oxidoreductase cofactor.

상기 반응기는 무기광감응제, 산화환원 매개체 및 희생 전자 주개(sacrificial electron donor)를 포함한 반응용액과 빛을 조사하기 위한 광원으로 이루어지는 시스템을 구비하는 것이 바람직하다.The reactor is preferably provided with a system comprising a reaction solution containing an inorganic photosensitizer, a redox mediator and a sacrificial electron donor and a light source for irradiating light.

상기 시스템에서 사용되는 광원은 바람직하게는 자연적인 햇빛일 수 있고, 인공적인 텅스텐-할로겐 램프, 제논 램프 혹은 단파장 레이저 장치 일 수 있다. 인공적인 광원을 사용할 경우, 광원의 출력은 5 W 내지 2000 W인 것이 바람직하다. 상기 출력 범위보다 낮은 경우 빛의 세기가 약해 촉매기능이 나타나지 않을 수 있으며, 너무 높은 출력에서는 빛과 열에 의한 효소 및 기타 물질의 변성으로 인해 생체촉매 반응이 일어나지 않거나 원치 않는 반응이 일어날 수 있다.The light source used in the system may preferably be natural sunlight and may be an artificial tungsten-halogen lamp, xenon lamp or short wavelength laser device. In the case of using an artificial light source, the output of the light source is preferably 5 W to 2000 W. If it is lower than the output range, the light intensity is weak, so that the catalytic function may not appear. At too high output, the biocatalytic reaction may not occur or an unwanted reaction may occur due to the degeneration of enzymes and other substances by light and heat.

상기 희생 전자 주개 (sacrificial electron donor)는 무기 광감응제에서 여기된 전자가 산화환원 매개체에 전달되어 생기는 전자공극을 채우기 위한 전자를 제공해주는 물질으로서, 당업자의 관점에서 Triethanolamine (TEOA), Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), Citric acid, Formic acid, Ascorbic acid, Oxalic acid 또는 물 등을 이용할 수 있으나 바람직하게는 TEOA 또는 EDTA일 수 있다.The sacrificial electron donor is a material that provides electrons to fill the electron pores generated by the transfer of the electrons excited from the inorganic photosensitive agent to the redox mediator, and from the viewpoint of those skilled in the art, Triethanolamine (TEOA), EDTA), Citric acid, Formic acid, Ascorbic acid, Oxalic acid or water, etc. may be used, but preferably TEOA or EDTA.

상기 무기 광감응제는 상기 산화환원 매개체와 희생 전자 주개가 존재하는 시스템에서 1) 산화환원 매개체에 대해 높은 에너지 상태의 전자를 전달하기(donor) 위한 매개체와 2) 상기 산화환원 매개체에 전달하기위한 전자를 희생 전자 주개으로부터 얻기(accpetor) 위한 매개체로서의 기능을 수행함으로써 2중적인 매개체 역할을 한다. 당업자의 관점에서 무기 광감응제는 빛을 통해 전자를 여기시켜 전류를 발생 시킬 수 있고, 2중적인 매개체 역할에 적합한 에너지 준위를 갖는 나노 입자면 어느 것이나 대체 가능하나, 바람직하게는 CdS, CdSe, CdTe 나노 입자를 사용할 수 있다.The inorganic photosensitizer is intended for delivery to the redox mediator in a system in which the redox mediator and the sacrificial electron donor are present 1) a medium for delivering electrons of high energy state to the redox mediator. It acts as a double mediator by functioning as a mediator to obtain the electron from the sacrificial electron donor. From the viewpoint of those skilled in the art, the inorganic photosensitizer may generate an electric current by exciting electrons through light, and may be replaced with any nanoparticle having an energy level suitable for a dual mediator, but preferably CdS, CdSe, CdTe nanoparticles can be used.

상기 산화환원 매개체는 산화형의 옥시도리덕타제 보조인자에 전자 전달(electron transfer)을 위한 1차 매개체 및 보조인자의 효소반응에 활성을 갖는 형태로의 재생 용도로 사용된다. 상기 산화환원 매개체 중 메틸비올로겐(methyl viologen)이 NAD(P)H에 대한 전자전달 매개체로써 Flavoenzyme(Ferredoxin reductase (FDR) 혹은 Lipoamide Dehydrogenase(LipDH))과 함께 간접적인 전기화학적 재생에 사용된 바 있으며(Dicosimo et al. J Org Chem,) 46:4622, 1981), 루테늄(II) 복합체인 (헥사메틸벤젠-2,2′-비피리딘클로로)루테늄(II)을 케톤류의 알콜로의 환원에 전자전달을 위한 매개체로 사용된 바 있고(Ogo S,et al., Organometallics 21:2964, 2002; Yaw Kai Yan et al. J Biol Inorg Chem, 11:483, 2006), 로듐 (III) 복합체인 (펜타메틸사이클로펜타디에닐-2,2'-비피리딘클로로)로듐(III):[Cp*Rh(bpy)H2O]2+(이하 Mox)를 NAD(P)+에의 전자전달을 위한 매개체(R. Ruppert et al. Tetrahedron Lett., 28:6583, 1987; F. Hollmannet al., Angew. Chem., 113:190, 2001; Angew. Chem. Int. Ed.., 40:169, 2001; K. Vuorilehto et al., Bioelectrochemistry, 65:1, 2004) 및 FAD+에의 전자전달을 위한 매개체(F. Hollmann et al. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic 19-20:167, 2003)로 사용된 바 있다. 따라서, 상기 산화환원 매개체는 전자와 양성자를 전달함으로써 옥시도리덕타제 보조인자의 재생 동역학(kinetics)을 개량하는데 사용된다. The redox mediator is used for the regeneration of the primary mediator for electron transfer to the oxidative oxidoreductase cofactor and a form having activity in the enzymatic reaction of the cofactor. Among the redox mediators, methyl viologen was used for indirect electrochemical regeneration with Flavoenzyme (Ferredoxin reductase (FDR) or Lipoamide Dehydrogenase (LipDH)) as electron transfer mediator for NAD (P) H. (Dicosimo et al. J Org Chem, 46: 4622, 1981) and the ruthenium (II) complex (hexamethylbenzene-2,2′-bipyridinechloro) ruthenium (II) for the reduction of ketones to alcohols. Ogo S, et al., Organometallics 21: 2964, 2002; Yaw Kai Yan et al. J Biol Inorg Chem, 11: 483, 2006), a rhodium (III) complex Pentamethylcyclopentadienyl-2,2'-bipyridinechloro) rhodium (III): [Cp * Rh (bpy) H 2 O] 2+ (hereinafter M ox ) for electron transfer to NAD (P) + Media (R. Ruppert et al. Tetrahedron Lett ., 28: 6583, 1987; F. Hollmann et al. , Angew. Chem ., 113: 190, 2001; Angew. Chem. Int. Ed. , 40: 169, 2001; K. Vuorilehto et al. , Bioelectrochemistry , 65: 1, 2004) and It has been used as a medium for electron transfer to FAD + (F. Hollmann et al. Journal of Molecular Catalysis B : Enzymatic 19-20: 167, 2003). Thus, the redox mediator is used to improve the regeneration kinetics of oxidoreductase cofactors by delivering electrons and protons.

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

그러나 본 발명에 있어서, 상기 산화환원 매개체의 존재는 보조인자를 효소반응에 활성을 갖는 형태로 재생시키는 것과 보조인재 재생의 속도를 빠르게 하는 것에 있어서 효과를 갖는 것으로, 산화환원 매개체가 존재하지 않아도, 직접적인 보조인자의 광화학적 재생이 가능하므로 산화환원 매개체의 존재가 본 발명의 범위를 제한하지는 않는다.However, in the present invention, the presence of the redox mediator is effective in regenerating the cofactor in the form having activity in the enzymatic reaction and speeding up the regeneration of the cofactor, even if the redox mediator does not exist, The presence of redox mediators does not limit the scope of the present invention, as direct chemical photoregeneration of cofactors is possible.

상기 산화형의 옥시도리덕타제 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.The oxidoreductase cofactor of the oxidized type is nicotinamide cofactor NAD + (nicotinamide adenine dinucleotide), NADP + (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate) or flavin cofactor FAD + (flavin adenine dinucleotide), FMN + (flavin mononucleotide) yl And preferably NAD + .

본 발명의 옥시도리덕타제 보조인자의 광학적 재생방법은 도 1에 나타난 바와 같이, 무기 광감응제가 빛을 흡수하여 전자를 여기 시키고 여기된 전자를 산화환원 매개체에 전달하는 단계 (단계 a); 상기 단계 a의 무기 광감응제가 상기 희생전자주개로부터 전자를 보충받아 단계 a가 반복되는 단계 (단계 b); 전자와 양성자를 받은 산화환원 매개체가 산화형 옥시도리덕타제 보조인자에게 전자와 양성자를 전달하여 환원형 옥시도리덕타제 보조인자를 형성하는 단계 (단계 c)를 거치게 된다.Optical regeneration method of the oxidoreductase cofactor of the present invention, as shown in Figure 1, the inorganic photosensitive agent absorbs light to excite the electrons and transfer the excited electrons to the redox mediator (step a); The step (a) of the inorganic photosensitive agent of step a being supplemented with electrons from the sacrificial electron donor (step b); The redox mediator receiving the electrons and protons passes the electrons and protons to the oxidative oxidoreductase cofactor to form a reduced oxidoreductase cofactor (step c).

본 발명의 일양태에서는 무기 광감응제로 카드뮴 나노 입자를 사용하고, 산화환원 매개체로 로듐 복합체를 사용하였으며, 이 경우 로듐 복합체 M1는 전기화학/화학적 과정을 거쳐 활성 환원체인 M3로 변환되어 NADH의 재생에 관여한다. M1는 두 개의 전자를 받아들여 전기화학적인 변화로 M2의 상태가 된다(E-step). 이어서 상기 M2는 총 전자의 양은 변하지 않고 용액 상에서 하나의 양성자를 취함으로써 화학적인 과정을 통해 M3로 변환된다. 상기 활성 환원체인 M3는 전자 두 개와 양성자 하나를 NAD(P)+에 제공하여 NAD(P)H로 변환시키고, 이때 자신은 초기상태인 M1으로 돌아가게 된다.In one aspect of the present invention using a cadmium nanoparticles, inorganic light-sensitive agent, and was used as a rhodium complex as a redox mediator, and in this case a rhodium complex M 1 is through the electrochemical / chemical process is converted to the active reduction chain M 3 NADH Is involved in the regeneration of. M 1 accepts two electrons and becomes an electrochemical change into M 2 (E-step). The M 2 is then converted to M 3 through a chemical process by taking one proton in solution without changing the total amount of electrons. The active reductant M 3 provides two electrons and one proton to NAD (P) + to convert to NAD (P) H, where it returns to its initial state M 1 .

본 발명의 효과를 확인하기 위해, CdS, CdSe, CdTe 나노 입자를 이용하여 재생한 NADH 수율의 시간에 따른 변화를 관찰하였다. 관찰 결과, NADH는 빛이 조사되지 않으면 재생되지 않다가 빛을 조사함과 동시에 재생되며, 사용한 나노 입자의 농도에 따라 재생된 NADH 재생 수율이 증가함을 확인하였다. 또한 다른 종류의 무기 광감응제를 사용해 NADH를 재생한 경우와 비교해 보았으며, CdS, CdSe, CdTe 나노 입자 모두 다른 무기 광감응제에 비해 월등히 높은 효율을 보여주었다. 이 밖에도 나노 입자의 크기 조절 및 CdS, CdSe, CdTe 마이크로 입자와의 비교를 통해 입자의 크기가 작을수록 NADH 재생 수율이 증가함을 관찰하였다. (실험예 2, 실험예 3 참조)In order to confirm the effect of the present invention, the change over time of the reproducible NADH yield using CdS, CdSe, CdTe nanoparticles was observed. As a result, it was confirmed that NADH is not regenerated when irradiated with light, but is regenerated at the same time as irradiated with light, and the yield of regenerated NADH is increased according to the concentration of nanoparticles used. In addition, compared with the case of regenerating NADH using other types of inorganic photosensitizers, CdS, CdSe, and CdTe nanoparticles showed significantly higher efficiency than other inorganic photosensitizers. In addition, the size control of the nanoparticles and the comparison with the CdS, CdSe, CdTe microparticles observed that the smaller the size of the NADH regeneration yield increases. (See Experimental Example 2, Experimental Example 3)

이로부터, 본 발명에서 사용한 카드뮴 나노 입자는 희생 전자 주개의 존재 하에 빛에 의해 활성을 갖는 촉매로 작용하여 양성자와 전자의 전달에 관여함으로써, 옥시도리덕타제 보조인자의 재생속도를 상승시키는데 기여하는 것으로 나타났다(도 3). From this, the cadmium nanoparticles used in the present invention act as a catalyst active by light in the presence of a sacrificial electron donor and participate in the transfer of protons and electrons, thereby contributing to increasing the regeneration rate of the oxidoreductase cofactor (FIG. 3).

본 발명의 옥시도리덕타아제 보조인자 재생용 조성물에 포함된 카드뮴 나노입자의 농도는 바람직하게는 1~50mM 인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 5~20mM인 것이 바람직하다.The concentration of the cadmium nanoparticles contained in the composition for oxidoreductase cofactor regeneration of the present invention is preferably 1 to 50 mM, more preferably 5 to 20 mM.

따라서 본 발명의 방법은 옥시도리덕타제 효소를 이용하는 다양한 산화환원 촉매반응의 효율을 높일 수 있으며, 특히 높은 pH 환경과 같이 열악한 환경 하에서도 효율적일 것으로 판단된다. 또한, 본 발명의 방법은 옥시도리덕타제 보조인자의 재생뿐만 아니라 다른 물질의 화학반응에서도 확대적용 할 수 있을 것으로 추측된다. Therefore, the method of the present invention can increase the efficiency of various redox catalysis reactions using oxidoreductase enzymes, and is particularly effective under poor environments such as a high pH environment. It is also contemplated that the method of the present invention can be extended not only for the regeneration of oxidoreductase cofactors but also for chemical reactions of other substances.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. It is to be understood by those skilled in the art that these embodiments are only for illustrating the present invention and that the scope of the present invention is not construed as being limited by these embodiments.

실시예 : 카드뮴 나노 입자 및 로듐 복합체를 이용한 광화학적 방법에 의한 NADH의 재생Example: Regeneration of NADH by Photochemical Method Using Cadmium Nanoparticles and Rhodium Composites

본 실시예에서는 NAD+와 전극간의 전자를 전달하기 위한 유기금속 매개체로 로듐 복합체인 (펜타메틸사이클로펜타디에닐-2,2'-비피리딘클로로)로듐(III) (이하 M이라 함; M=[Cp*Rh(bpy)Cl]+; Cp*=C5Me5, bpy=2,2'-비피리딘)을 사용하였다. In this embodiment, a rhodium complex (pentamethylcyclopentadienyl-2,2'-bipyridinechloro) rhodium (III) as an organometallic medium for transferring electrons between NAD + and the electrode (hereinafter referred to as M; [Cp * Rh (bpy) Cl] + ; Cp * = C 5 Me 5 , bpy = 2,2'-bipyridine).

상기 로듐 복합체 M은 Kolle와 Grazel의 방법 (F. Hollmann et al, J. Mol. Catal. B, 19-20:167, 2002)으로 합성하였다. 상세히 기재하면, 6ml의 메탄올에 준비된 로듐 전구체 (RhCl3?H2O, 200mg)와 헥사메틸디워벤젠(Hexamethyl dewarbenznen, 40mg) 용액을 65℃, 질소 분위기에서 15시간 동안 리플럭스 (reflux)시켰다. 그 다음 반응액을 상온으로 냉각시키고 용매를 진공상태에서 증발 시키고, 남아있는 과량의 헥사메틸 디워벤젠을 제거하기 위해 에테르로 세척한 후 클로로폼으로 추출하여 붉은 색의 침전물을 얻었다. 용액에서 황화마그네슘 (Magnesium sulphate)을 이용해 습기를 제거하고 저압에서 용매를 증발시킨 다음 남아있는 것들은 클로로폼-벤젠 (Chloroform-benzene)으로 재결정시켰다. 메탄올 용매에서 2당량의 2.2'-바이피리딘 (2,2'-bipyridine)과 혼합하면 노란색의 용액이 형성되며, 이로부터 다이에틸 에테르 (Diethyl ether)를 사용해 [Cp*Rh(bpy)Cl]Cl를 재결정시켜 최종적으로 로듐 복합체를 수득하였다.The rhodium complex M was synthesized by the method of Kolle and Grazel (F. Hollmann et al, J. Mol. Catal . B , 19-20 : 167, 2002). In detail, a solution of rhodium precursor (RhCl 3 H 2 O, 200 mg) and hexamethyl dewarbenznen (40 mg) prepared in 6 ml of methanol was refluxed at 65 ° C. under a nitrogen atmosphere for 15 hours. The reaction solution was then cooled to room temperature, the solvent was evaporated in vacuo, washed with ether to remove the excess hexamethyl diwarbenzene and extracted with chloroform to give a red precipitate. Magnesium sulphate was used to remove moisture from the solution, the solvent was evaporated at low pressure, and the remaining was recrystallized from chloroform-benzene. Mixing with 2 equivalents of 2.2'-bipyridine in a methanol solvent gives a yellow solution, from which [Cp * Rh (bpy) Cl] Cl is used with diethyl ether. Was recrystallized to finally obtain a rhodium complex.

광화학적 방법에 의하여 NADH를 재생하기 위하여 인공 광원과 이로부터 빛을 조사받을 수 있는 석영 반응기를 제작하였다. 인공 광원으로는 400W의 출력을 갖는 텅스텐-할로겐 램프가 사용되었고, 특히 가시광 영역의 빛을 조사하기 위해 420nm 이하의 파장을 갖는 빛을 걸러내는 필터를 장착하였다. 또한 광원의 열로부터 얻어질 수 있는 결과를 배제하기 위하여, 열 및 적외선 영역의 파장을 갖는 빛을 걸러낼 수 있는 필터를 냉각수를 사용해 구성하였다. 광원으로부터 나오는 빛은 석영 반응기에 담긴 반응용액에 조사하였다.In order to regenerate NADH by the photochemical method, an artificial light source and a quartz reactor capable of irradiating light therefrom were fabricated. As an artificial light source, a tungsten-halogen lamp having a power of 400 W was used, and in particular, a filter for filtering light having a wavelength of 420 nm or less to irradiate light in the visible region was mounted. In addition, in order to exclude the result that can be obtained from the heat of the light source, a filter capable of filtering light having wavelengths in the heat and infrared regions is constructed using cooling water. Light from the light source was irradiated to the reaction solution contained in the quartz reactor.

NADH 생성의 산화환원 매개체(mediator)인 로듐 복합체 M은 0.25mM의 농도로 사용하였고, 빛을 흡수해 산화환원반응에 활성을 갖는 촉매로 사용된 카드뮴 나노 입자는 2mM, 10mM 또는 20mM의 농도로 사용하였으며, NAD+는 1mM의 농도로 사용하였다. 전해질로는 인산염버퍼(100mM, pH 7.0)를 사용하였고, 상기 버퍼에 희생전자주개 TEOA, 카드뮴 나노 입자, M 및 NAD+를 첨가하고 교반하여 용해시킨 후 빛을 조사하여, NADH를 재생하였다.
Rhodium complex M, a redox mediator for NADH production, was used at a concentration of 0.25 mM, and cadmium nanoparticles used as a catalyst that absorbed light and was active in redox reactions were used at concentrations of 2 mM, 10 mM or 20 mM. NAD + was used at a concentration of 1 mM. Phosphate buffer (100 mM, pH 7.0) was used as an electrolyte, and the sacrificial electron donor TEOA, cadmium nanoparticles, M and NAD + were added to the buffer, dissolved by stirring, and irradiated with light to regenerate NADH.

실험예 1: NADH의 광학적 재생 메커니즘 분석을 위한 형광 스펙트럼 및 순환 전압-전류도 측정Experimental Example 1 Measurement of Fluorescence Spectrum and Cyclic Voltammetry for Analysis of Optical Regeneration Mechanism of NADH

NADH의 광학적 재생 메커니즘을 분석하기 위해, 형광스펙트럼을 분석하고 및 순환전압전류도를 측정하였다. To analyze the optical regeneration mechanism of NADH, fluorescence spectra were analyzed and cyclic voltammetry was measured.

먼저, 2mM 농도의 CdTe 나노입자를 인산염 버퍼(100mM, pH 7.0)에 용해시킨 후, 다양한 농도의 로듐 복합체 M이 존재할 때 나타나는 형광 스펙트럼을 측정하였다(도 2의 (a)). CdTe 나노입자의 형광세기는 함께 넣어준 로듐 복합체 M의 농도에 비례하여 감소하였는데, 이는 CdTe 나노 입자가 빛을 받아 여기시킨 전자가 다시 바닥 상태 (ground state)로 떨어지면서 형광을 내는 대신 M으로 전달되었기 때문에 나타나는 현상이다. 따라서 M의 농도가 증가할수록 M으로 전달되는 여기된 전자들의 수가 증가하고, 이로 인해 형광 세기가 감소하였다. 이렇게 M으로 전달된 전자는 NAD+로 전달된다.First, 2mM CdTe nanoparticles were dissolved in phosphate buffer (100mM, pH 7.0), and then the fluorescence spectra of various concentrations of the rhodium complex M were measured (FIG. 2A). The fluorescence intensity of the CdTe nanoparticles decreased in proportion to the concentration of the rhodium complex M which was put together, which transferred the electrons to M instead of fluorescing when the excited electrons fall back to the ground state. It is because of this phenomenon. Therefore, as the concentration of M increases, the number of excited electrons transferred to M increases, thereby decreasing the fluorescence intensity. The electrons transferred to M are transferred to NAD + .

2mM 농도의 CdTe 나노 입자와 0.25mM 농도의 로듐 복합체 M을 인산염 버퍼 (100mM, pH 7.0)에 용해시킨 후, NAD+의 존재 여부 (0mM 또는 1mM의 농도)에 따른 CdTe 나노 입자 및 M의 순환 전압-전류도를 비교하였다. After dissolving 2 mM CdTe nanoparticles and 0.25 mM rhodium complex M in phosphate buffer (100 mM, pH 7.0), the circulating voltage of CdTe nanoparticles and M according to the presence or absence of NAD + (concentration of 0 mM or 1 mM) The amperage was compared.

그 결과, 도 2의 (b)에 나타난 바와 같이, NAD+가 존재하지 않을 때보다 존재할 때 CdTe 나노 입자 및 M의 환원 전류 (reduction peak current)가 크게 증가하였다. 이는 CdTe 나노 입자 및 M이 NAD+의 환원반응을 촉진시켰다는 증거로, 결국 CdTe 나노 입자에서 M으로 전달된 전자는 NAD+로 전달되어 NAD+를 NADH로 환원시켰음을 의미한다. As a result, as shown in (b) of Figure 2, the reduction peak (reduction peak current) of the CdTe nanoparticles and M was significantly increased when the presence of NAD + than when not present. This evidence sikyeotdaneun promote CdTe nanoparticles and M a reduction of the NAD +, the electron transfer from the end CdTe nanoparticles M is passed to NAD + means a reduced-rescue the NAD + to NADH.

CdS, CdSe 나노 입자의 경우에도 CdTe 나노 입자와 같은 조건에서 실험한 결과, 도 2의 (c)-(f)에서 보듯이 CdTe 나노 입자와 같은 경향을 보였다. 따라서 도 2의 실험 결과를 통해 도 1의 NADH의 광학적 재생 모식도가 옳다는 것을 알 수 있다.
In the case of CdS and CdSe nanoparticles, experiments under the same conditions as CdTe nanoparticles showed the same tendency as CdTe nanoparticles as shown in (c)-(f) of FIG. 2. Therefore, it can be seen from the experimental results of FIG. 2 that the optical reproduction schematic of the NADH of FIG. 1 is correct.

실험예 2: 카드뮴 나노 입자의 농도 및 빛의 조사 여부에 따른 NADH 재생 속도 측정Experimental Example 2: Measurement of NADH Regeneration Rate According to Concentration of Cadmium Nanoparticles and Irradiation of Light

CdS, CdSe, CdTe 나노 입자를 이용하여 재생한 NADH 수율의 시간에 따른 변화를 특정하였다(도 3). 상세한 실험 조건은 다음과 같다. 카드뮴 나노 입자는 2mM, 10mM 또는 20mM의 농도로 사용하였고, 로듐 복합체 M은 0.25mM의 농도로 사용하였으며, NAD+는 1mM의 농도로 사용하였다. 전해질로는 인산염버퍼(100mM, pH 7.0)를 사용하였고, 상기 버퍼에 희생전자주개 TEOA, 카드뮴 나노 입자, M 및 NAD+를 첨가하고 교반하여 용해시킨 후 빛을 조사하여, NADH를 재생하였다.The change over time of the NADH yield reproduced using CdS, CdSe, and CdTe nanoparticles was specified (FIG. 3). Detailed experimental conditions are as follows. Cadmium nanoparticles were used at a concentration of 2mM, 10mM or 20mM, rhodium complex M was used at a concentration of 0.25mM, NAD + was used at a concentration of 1mM. Phosphate buffer (100 mM, pH 7.0) was used as an electrolyte, and the sacrificial electron donor TEOA, cadmium nanoparticles, M and NAD + were added to the buffer, dissolved by stirring, and irradiated with light to regenerate NADH.

그 결과, 도 3에 나타난 바와 같이, NADH는 빛이 조사되지 않으면 재생되지 않다가 빛을 조사함과 동시에 재생되는데, 사용한 나노 입자의 농도에 따라 재생된 NADH 수율이 증가하였다. 60분이 지난 시점에서 측정된 NADH 수율은 각각 52 % (CdS 나노 입자, 20 mM), 29 % (CdSe 나노 입자, 20 mM), 55 % (CdTe 나노 입자, 20 mM)이며, 이를 도 4에서 다른 무기 광감응제를 사용해 NADH를 재생한 경우와 비교해 보았다. CdS, CdSe, CdTe 나노 입자 모두 다른 광감응제에 비해 월등히 높은 효율을 보여주었으며, 그 중에서도 CdTe 나노 입자의 turnover frequency는 P-doped TiO2에 비해 180배, W2Fe4Ta2O17에 비해 270배나 높았다.
As a result, as shown in Figure 3, NADH is not regenerated if the light is not irradiated and is reproduced at the same time irradiated with the light, the NADH yield increased according to the concentration of the nanoparticles used. NADH yields measured after 60 minutes were 52% (CdS nanoparticles, 20 mM), 29% (CdSe nanoparticles, 20 mM) and 55% (CdTe nanoparticles, 20 mM), respectively, which are different from FIG. 4. Compared to the regeneration of NADH using inorganic photosensitizers. CdS, CdSe and CdTe nanoparticles showed significantly higher efficiency than other photosensitizers. Among them, the turnover frequency of CdTe nanoparticles was 180 times higher than that of P-doped TiO 2 and W 2 Fe 4 Ta 2 O 17 . 270 times higher.

실험예 3: 카드뮴 나노 입자의 입자 크기 변화가 NADH의 광화학적 재생에 끼치는 영향Experimental Example 3: Effect of Particle Size Change of Cadmium Nanoparticles on Photochemical Regeneration of NADH

일반적으로 나노 입자의 특성은 입자 크기, 입자의 조성, 입자 모양 등에 따라서 결정되며, 이는 나노 입자의 광효율 (photoefficiency) 및 표면 활성 자리 (surface active site)의 개수에 영향을 끼친다. 따라서 입자의 크기 변화가 NADH의 광화학적 재생에 영향을 미칠 수 있으며, 이를 확인하기 위해 다양한 크기의 CdSe 나노 입자 및 마이크로 입자를 이용해 NADH를 재생해 보았다.In general, the properties of nanoparticles are determined by particle size, particle composition, particle shape, etc., which affects the photoefficiency and the number of surface active sites of the nanoparticles. Therefore, the particle size change may affect the photochemical regeneration of the NADH, and to confirm this, the NADH was regenerated using CdSe nanoparticles and microparticles of various sizes.

입자 크기가 다른 CdSe 나노 입자와 로듐 복합체 M, NAD+를 각각 10mM, 0.25mM, 1mM의 농도로 인산염버퍼 (100 mM, pH 7.0)에 용해시킨 다음, 상기 버퍼에 희생전자주개 TEOA를 첨가하고 빛을 조사하여 NADH를 재생하였다. CdSe nanoparticles with different particle sizes and rhodium complexes M and NAD + were dissolved in phosphate buffer (100 mM, pH 7.0) at concentrations of 10 mM, 0.25 mM and 1 mM, respectively, and then sacrificial electron donor TEOA was added to the buffer and Was investigated to regenerate NADH.

그 결과, 도 5에 나타난 바와 같이, 입자 크기가 작을수록 재생된 NADH 수율이 높아지는 것을 관찰하였다. 이는 작은 나노 입자일수록 전자 (electron)와 정공 (hole)의 이동속도가 빨라, 나노 입자에서 로듐 복합체 M으로의 전자 전달 속도 (charge transfer rate)가 전자와 정공의 재결합 속도 (electron-hole recombination rate)보다 빠르기 때문이다. 또한 작은 나노 입자일수록 실제 반응에서 사용 가능한 표면 활성 자리 (surface active site), 특히 꼭지점 자리 (corner site) 및 모서리 자리 (edge site)의 수가 늘어나므로 반응이 더 활발하게 일어난다. 이를 증명하기 위하여, 동일 표면적 (0.1m2) 하에서 카드뮴 나노 입자와 카드뮴 마이크로 입자를 이용하여 NADH를 재생하였다. As a result, as shown in Figure 5, the smaller the particle size was observed that the regenerated NADH yield is higher. This means that the smaller the nanoparticles, the faster the movement of electrons and holes, so that the charge transfer rate from the nanoparticles to the rhodium complex M is the electron-hole recombination rate. Because it is faster. In addition, the smaller nanoparticles are more active because the number of surface active sites, especially corner sites and edge sites, available in the actual reaction increases. To prove this, NADH was regenerated using cadmium nanoparticles and cadmium microparticles under the same surface area (0.1 m 2 ).

그 결과, 도 6에 나타난 바와 같이, 마이크로 입자는 NADH를 재생하지 못한데 비하여 나노 입자는 NADH를 재생하였다. 이는 마이크로 입자에 비해 나노 입자가 월등히 많은 수의 꼭지점 자리 (corner site) 및 모서리 자리 (edge site)의 수가 많기 때문이다.
As a result, as shown in FIG. 6, the microparticles did not regenerate NADH, whereas the nanoparticles regenerated NADH. This is because nanoparticles have a much larger number of corner sites and edge sites than microparticles.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.The specific parts of the present invention have been described in detail above, and it is apparent to those skilled in the art that such specific descriptions are merely preferred embodiments, and thus the scope of the present invention is not limited thereto. something to do. It is therefore intended that the scope of the invention be defined by the claims appended hereto and their equivalents.

Claims (18)

(i) NAD+, NADP+, FAD+ 및 FMN+으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 산화형 옥시도리덕타제 보조인자, (ii) CdS(황화카드뮴), CdSe(셀런화 카드뮴) 및 CdTe(카드뮴텔루라이드)로 구성된 군에서 선택되는 카드뮴 결정의 나노입자로 구성된 무기 광감응제, (iii) 산화환원 매개체 및 (iv) 희생전자 주개를 함유하는 옥시도리덕타제 보조인자 재생용액에 빛을 조사하는 것을 특징으로 하는 옥시도리덕타제 보조인자의 광학적 재생방법.
(i) an oxidized oxidoreductase cofactor selected from the group consisting of NAD + , NADP + , FAD + and FMN + , (ii) CdS (cadmium sulfide), CdSe (cadmium selenide) and CdTe (cadmium telluride) Inorganic photosensitive agent consisting of nanoparticles of cadmium crystal selected from the group consisting of (iii), (iii) redox mediator and (iv) oxidoreductase cofactor regeneration solution containing a sacrificial electron donor. Optical regeneration method of an oxidoreductase cofactor.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 산화환원 매개체는 메틸비올로겐, 루테늄 II 복합체 및 로듐 III 복합체로 구성되는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1, wherein the redox mediator is selected from the group consisting of methylviologen, ruthenium II complex, and rhodium III complex.
제5항에 있어서, 상기 루테늄 II 복합체는 (헥사메틸벤젠-2,2′-비피리딘클로로)루테늄(II)인 것을 특징으로 하는 옥시도리덕타제 보조인자의 광학적 재생방법.
The optical regeneration method of an oxidoreductase cofactor according to claim 5, wherein the ruthenium II complex is (hexamethylbenzene-2,2'-bipyridinechloro) ruthenium (II).
제5항에 있어서, 상기 로듐 III 복합체는 (펜타메틸사이클로펜타디에닐-2,2'-비피리딘클로로)로듐(III)인 것을 특징으로 하는 옥시도리덕타제 보조인자의 광학적 재생방법.
6. The method of claim 5, wherein the rhodium III complex is (pentamethylcyclopentadienyl-2,2'-bipyridinechloro) rhodium (III).
제1항에 있어서, 상기 희생전자주개는 트리에탄올아민(Triethanolamine, TEOA), 에틸렌디아민테트라아세트산(Ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA), 시트르산(Citric acid), 개미산(Formic acid), 아스코르브산(Ascorbic acid), 옥살산(Oxalic acid), 알코올류 및 물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 옥시도리덕타제 보조인자의 광학적 재생방법.
The method of claim 1, wherein the sacrificial electron donor is triethanolamine (TEOA), ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), citric acid, formic acid, ascorbic acid, oxalic acid (Oxalic acid), an alcohol and an optical regeneration method of oxidoreductase cofactors selected from the group consisting of water.
제1항에 있어서, 빛은 텅스텐-할로겐 램프광, 제논 램프광, 단파장 레이저광 및 태양광으로 구성되는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 옥시도리덕타제 보조인자의 광학적 재생방법.
The optical regeneration method of an oxidoreductase cofactor according to claim 1, wherein the light is selected from the group consisting of tungsten-halogen lamp light, xenon lamp light, short wavelength laser light and sunlight.
제1항에 있어서, 인공광원과 석영반응기를 포함하는 옥시도리덕타제 반응기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 옥시도리덕타제 보조인자의 광학적 재생방법.
The optical regeneration method of an oxidoreductase cofactor according to claim 1, which is performed in an oxidoreductase reactor including an artificial light source and a quartz reactor.
(i) NAD+, NADP+, FAD+ 및 FMN+으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 산화형 옥시도리덕타제 보조인자, (ii) CdS(황화카드뮴), CdSe(셀런화 카드뮴) 및 CdTe(카드뮴텔루라이드)로 구성된 군에서 선택되는 카드뮴 결정의 나노입자로 구성된 무기 광감응제, (iii) 산화환원 매개체 및 (iv) 희생전자 주개를 함유하는 옥시도리덕타제 보조인자 재생용 조성물.
(i) an oxidized oxidoreductase cofactor selected from the group consisting of NAD + , NADP + , FAD + and FMN + , (ii) CdS (cadmium sulfide), CdSe (cadmium selenide) and CdTe (cadmium telluride) An inorganic photosensitizer composed of nanoparticles of cadmium crystals selected from the group consisting of: (iii) a redox mediator and (iv) a oxidoreductase cofactor regenerating composition containing a sacrificial electron donor.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제11항에 있어서, 산화환원 매개체는 메틸비올로겐, 루테늄 II 복합체 및 로듐 III 복합체로 구성되는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 옥시도리덕타제 보조인자 재생용 조성물.
12. The composition for oxidoreductase cofactor regeneration according to claim 11, wherein the redox mediator is selected from the group consisting of methylviologen, ruthenium II complex and rhodium III complex.
제15항에 있어서, 상기 루테늄 II 복합체는 (헥사메틸벤젠-2,2′-비피리딘클로로) 루테늄(II)인 것을 특징으로 하는 옥시도리덕타제 보조인자 재생용 조성물.
16. The composition of claim 15, wherein the ruthenium II complex is (hexamethylbenzene-2,2'-bipyridinechloro) ruthenium (II).
제15항에 있어서, 상기 로듐 III 복합체는 (펜타메틸사이클로펜타디에닐-2,2'-비피리딘클로로)로듐(III)인 것을 특징으로 하는 옥시도리덕타제 보조인자 재생용 조성물.
The oxidoreductase cofactor regenerating composition according to claim 15, wherein the rhodium III complex is (pentamethylcyclopentadienyl-2,2'-bipyridinechloro) rhodium (III).
제11항에 있어서, 상기 희생전자주개는 트리에탄올아민(Triethanolamine, TEOA), 에틸렌디아민테트라아세트산(Ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA), 시트르산(Citric acid), 개미산(Formic acid), 아스코르브산(Ascorbic acid), 옥살산(Oxalic acid), 알코올류 및 물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 옥시도리덕타제 보조인자 재생용 조성물.
The method of claim 11, wherein the sacrificial electron donor is triethanolamine (TEOA), ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), citric acid, formic acid, ascorbic acid, oxalic acid (Oxalic acid), oxidoreductase cofactor regeneration composition, characterized in that selected from the group consisting of alcohols and water.
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