KR20110128406A - 무기 광감응제-금속산화물 복합체를 이용한 옥시도리덕타제 보조인자의 광화학적 재생방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무기 광감응제-금속산화물 복합체를 이용한 옥시도리덕타제 보조인자의 광화학적 재생방법에 관한 것으로, 빛이 조사되는 반응기에서 산화형의 옥시도리덕타제 보조인자를 산화환원 매개체와 빛을 흡수해 산화환원반응에 활성을 갖는 양자점-금속산화물 복합체의 존재 하에 금속산화물의 표면에서 광화학적으로 환원형의 옥시도리덕타제 보조인자로 변환시켜 재생하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 무기 광감응제-금속산화물 복합체가 2차 산화환원 매개체이자 촉매로 작용하여 옥시도리덕타제 보조인자의 재생 속도를 상승시키는 효과를 나타내어, 빛과 옥시도리덕타제 효소를 이용하는 다양한 생촉매반응을 수행하는데 유용하게 사용될 수 있다.

Description

무기 광감응제-금속산화물 복합체를 이용한 옥시도리덕타제 보조인자의 광화학적 재생방법{Method for Photochemical Regenerating Oxidoreductase Cofactor Using Inorganic Photosensitizer-Metal Oxide Complex}

본 발명은 무기 광감응제-금속산화물 복합체를 이용한 옥시도리덕타제 보조인자의 광화학적 재생방법에 관한 것으로, 빛이 조사되는 반응기에서 산화형의 옥시도리덕타제 보조인자를 산화환원 매개체와 빛을 흡수해 산화환원반응에 활성을 갖는 무기 광감응제-금속산화물 복합체의 존재 하에 금속산화물의 표면에서 광화학적으로 환원형의 옥시도리덕타제 보조인자로 변환시켜 재생하는 방법에 관한 것이다.

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.

상기 니코틴아미드 보조인자와 플라빈 보조인자 또는 그들의 산화된 형태는 많은 종류의 옥시도리덕타제가 수행하는 산화환원 생촉매반응에 있어서 필수적인 보조인자로 이용된다(E. Siu et al ., Biotechnol . Prog . 23:293, 2007; W. A. van der Donk and H. Zhao, Curr . Opin . Biotechnol . 14, 421, 2003). 상기 생촉매반응은 실험실 내 유기합성 및 다양한 공업 분야에서 있어서 점점 더 중요해지고 있다. 생촉매 반응의 효율을 높이기 위해서는, 효소의 지속적 반응 수행을 위한 보조인자가 지속적으로 재생되어야 할 필요가 있지만, 다양한 방식으로 널리 이용되고 있는 가수분해 효소와는 달리, 산화환원 효소의 사용에 있어서 만족할만한 보조인자 재생방법이 확립되지 않아 그다지 널리 상용화되고 있지 않은 현실이다.

이에 전기화학적 재생(electrochemical regeneration)은 기존의 제2효소/기질 재생방법을 대체할 수 있는 하나의 매력적인 방법으로 여겨져 왔다 (F. Hollmann and A. Schmid, Biocatal . Biotransform . 22, 63, 2004). 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.

이를 해결하기 위하여 균등질의 산화환원 매개체(mediator)를 사용하여 전극과 NAD(P)⁺사이에 전자를 전달하는 방법이 개발된 바 있다(H. Jaegfeldt et al ., Anal. Chem . 53, 1979, 1981; J. Wang and J. Liu Anal . Chim . Acta, 284, 385, 1993; J. Wang et al., Anal . Chim . Acta, 360, 171, 1998).

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 Set 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 M_ox)를 NAD(P)⁺에의 전자전달을 위한 매개체로 사용한 바 있으며(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., S. Lutz, C. Wandrey, Bioelectrochemistry 2004, 65:1, 2004), 상기 로듐 III 복합체를 FADH₂의 재생에 사용한 바 있다 (F. Hollmann et al . Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic 19-20:167, 2003).

상기 전자전달 매개체 중에서 로듐 III 복합체 M_ox는 전기화학/화학적 과정을 거쳐 활성 환원체인 M_red2로 변환되어 NADH의 재생에 관여한다. M_ox는 두 개의 전자를 받아들여 전기화학적인 변화로 M_red1의 상태가 된다(E-step). 이어서 상기 M_red1은 총 전자의 양은 변하지 않고 용액 상에서 하나의 양성자를 취함으로써 화학적인 과정을 통해 M_red2로 변환된다(C-step). 상기 활성 환원체인 M_red2는 전자 두 개와 양성자 하나를 NAD(P)⁺에 제공하여 NAD(P)H로 변환시키고, 이때 자신은 초기상태인 M_ox로 돌아가게 된다(도 1).

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 된다.

한편, 빛을 이용한 광화학적 보조인자 재생은 자연계에서 광합성이라는 이름으로 이미 사용되고 있는 방법이다. 자연광합성은 광계(Photosystem)에서 빛을 흡수해 높은 에너지의 전자를 얻어 Adenosine Triphosphate(ATP) 보조인자와 Nicotinamide Adenosine Dinucleotide(NAD) 보조인자를 환원적으로 재생한 후 이를 포도당 합성의 원료로 사용한다.

광감응제를 통하여 태양광으로부터 에너지를 얻는 광화학적 재생법의 특성상 광감응제가 가능한 많은 양의 에너지를 태양광으로부터 흡수해야 하는데, 지금까지 사용했던 TiO₂, ZrO₂, SrTiO₃, Ta₂O₅ 등의 금속산화물 광감응제는 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.

이에 비해 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.

이에, 본 발명자들은 광화학적인 방법을 이용하여 높은 효율로 옥시도리덕타제 보조인자를 재생하는 방법을 개발하고자 예의 노력한 결과, 무기 광감응제-금속산화물 복합체를 이용하여, 보조인자를 재생하는 경우, 효율적으로 옥시도리덕타제 보조인자를 광화학적으로 재생할 수 있다는 것을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 옥시도리덕타제 보조인자를 태양광을 에너지원으로 하여 고효율로 재생하는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 옥시도리덕타제 보조인자 재생용 조성물을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (i) 산화형 옥시도리덕타제 보조인자, (ii) 무기 광감응제-금속산화물 복합체 및 (iii) 희생전자 주개를 함유하는 옥시도리덕타제 보조인자 재생용액에 빛을 조사하여 환원형 옥시도리덕타아제를 생성시키는 것을 특징으로 하는 옥시도리덕타제 보조인자의 광학적 재생방법을 제공한다.

본 발명은 또한, (i) 산화형 옥시도리덕타제 보조인자, (ii) 무기 광감응제-금속산화물 복합체 및 (iii) 희생전자 주개를 함유하는 옥시도리덕타제 보조인자 재생용 조성물을 제공한다.

본 발명은 또한, (i) NAD⁺ (ii) SiO_{2 -}CdS 복합체, (iii) 트리에탄올아민 및 (iv) 로듐 III 복합체를 함유하는 옥시도리덕타제 보조인자 재생용 조성물을 제공한다.

본 발명은 또한, (i) NAD⁺ (ii) TiO_{2 -}CdS 복합체, (iii) 트리에탄올아민 및 (iv) 로듐 III 복합체를 함유하는 옥시도리덕타제 보조인자 재생용 조성물을 제공한다.

본 발명은 또한, (i) NAD⁺ (ii) TiO_{2 -}Pt-CdS-TiO₂ 복합체, (iii) 트리에탄올아민 및 (iv) 로듐 III 복합체를 함유하는 옥시도리덕타제 보조인자 재생용 조성물을 제공한다.

본 발명에 따르면, 무기 광감응제-금속산화물 복합체가 2차 산화환원 매개체이자 촉매로 작용하여 옥시도리덕타제 보조인자의 재생 속도를 상승시키는 효과를 나타내어, 빛과 옥시도리덕타제 효소를 이용하는 다양한 생촉매반응을 수행하는데 유용하게 사용될 수 있다.

도 1은 금속산화물 표면에 무기 광감응제를 증착시키기 위한 과정과 산화환원 효소를 고정화시키는 과정의 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 금속산화물 표면에 증착된 무기 광감응제를 통한 보조인자 재생의 모식도를 나타낸 것이다.
도 3는 금속산화물 표면에 증착된 무기 광감응제의 투사전자현미경 분석도와 X-ray 분석의 결과를 나타낸 것이다.
도 4은 금속산화물 SiO₂ 표면에 CdS를 증착시켰을 때에 나타나는 흡광 스펙트럼의 변화를 나타낸 것이다.
도 5는 금속산화물 SiO₂ 표면에 증착시킨 CdS의 양에 따른 NADH 재생의 결과를 나타낸 것이다.
도 6는 금속산화물 TiO₂ 표면에 CdS와 PbS를 증착시켰을 EO에 나타나는 흡광 스펙트럼의 변화를 나타낸 것이다.
도 7은 CdS가 증착된 금속산화물 TiO₂ 표면에 추가적으로 백금이 증착되었을 때에 얻어진 NADH 재생의 결과를 나타낸 것이다.

본 발명은 일관점에서, i) 산화형 옥시도리덕타제 보조인자, (ii) 무기 광감응제-금속산화물 복합체 및 (iii) 희생전자 주개를 함유하는 옥시도리덕타제 보조인자 재생용액에 빛을 조사하여 환원형 옥시도리덕타아제를 생성시키는 것을 특징으로 하는 옥시도리덕타제 보조인자의 광학적 재생방법에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 산화형 옥시도리덕타제 보조인자는 NAD⁺, NADP⁺, FAD⁺ 및 FMN⁺으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 무기 광감응제는 CdS, CdSe, CdTe, PbS, ZnS, InP 및 GaAs으로 구성된 군에서 선택되는 나노입자를 사용하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 금속산화물 입자는 SiO₂, TiO₂, Fe₂O₃, IrO₂, Co₃O₄ 및 WO₃로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 옥시도리덕타아제 보조인자 재생용액은 산화환원매개체를 추가로 함유하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 산화환원매개체는 메틸비올로겐, 루테늄 II 복합체 및 로듐 III 복합체로 구성되는 군에서 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.

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 무기 광감응제-금속산화물 복합체는 백금이 추가로 증착되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 빛은 텅스텐-할로겐 램프광, 제논 램프광, 단파장 레이저광 및 태양광으로 구성되는 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 옥시도리덕타아제 보조인자의 재생은 인공광원과 석영반응기를 포함하는 옥시도리덕타제 반응기에서 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.

다른 관점에서, 본 발명은 (i) 산화형 옥시도리덕타제 보조인자, (ii) 무기 광감응제-금속산화물 복합체 및 (iii) 희생전자 주개를 함유하는 옥시도리덕타제 보조인자 재생용 조성물에 관한 것이다.

또다른 관점에서, 본 발명은 또한, (i) 산화형 옥시도리덕타제 보조인자, (ii) 무기 광감응제-금속산화물 복합체 및 (iii) 희생전자 주개를 함유하는 옥시도리덕타제 보조인자 재생용 조성물에 관한 것이다.

또다른 관점에서, 본 발명은 (i) NAD⁺ (ii) SiO_{2 -}CdS 복합체, (iii) 트리에탄올아민 및 (iv) 로듐 III 복합체를 함유하는 옥시도리덕타제 보조인자 재생용 조성물에 관한 것이다.

또다른 관점에서, 본 발명은 (i) NAD⁺ (ii) TiO_{2 -}CdS 복합체, (iii) 트리에탄올아민 및 (iv) 로듐 III 복합체를 함유하는 옥시도리덕타제 보조인자 재생용 조성물에 관한 것이다.

또다른 관점에서, 본 발명은 (i) NAD⁺ (ii) TiO_{2 -}Pt-CdS-TiO₂ 복합체, (iii) 트리에탄올아민 및 (iv) 로듐 III 복합체를 함유하는 옥시도리덕타제 보조인자 재생용 조성물에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에서는 자연광합성의 광계를 통해 일어나는 보조인자 재생을 무기 감광응제-금속산화물 복합체를 이용해 모방하고, 포도당 합성 반응을 옥시도리덕타제에 의한 화학물질 생산으로 대체하는 광화학적 보조인자 재생 및 옥시도리덕타제 반응을 고안하였다.

본 발명은 금속산화물 입자의 표면에 증착된 무기 광감응제를 이용한 옥시도리덕타제 보조인자의 광화학적 재생방법에 관한 것으로, 상기 무기 광감응제가 가시광 영역의 빛의 조사를 통해 옥시도리덕타제 보조인자의 신속하게 재생시킬 수 있어, 옥시도리덕타제 효소를 이용하는 다양한 생촉매반응의 효율을 높이는데 매우 유용하게 사용될 수 있다.

본 발명의 일양태에서, 무기감광응제로 카드뮴 나노 입자를 사용하는 경우, 가시광선 영역에서도 효율적으로 옥시도리덕타제 보조인자를 재생할 수 있다.

본 발명의 다른 양태에서, 산화환원 매개체에 대하여 크산텐 염료를 추가하는 경우, 크산텐 염료가 광촉매로 작용하여 빛에 의한 보조인자 재생이 빠른 속도로 이루어 진다.

본 발명의 옥시도리덕타제(oxidoreductase) 보조인자(cofactor)의 광화학적 재생방법은 하기 2단계를 통하여 이루어진다.

<단계 1> : 옥시도리덕타제 반응기에 산화형의 옥시도리덕타제 보조인자; 가시광 빛을 흡수해 산화환원반응에 활성을 갖는 무기광감응제가 증착된 금속산화물 입자; 희생 전자 주개 물질을 첨가하고; 경우에 따라 메틸비올로겐, 루테늄 II 복합체 및 로듐 III 복합체로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 1종 이상의 산화환원 매개체를 첨가하는 단계

<단계 2> : 상기 단계 1의 반응기에 빛을 조사하여 환원형의 옥시도리덕타제 보조인자를 생성시키는 단계.

본 발명의 방법 중 단계 1은 옥시도리덕타제 반응기에 산화형의 옥시도리덕타제와 선택적으로, 산화환원 매개체를 첨가하는 단계이다.

본 발명에서, 상기 산화환원 매개체의 용도는 보조인자를 효소반응에 활성을 갖는 형태로 재생시키는 것과 보조인재 재생의 속도를 빠르게 하는 것으로, 산화환원 매개체가 존재하지 않아도, 염료 감응을 통한 직접적인 보조인자의 광화학적 재생이 가능하고 금속산화물 표면에 증착된 나노 입자상의 무기 광감응제의 회수 및 재활용이 가능하다.

본 발명의 광화학적 재생방법은 옥시도리덕타제 반응기(bioreactor)에서 수행될 수 있다. 상기 반응기는 광감응 염료(photosensitization dye), 산화환원 매개체 및 희생 전자 주개(sacrificial electron donor)를 포함한 반응용액과 빛을 조사하기 위한 광원으로 이루어지는 시스템을 구비하는 것이 바람직하다.

상기 시스템에서 사용되는 광원은 바람직하게는 자연적인 햇빛일 수 있고, 인공적인 텅스텐-할로겐 램프, 제논 램프 혹은 단파장 레이저 장치 일 수 있다.

상기 희생 전자 주개(sacrificial electron donor)는 염료에서 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.

본 발명의 광화학적 환원의 대상이 되는 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.

본 발명의 단계 1의 산화환원 매개체는 메틸비올로겐, 루테늄 II 복합체 및 로듐 III 복합체는 산화형의 옥시도리덕타제 보조인자에 전자 전달(electron transfer)을 위한 1차 매개체의 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 M_ox)를 NAD(P)⁺에의 전자전달을 위한 매개체(R. Ruppert 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, 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.

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.

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, 광감응을 통한 직접적인 보조인자의 광화학적 재생이 가능하므로 산화환원 매개체의 존재가 본 발명의 범위를 제한하지는 않는다.

또한, 본 발명에서 사용하는 무기광감응제가 고정화된 금속산화물 입자는 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 상기 무기광감응제가 고정화된 금속산화물 입자는 가시광 영역의 빛을 통해 전자를 여기시켜 전류를 발생 시킬 수 있는 염료면 어느 것이나 가능하나, 바람직하게는 CdS, CdSe, CdTe, PbS, ZnS, InP, GaAs 나노 입자 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다. 더욱 바람직하게는 CdS를 사용할 수 있다.

본 발명에서 사용되는 금속산화물 입자는 상기 무기 광감응제를 지지하기 위한 전도성/비전도성의 물질로, SiO₂, TiO₂, Fe₂O₃, IrO₂, Co₃O₄, WO₃ 등으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다. 더욱 바람직하게는 SiO₂와 TiO₂를 사용할 수 있다.

상기 무기광감응제-금속산화물 복합체의 첨가량은 크게 제한되지는 않으나, 바람직하게는 1μg/mL 이상의 농도로 첨가하는 것이 바람직하다.

본 발명의 방법 중 단계 2는 단계 1의 반응기에 빛을 조사하고 교반하여 환원형의 옥시도리덕타제 보조인자를 생성시키는 단계이다.

상기 단계 2의 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.

상기 단계 2의 광감응제가가 빛을 흡수하여 여기시킨 전자를 산화환원 매개체에 전자를 전달하는 단계(단계 a); 상기 단계 a의 광감응제가 상기 희생 전자 주개로부터 전자를 보충받아 단계 a가 반복되는 단계(단계 b); 전자와 양성자를 받은 산화환원 매개체가 산화형 옥시도리덕타제 보조인자에게 전자와 양성자를 전달하여 환원형 옥시도리덕타제 보조인자를 형성하게 된다(단계 c). 즉 본 발명에서 사용한 무기 광감응제는 산화환원 매개체의 존재 하에 빛에 대해 활성을 갖는 촉매로 작용하여 전자의 전달에 관여하게 된다.

구체적으로, 본 발명에서는 산화환원 매개체로 로듐 복합체(III)를 사용하였고 광감응제로 CdS를 사용하였으며, 이 경우, 도 2에 나타낸 바와 같이, 단계 2는 CdS가 빛을 흡수하여 여기시킨 전자를 M에 전자를 전달하는 단계(단계 a); 상기 단계 a의 CdS가 상기 희생 전자 주개로부터 전자를 보충받아 단계 a가 반복되는 단계(단계 b); 전자 받아 환원된 M이(M_red1) 수용액에서 양성자를 받아 M_red2가 된 후 산화형 옥시도리덕타제 보조인자에게 전자와 양성자를 전달하여 환원형 옥시도리덕타제 보조인자를 형성하게 된다(단계 c).

본 발명의 효과를 확인하기 위하여, CdS의 비존재 또는 존재시 NAD⁺에서 NADH로의 변환 속도(conversion rate)를 살펴본 결과, CdS의 비존재시에는 NADH가 전혀 생성되지 않았으나 CdS가 존재할때에는 빠른 속도로 NADH가 생성됨을 확인하였다. 또한, CdS의 양이 증가할수록 NADH의 생성양이 많아지며, 생성속도가 증가함을 확인할 수 있었다(도 6b 참조).

이로부터, 본 발명에서 사용한 무기 광감응제는 희생 전자 주개의 존재하에 빛에 의해 활성을 갖는 촉매로 작용하여 양성자와 전자의 전달에 관여함으로써, 옥시도리덕타제 보조인자의 재생속도를 상승시키는데 기여하는 것으로 나타났다(도 8 참조). 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.

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.

실시예 1: 무기 광감응제의 금속산화물 표면에의 증착

금속산화물의 표면에 무기 광감응제를 증착하기 위하여, 금속산화물 입자로 SiO₂입자 및 TiO₂입자를 사용하였다. SiO₂입자는 Tetraethylorthosilicate를 전구체로 하는 sol-gel 방법으로 제조하였으며, 반응 조건에 따라 수십nm~수백nm의 크기를 갖는다. TiO₂입자의 합성은 Titanium isopropoxide를 전구체로 하는 수열합성방법을 통해 이루어졌으며, 반응조건에 따라 수십nm~수백nm의 크기를 갖는다. 상기 방법으로 제조된 금속산화물 입자를 에탄올에 분산시켜 1시간 동안 교반시킨 후 CdSO₄ 용액(10~100mM)에 5분 동안 담근 후 물로 세척하였다. 물로 세척한 금속산화물 입자를 Na₂S 용액에 5분동안 담근 후 다시 세척하였으며, 경우에 따라 CdSO₄ 용액 - 세척 - Na₂S 용액 - 세척의 단계를 반복하였고, CdSe의 증착을 위해서는 Cd[Se₂CN(C₂H₅)₂]₂ 용액을 사용하였으며, CdTe의 증착을 위해서는 Cadmium Acetate와 Sodium Tellurite를 사용하였다.

실시예 2: 로듐 III 복합체 및 무기 광감응제 -금속산화물 복합체를 이용한 광화학적 방법에 의한 NADH 의 재생

광화학적 방법에 의하여 NADH를 재생하기 위하여 인공 광원과 이로부터 빛을 조사받을 수 있는 석영 반응기를 제작하였다. 인공 광원으로는 450W의 출력을 갖는 제논 램프를 사용하였고, 특히 가시광 영역의 빛을 조사하기 위해 420nm 이하의 파장을 갖는 빛을 걸러내는 필터를 장착하였다. 또한 광원의 열로부터 얻어질 수 있는 결과를 배제하기위해 열 및 적외선 영역의 파장을 갖는 빛을 걸러낼 수 있는 필터를 냉각수를 사용해 구성하였다. 광원으로부터 나오는 빛은 석영 반응기에 담긴 반응용액에 조사하였다.

NADH 생성의 산화환원 매개체(mediator)인 로듐 III 복합체 M은 0.25 mM의 농도로 사용하였고, 빛을 흡수해 산화환원반응에 활성을 갖는 촉매로 사용된 무기 광감응제-금속산화물 복합체는 5mg/3mL의 농도로 사용하였으며, NAD⁺는 1 mM의 농도로 사용하였다.

전해질로는 인산염버퍼(100 mM, pH 7.5)를 사용하였고, 상기 버퍼에 희생전자주개 TEOA, M, 염료 및 NAD⁺를 첨가하고 교반하여 용해시킨 후 빛을 조사하였다.

실험예 1: CdS 가 증착된 SiO ₂ 의 투사전자현미경 분석과 X- ray 분석

SiO₂ 표면에 증착된 CdS의 존재를 확인하기 위하여 투사전자현미경 분석과 X-ray 분석을 수행하였다.

그 결과, 도 3에 나타난 바와 같이, CdS가 증착되지 않은 SiO₂ 입자의 표면은 매끈하며, 분광 패턴과 X-ray 분석에서 어떠한 결정상의 신호가 검출되지 않았다. CdS가 증착된 SiO₂의 표면은 CdS 나노입자의 성장으로 거친 모양이 관찰 되었으며, 분광패턴과 X-ray에서 결정상의 CdS의 존재를 확인 할 수 있었다.

실험예 2: CdS 가 증착된 SiO ₂ 와 TiO ₂ 의 흡광 스펙트럼 분석

CdS가 증착된 SiO₂와 TiO₂의 흡광스펙트럼을 측정하기 위해 시편 파우더를 이용한 Diffuse Reflectance Spectrum을 측정하였다.

그 결과, 도 4 및 도 6에 나타난 바와 같이, CdS가 증착되지 않은 SiO₂와 TiO₂는 400nm 이상의 가시광 영역의 빛에 대한 흡광 스펙트럼이 나타나지 않은 반면, 이에 CdS가 증착된 경우 400~600 nm 의 가시광 영역에서의 흡광 스펙드럼이 나타나는 특성을 보였다. 또한, TiO₂에 대한 PbS 증착은 가시광 영역 뿐만 아니라 적외선 영역의 파장에 대한 흡수 특성을 나타내었다.

실험예 3: CdS 의 농도에 따른 NADH 재생 속도 측정

증착된 CdS의 농도에 따른 NADH 재생에 대한 특성을 확인하기 위해 SiO₂에 대한 CdS 증착 과정의 반복 횟수를 달리하여 실험하였다.

그 결과, 도 5에 나타난 바와 같이, 증착 과정을 1회 수행한 시편과 3회 수행한 시편에서 나타난 NADH 재생 속도는 증착 과정에 따라 증가한 CdS의 농도에 비례하는 결과를 나타내었다.

또한, TiO₂에 대한 무기 광감응제 증착의 영향을 확인하기 위해 CdS와 PbS를 증착시킨 시편으로 NADH 재생 실험을 수행하였다.

그 결과, 도 7에 나타난 바와 같이, 무기 광감응제의 증착이 이루어지지 않은 순수 TiO₂ 에서는 NADH 재생이 관찰 되지 않은 반면 CdS를 증착시킨 TiO2에서는 NADH 재생이 높은 속도로 관찰되었다.

실험예 4: 무기광감응제의 활성에 대한 백금 촉매의 영향

NADH 재생에 대한 백금 촉매의 영향을 확인하기 위해 CdS를 증착시킨 TiO₂에 백금 촉매를 추가로 증착시켜 실험하였다.

백금촉매의 증착은 CdS-TiO₂ 복합체를 1% 메탄올 용액에 분산시킨 후 1mM의 K₂PtCl₄를 백금의 전구체로 추가하여 UV-light에 1시간동안 노출시켜 수행하였다.

그 결과, 도 7에서 알 수 있는 바와 같이, Pt를 추가로 증착시킨 시편의 경우 TiO₂에 CdS만을 증착시킨 시편에서 얻은 NADH 재생의 결과 보다 크게 향상된 속도를 얻을 수 있었다.

Claims (25)

1. (i) 산화형 옥시도리덕타제 보조인자, (ii) 무기 광감응제-금속산화물 복합체 및 (iii) 희생전자 주개를 함유하는 옥시도리덕타제 보조인자 재생용액에 빛을 조사하여 환원형 옥시도리덕타아제를 생성시키는 것을 특징으로 하는 옥시도리덕타제 보조인자의 광학적 재생방법.
   
2. 제1항에 있어서, 산화형 옥시도리덕타제 보조인자는 NAD⁺, NADP⁺, FAD⁺ 및 FMN⁺으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 옥시도리덕타제 보조인자의 광화학적 재생방법.
   
3. 제1항에 있어서, 무기 광감응제는 CdS, CdSe, CdTe, PbS, ZnS, InP 및 GaAs으로 구성된 군에서 선택되는 나노입자를 사용하는 것을 특징으로 하는 옥시도리덕타제 보조인자의 광화학적 재생방법.
   
4. 제1항에 있어서, 금속산화물은 SiO₂, TiO₂, Fe₂O₃, IrO₂, Co₃O₄ 및 WO₃로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 옥시도리덕타제 보조인자의 광화학적 재생방법.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 옥시도리덕타아제 보조인자 재생용액은 산화환원매개체를 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 옥시도리덕타제 보조인자의 광학적 재생방법.
   
6. 제5항에 있어서, 산화환원매개체는 메틸비올로겐, 루테늄 II 복합체 및 로듐 III 복합체로 구성되는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 옥시도리덕타제 보조인자의 광화학적 재생방법.
   
7. 제6항에 있어서, 루테늄 II 복합체는 (헥사메틸벤젠-2,2′-비피리딘클로로)루테늄(II)인 것을 특징으로 하는 옥시도리덕타제 보조인자의 광화학적 재생방법.
   
8. 제6항에 있어서, 로듐 III 복합체는 (펜타메틸사이클로펜타디에닐-2,2'-비피리딘클로로)로듐(III)인 것을 특징으로 하는 옥시도리덕타제 보조인자의 광화학적 재생방법.
   
9. 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.
   
10. 제1항에 있어서, 무기 광감응제-금속산화물 복합체는 백금이 추가로 증착되어 있는 것을 특징으로 하는 옥시도리덕타제 보조인자의 광학적 재생방법.
    
11. 제1항에 있어서, 빛은 텅스텐-할로겐 램프광, 제논 램프광, 단파장 레이저광 및 태양광으로 구성되는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 옥시도리덕타제 보조인자의 광학적 재생방법.
    
12. 제1항에 있어서, 인공광원과 석영반응기를 포함하는 옥시도리덕타제 반응기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 옥시도리덕타제 보조인자의 광학적 재생방법.
    
13. (i) 산화형 옥시도리덕타제 보조인자, (ii) 무기 광감응제-금속산화물 복합체 및 (iii) 희생전자 주개를 함유하는 옥시도리덕타제 보조인자 재생용 조성물.
    
14. 제13항에 있어서, 산화형 옥시도리덕타제 보조인자는 NAD⁺, NADP⁺, FAD⁺ 및 FMN⁺으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 옥시도리덕타제 보조인자 재생용 조성물.
    
15. 제13항에 있어서, 무기 광감응제는 CdS, CdSe, CdTe, PbS, ZnS, InP 및 GaAs으로 구성된 군에서 선택되는 나노입자를 사용하는 것을 특징으로 하는 옥시도리덕타제 보조인자 재생용 조성물.
    
16. 제13항에 있어서, 금속산화물은 SiO₂, TiO₂, Fe₂O₃, IrO₂, Co₃O₄ 및 WO₃로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 옥시도리덕타제 보조인자 재생용 조성물.
    
17. 제13항에 있어서, 옥시도리덕타아제 보조인자 재생용액은 산화환원매개체를 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 옥시도리덕타제 보조인자 재생용 조성물.
    
18. 제17항에 있어서, 산화환원매개체는 메틸비올로겐, 루테늄 II 복합체 및 로듐 III 복합체로 구성되는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 옥시도리덕타제 보조인자 재생용 조성물.
    
19. 제18항에 있어서, 루테늄 II 복합체는 (헥사메틸벤젠-2,2′-비피리딘클로로)루테늄(II)인 것을 특징으로 하는 옥시도리덕타제 보조인자 재생용 조성물.
    
20. 제18항에 있어서, 로듐 III 복합체는 (펜타메틸사이클로펜타디에닐-2,2'-비피리딘클로로)로듐(III)인 것을 특징으로 하는 옥시도리덕타제 보조인자 재생용 조성물.
    
21. 제13항에 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.
    
22. 제13항에 있어서, 무기 광감응제-금속산화물 복합체는 백금이 추가로 증착되어 있는 것을 특징으로 하는 옥시도리덕타제 보조인자 재생용 조성물.
    
23. (i) NAD⁺ (ii) SiO_{2 -}CdS 복합체, (iii) 트리에탄올아민 및 (iv) 로듐 III 복합체를 함유하는 옥시도리덕타제 보조인자 재생용 조성물.
    
24. (i) NAD⁺ (ii) TiO_{2 -}CdS 복합체, (iii) 트리에탄올아민 및 (iv) 로듐 III 복합체를 함유하는 옥시도리덕타제 보조인자 재생용 조성물.
    
25. (i) NAD⁺ (ii) TiO_{2 -}Pt-CdS-TiO₂ 복합체, (iii) 트리에탄올아민 및 (iv) 로듐 III 복합체를 함유하는 옥시도리덕타제 보조인자 재생용 조성물.

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