KR20130118001A - Method for photochemical reduction of nad(p) analogs and method of biocatalyzed artificial photosynthesis using the same - Google Patents

Method for photochemical reduction of nad(p) analogs and method of biocatalyzed artificial photosynthesis using the same Download PDF

Info

Publication number
KR20130118001A
KR20130118001A KR1020120040811A KR20120040811A KR20130118001A KR 20130118001 A KR20130118001 A KR 20130118001A KR 1020120040811 A KR1020120040811 A KR 1020120040811A KR 20120040811 A KR20120040811 A KR 20120040811A KR 20130118001 A KR20130118001 A KR 20130118001A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
nad
derivative
eosin
regeneration
group
Prior art date
Application number
KR1020120040811A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
박찬범
이상하
원기훈
Original Assignee
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020120040811A priority Critical patent/KR20130118001A/en
Publication of KR20130118001A publication Critical patent/KR20130118001A/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N9/00Enzymes; Proenzymes; Compositions thereof; Processes for preparing, activating, inhibiting, separating or purifying enzymes
    • C12N9/0004Oxidoreductases (1.)
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N13/00Treatment of microorganisms or enzymes with electrical or wave energy, e.g. magnetism, sonic waves

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)

Abstract

PURPOSE: An artificial photosynthesis method by photochemical regeneration of an NAD(P) derivative is provided to produce eco-friendly fine chemicals and a raw material for a novel drug. CONSTITUTION: A photochemical regeneration method of an NAD(P) derivative comprises the steps of: irradiating a regeneration solution by light; and generating a useful material produced by oxidoredutase reaction using the regenerated NAD(P) derivatives. The regeneration solution contains an NAD(P) derivative, a dye, a sacrificial electron donor, and an electron mediator.

Description

NAD(P) 유도체의 광화학적 재생 및 이를 이용한 인공광합성 방법 {Method For Photochemical Reduction of NAD(P) Analogs and Method of Biocatalyzed Artificial Photosynthesis Using the Same}Photochemical Reduction of NAD Derivatives and Method of Artificial Photosynthesis Using The Same Method for Photochemical Reduction of NAD (P) Analogs and Method of Biocatalyzed Artificial Photosynthesis Using the Same

본 발명은 NAD(P) 유도체의 광화학적 재생 및 이를 이용한 인공광합성 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 NAD(P) 유도체를 이용하여 조효소를 재생하고, 상기 재생된 조효소를 산화환원 효소반응에 사용하여 유용물질을 제조하는 인공광합성 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to photochemical regeneration of NAD (P) derivatives and artificial photosynthesis method using the same, and more particularly, to regenerate coenzymes using NAD (P) derivatives, and to use the regenerated coenzymes for redox enzyme reactions. It relates to an artificial photosynthesis method for preparing a useful material.

니코틴아미드 조효소는 생체내에서 옥시도리덕타제에 의해 촉매된 산화환원반응의 전자 전달에 관여한다. 환원형의 니코틴아미드 조효소(즉 NAD(P)H)는 히드록실화(hydroxylation), 에폭시화(epoxidation), 베이어-빌리거 반응(Baeyer-Villiger) 등의 효소 반응에 다양하게 이용할 수 있어 유용하다. 반면에, NADH는 산화환원 효소를 이용한 생촉매 반응에서 redox equivalent로 작용하기 때문에 효소 반응 수행에 있어 매우 중요한 역할을 한다. 하지만 산화 또는 환원 두가지 형태를 가지는 조효소는 다른 하나의 상태로 변환이 되면 더이상 효소 반응에 사용할 수 없다. 따라서 항상 효소기질과 동일한 양을 사용해야 하는데, 조효소가 상당한 고가임을 고려할 때, 실제 산업에서 사용되기에는 경제적인 측면에서 어려움이 많다. 따라서 산화환원 반응 중에 소비된 NAD(P)+로부터 효율적으로 조효소를 재생하는 것이 매우 중요하다. Nicotinamide coenzymes are involved in the electron transfer of the redox reaction catalyzed by oxidoreductase in vivo. The reduced nicotinamide coenzyme (ie, NAD (P) H) is useful because it can be used in various enzyme reactions such as hydroxylation, epoxidation, Bayer-Villiger, etc. . On the other hand, NADH plays a very important role in performing enzymatic reactions because it acts as a redox equivalent in biocatalytic reactions using redox enzymes. However, coenzymes, 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 coenzyme is quite expensive, there are many economic difficulties in using it in the actual industry. Therefore, it is very important to efficiently regenerate coenzymes from NAD (P) + consumed during the redox reaction.

생촉매 반응의 효율을 높이기 위해서는, 효소의 지속적인 반응 수행을 위한 조효소가 지속적으로 재생되어야 할 필요가 있지만, 다양한 방식으로 널리 이용되고 있는 가수분해 효소와는 달리, 산화환원 효소의 사용에 있어서 만족할만한 조효소 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.In order to increase the efficiency of the biocatalyst reaction, coenzymes for the continuous reaction of the enzymes need to be continuously regenerated, but unlike the hydrolytic enzymes that are widely used in various ways, they are satisfactory in the use of redox enzymes. The coenzyme regeneration method has not been established, so it is not widely commercialized. Electrochemical regeneration has thus been considered as an attractive alternative to the existing second enzyme / substrate regeneration (F. Hollmann and A. Schmid, Biocatal . Biotransform . , 22:63, 2004). . However, in the electrochemical regeneration method, the reduction of NAD (P) + to NAD (P) H was also disadvantageous in that the regeneration efficiency was lowered due to the slow electron transfer rate between the electrode and NAD (P) + even under the thermodynamically favorable voltage condition.

이를 해결하기 위하여 균등질의 전자 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). 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. To solve this problem, a method of transferring electrons between an electrode and NAD (P) + using a homogeneous electron mediator has been developed (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). 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 allows for higher reaction rates and higher productivity, but increases the cost of infrastructure.

한편, 조효소 재생에 관한 광화학적 접근은 자연계의 광합성과 비슷한 방식으로 광대한 태양 에너지를 활용할 수 있기 때문에 최근에 주목받고 있다. 자연계의 광합성을 모사하는 것은 외부 전력의 공급 없이 무한한 태양에너지를 이용하여 저가이면서 환경 친화적인 광화학적 조효소 재생을 가능하게 한다 (D.Gust, T.A. Moore, A.L. Moore, Acc . Chem . Res. 2009, 42, 1890-1898., D.Gust, T.A. Moore, A.L. Moore, Acc . Chem . Res.2001, 34, 40-48). 자연계의 광합성은 클로로필(Chlorophyll)같은 유기 색소(Organic dye)로 이루어진 광계(Photosystem)에서 빛을 흡수해 높은 에너지의 전자를 얻어 ATP(Adenosine Triphosphate) 보조인자와 NAD(Nicotinamide Adenosine Dinucleotide) 보조인자를 환원적으로 재생한 후 이를 포도당 합성의 원료로 사용한다. 이에 반해, in vitro에서는 클로로필로 이루어진 광계 대신에 인공 광감응제(man-made photosensitizer)를 이용하여 태양광을 흡수하고 높은 에너지의 전자(photo-excited electron)을 발생시켜, 산화환원 효소반응에 사용될 보조인자를 광화학적으로 재생한다. 그러나, 이러한 광화학적 환원 방법은 여전히 낮은 전환 효율을 나타내며, 반응 메커니즘이 매우 어려워 실시하는 것에 어려움이 따른다.On the other hand, the photochemical approach to coenzyme regeneration has attracted attention recently because it can utilize vast solar energy in a manner similar to the photosynthesis of nature. Simulating nature's photosynthesis enables low-cost and environmentally friendly photochemical coenzyme regeneration using infinite solar energy without supplying external power (D.Gust, TA Moore, AL Moore, Acc . Chem . Res . 2009, 42, 1890-1898., D. Gust, TA Moore, AL Moore, Acc . Chem . Res . 2001, 34, 40-48). Natural photosynthesis absorbs light from a photosystem consisting of organic dyes such as chlorophyll to obtain high energy electrons, reducing ATP (Adenosine Triphosphate) cofactors and NAD (Nicotinamide Adenosine Dinucleotide) cofactors After regeneration, it is used as a raw material for glucose synthesis. In contrast, in vitro, man-made photosensitizers are used instead of chlorophyll to absorb sunlight and generate high-energy photo-excited electrons that can be used for redox enzyme reactions. Cofactors are photochemically regenerated. However, these photochemical reduction methods still exhibit low conversion efficiencies, and the reaction mechanisms are very difficult and therefore difficult to implement.

이에, 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위하여 예의 노력한 결과, 기존의 NAD(P) 대신에 더 양성의 산화환원 전위(redox potential)을 갖는 NAD(P) 유도체를 이용하면 우수한 효율로 조효소를 재생할 수 있으며, 재생된 조효소를 산화환원 효소반응에 이용하여 유용물질을 생성할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
Accordingly, the present inventors have made diligent efforts to solve the above problems, and as a result of using the NAD (P) derivative having a more positive redox potential instead of the existing NAD (P), the coenzyme can be regenerated with excellent efficiency. In addition, it was confirmed that useful substances can be generated by using the regenerated coenzyme in the redox enzyme reaction, thereby completing the present invention.

본 발명의 목적은 고효율의 광화학적 NAD(P) 유도체 재생방법을 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide a high efficiency photochemical NAD (P) derivative regeneration method.

본 발명의 다른 목적은 NAD(P) 유도체 재생용 조성물을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a composition for regenerating a NAD (P) derivative.

본 발명의 또 다른 목적은 NAD(P) 유도체의 광화학적 재생을 이용한 인공광합성 방법을 제공하는데 있다.
It is still another object of the present invention to provide an artificial photosynthesis method using photochemical regeneration of a NAD (P) derivative.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (i) NAD(P) 유도체; (ii) 염료; (iii) 희생전자 주개; 및 (iv) 전자 매개체를 함유하는 재생용액에 빛을 조사하는 것을 특징으로 하는 NAD(P) 유도체의 광화학적 재생방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention (i) NAD (P) derivative; (ii) dyes; (iii) sacrificial electron donors; And (iv) irradiating light to a regeneration solution containing an electron mediator.

본 발명은 또한, (i) NAD(P) 유도체; (ii) 염료; (iii) 희생전자 주개; 및 (iv) 전자 매개체를 함유하는 NAD(P) 유도체의 재생용 조성물을 제공한다. The present invention also provides for (i) a NAD (P) derivative; (ii) dyes; (iii) sacrificial electron donors; And (iv) a composition for regeneration of a NAD (P) derivative containing an electron mediator.

본 발명은 또한, (a) (i) NAD(P) 유도체, (ii) 염료, (iii) 희생전자 주개 및 (iv) 전자 매개체를 함유하는 재생용액에 빛을 조사하여 NAD(P) 유도체를 광화학적으로 재생하는 단계; 및 (b) 상기 재생된 NAD(P) 유도체를 산화환원 효소반응에 사용하여 상기 산화환원 효소반응에 의해 생성되는 유용물질을 제조하는 단계를 포함하는 NAD(P) 유도체의 광화학적 재생을 이용한 인공광합성 방법을 제공한다.
The present invention also relates to a regeneration solution containing (a) (i) a NAD (P) derivative, (ii) a dye, (iii) a sacrificial electron donor and (iv) an electron mediator to irradiate the NAD (P) derivative with light. Photochemical regeneration; And (b) using the regenerated NAD (P) derivative in a redox enzymatic reaction to produce a useful material produced by the redox enzymatic reaction. It provides a photosynthesis method.

본 발명에 따르면 NAD(P) 유도체를 광화학적 방법으로 환원하면, NAD(P)보다 더 많은 양을 빠른 속도로 환원시킬 수 있어 이를 이용하는 다양한 생촉매반응의 효율을 높이는데 유용하다. 또한 NAD(P) 유도체의 광화학적 재생을 이용한 인공광합성 방법에 따르면 신약원료물질, 광학 이성질체와 같은 고부가가치의 정밀화학물질을 친환경적으로 생산하기에 유용하다.
According to the present invention, if the NAD (P) derivative is reduced by photochemical method, it is useful to increase the efficiency of various biocatalytic reactions using the same, since it can reduce a larger amount than NAD (P) at a high speed. In addition, according to the artificial photosynthesis method using photochemical regeneration of the NAD (P) derivative, it is useful for environmentally friendly production of high value-added fine chemicals such as new drug materials and optical isomers.

도 1은 가시광선 흡수를 통해 광감응제에 의해 광여기(photo-electron)된 전자가 NAD와 NAD 유도체의 광화학적 환원과 함께 로듐 복합체(M)의 환원을 유발하는 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 NAD(P) 유도체를 이용한 조효소의 재생반응의 결과를 나타낸 것으로, (a)는 NAD와 그것의 유도체의 가시광-유발 환원 농도를 나타낸 것이고, (b)는 효소적 활성 조효소의 수득률을 나타낸 것이다.
도 3은 NAD와 그 유도체의 cathodic peak potential의 상대적인 위치를 나타낸 것이다.
도 4의 (a)는 EY 형광의 M-의존 quenching에 미치는 NAD와 그 유도체의 효과를 나타낸 것이고, (b)는 NAD 또는 TNAD 존재 하에 EY의 형광 스펙트럼의 변화를 나타낸 것이다.
도 5는 L-글루타메이트의 광효소적 합성에 관한 것으로, (a)는 전환율에 미치는 조효소 농도의 효과를 나타낸 것이고, (b)는 조효소의 턴오버 주파수(turnover frequency, TOF)에 미치는 조효소 농도의 효과를 나타낸 것이다.
도 6은 조효소의 광화학적 재생에 있어서, Eosin Y의 턴오버수(turnover number, TON)을 나타낸 것이다.
도 7은 EY의 존재/부존재 하에서 NAD와 그 유도체의 광화학적 환원시 흡수 스펙트럼의 변화를 나타낸 것이다.
도 8의 (a)는 M과 조효소 유도체의 순환 전압전류도를 나타낸 것이고, (b)는 조효소의 존재/부존재 하에서 M의 순환 전압전류도를 나타낸 것이다.
도 9는 조효소와 EY의 농도에 따른 GDH의 광효소적 반응 전환율을 나타낸 것이다.
도 10은 NADH의 안정성을 확인하기 위하여 NADH의 흡수 스펙트럼을 나타낸 것이다.
Figure 1 shows a schematic diagram that the electrons photo-electron by the photosensitive agent through the absorption of visible light causes the reduction of the rhodium complex (M) together with the photochemical reduction of the NAD and NAD derivatives.
Figure 2 shows the result of the regeneration of the coenzyme using the NAD (P) derivative, (a) shows the visible light-induced reduction concentration of NAD and its derivatives, (b) shows the yield of enzymatically active coenzyme It is shown.
Figure 3 shows the relative positions of the cathodic peak potential of NAD and its derivatives.
Figure 4 (a) shows the effect of NAD and its derivatives on the M-dependent quenching of EY fluorescence, (b) shows the change in fluorescence spectrum of EY in the presence of NAD or TNAD.
Figure 5 relates to the photoenzymatic synthesis of L- glutamate, (a) shows the effect of the coenzyme concentration on the conversion rate, (b) shows the coenzyme concentration on the turnover frequency (TOF) of the coenzyme The effect is shown.
Figure 6 shows the turnover number (TON) of Eosin Y in photochemical regeneration of the coenzyme.
Figure 7 shows the change in absorption spectrum upon photochemical reduction of NAD and its derivatives in the presence / absence of EY.
8 (a) shows a cyclic voltammetry diagram of M and a coenzyme derivative, and (b) shows a cyclic voltammetry diagram of M in the presence / absence of coenzyme.
Figure 9 shows the conversion rate of the photoenzymatic reaction of GDH according to the concentration of the coenzyme and EY.
Figure 10 shows the absorption spectrum of NADH to confirm the stability of the NADH.

다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. In general, the nomenclature used herein is well known and commonly used in the art.

본 발명은 (i) NAD(P) 유도체; (ii) 염료; (iii) 희생전자 주개; 및 (iv) 전자 매개체를 함유하는 재생용액에 빛을 조사하는 것을 특징으로 하는 NAD(P) 유도체의 광화학적 재생방법 및 상기 NAD(P) 유도체 재생용 조성물에 관한 것이다.The present invention (i) NAD (P) derivatives; (ii) dyes; (iii) sacrificial electron donors; And (iv) relates to a photochemical regeneration method of the NAD (P) derivative and the composition for regeneration of the NAD (P) derivative, characterized in that the light is irradiated to the regeneration solution containing the electron mediator.

본 명세서에서 사용한 "NAD(P)"란 "NAD 또는 NADP"를 의미하며, "NAD(P)H"란 "NADH 또는 NADPH"를 의미한다. As used herein, "NAD (P)" means "NAD or NADP" and "NAD (P) H" means "NADH or NADPH".

NAD와 NADH는 둘 다 전자(electron)과 양성자(proton)을 전달하는 동일한 조효소 활성을 나타내며, 다만 산화환원 효소의 기능 및 종류에 따라 NAD가 사용되거나 NADP가 조효소로서 사용되나. 비록 두 조효소가 구조적인 차이점을 보이나, 본 발명에서 광화학적 환원 반응이 일어나는 부분은 리보오스(ribose)에 결합된 니코틴아미드 고리(nicotinamide ring) 부분이기 때문에, NAD와 NADP는 공통적인 광화학적 환원 특성을 보일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 3개의 치환된 피리딘 고리(pyridine ring)을 가진 4개의 상업적으로 이용가능한 NAD 유도체로서, 3-아세틸피리딘 아데닌 디뉴클레오티드(3-acetylpyridine adenine dinucleotide, APAD, R=COCH3), 3-피리딘알데히드 아데닌 디뉴클레오티드(3-pyridinealdehyde adenine dinucleotide, PAAD, R=CHO), 티오-니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드(thio-nicotinamide adenine dinucleotide, TNAD, R=CSNH2) 및 니코틴산 아데닌 디뉴클레오티드(nicotinic acid adenine dinucleotide, NAAD, R=COOH)을 이용할 수 있다. 상기 화합물들은 당업계에 공지된 일반적인 화학적 합성 방법에 의하여 합성할 수 있으며, 상업적으로 판매되는 화합물을 구매하여 사용하는 것도 가능하다.NAD and NADH both exhibit the same coenzyme activity that transfers electrons and protons, except that NAD or NADP is used as coenzyme, depending on the function and type of the redox enzyme. Although the two coenzymes show structural differences, NAD and NADP have common photochemical reduction properties because the photochemical reduction reaction in the present invention is a nicotinamide ring portion bonded to ribose. Can be seen. According to an embodiment of the invention, four commercially available NAD derivatives having three substituted pyridine rings, 3-acetylpyridine adenine dinucleotide, APAD, R = COCH 3 ), 3-pyridinealdehyde adenine dinucleotide (PAAD, R = CHO), thio-nicotinamide adenine dinucleotide (TNAD, R = CSNH 2 ) and nicotinic acid adenine dinucleotide ( nicotinic acid adenine dinucleotide, NAAD, R = COOH). The compounds may be synthesized by general chemical synthesis methods known in the art, and commercially available compounds may be purchased and used.

하기 실시예를 통하여 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 NAD(P) 유도체들은 동일한 염료를 이용한 광화학적 반응을 하였을 때 NAD(P)보다 더 많은 양을 환원시킬 수 있어, NAD(P)H -의존성 효소 반응 산물의 광효소적 합성반응에서 우수한 합성 효율을 얻을 수 있음을 특징으로 한다. As can be seen through the following examples, NAD (P) derivatives according to the present invention can reduce more than NAD (P) when the photochemical reaction using the same dye, NAD (P) H It is characterized in that excellent synthesis efficiency can be obtained in the photoenzymatic synthesis reaction of the dependent enzyme reaction product.

본 발명에서 상기 염료는 빛을 통해 전자를 여기시켜 전류를 발생시킬 수 있는 염료면 어느 것이나 가능하나, 바람직하게는 플루오레신(Fluorescein)을 포함하여, 이를 기본 구조로 일부 수소 원소가 할로겐 원소로 치환된 에오신 Y(Eosin Y), 에오신 B(Eosin B), 에리쓰로신 B(Erythrosine B), 플로신 B(Phloxine B), 로즈벵갈(Rose Bengal), 멀브로민(Merbromin), 에틸에오신(Ethyl Eosin), 로다민 B(Rhodamine B), 로다민 6G(Rhodamine 6G) 및 설포로다민 B(Sulforhodamine B)로 이루어지는 군으로 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 Eosin Y를 사용할 수 있다. Eosin Y는 가시광선 조사로 NAD를 환원시킬 수 있기 때문에 광감응제로 사용하였다. In the present invention, the dye may be any dye capable of generating an electric current by excitation of electrons through light, but preferably includes fluorescein. Substituted Eosin Y, Eosin B, Erythrosine B, Phloxine B, Rose Bengal, Merbromin, Ethyl One or more selected from the group consisting of Ethyl Eosin, Rhodamine B, Rhodamine 6G, and Sulforhodamine B may be used, and more preferably, Eosin Y Can be used. Eosin Y was used as a photosensitizer because it could reduce NAD by visible light irradiation.

상기 염료의 첨가량은 크게 제한되지 않으나, 바람직하게는 0.1μM~100μM의 농도로 첨가하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1μM~100μM의 농도로 첨가하는 것이 좋다. Although the addition amount of the said dye is not restrict | limited significantly, Preferably it is added at the density | concentration of 0.1 micrometer-100 micrometers, More preferably, it is good to add it at the density | concentration of 1 micrometer-100 micrometers.

본 발명에서 상기 희생전자 주개(sacrificial electron donor)는 염료에서 여기된 전자가 전자 매개체(electron mediator)에 전달되어 생기는 전자공극을 채우기 위한 전자를 제공해주는 물질로서, 당업자의 관점에서 트리에탄올아민(Triethanolamine, TEOA), 에틸렌디아민테트라아세트산(Ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA), 시트르산(Citric acid), 개미산(Formic acid), 아스코르브산(Ascorbic acid), 옥살산(Oxalic acid), 알코올류 또는 물 등을 이용할 수 있으나 바람직하게는 TEOA일 수 있다.In the present invention, the sacrificial electron donor is a material that provides electrons to fill the electron pores generated by the transfer of electrons excited from the dye to an electron mediator. In view of those skilled in the art, triethanolamine (Triethanolamine, TEOA), ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), citric acid, formic acid, ascorbic acid, ascorbic acid, oxalic acid, alcohols or water, etc. May be TEOA.

본 발명에서 사용하는 전자 매개체는, 메틸비올로겐, 루테늄 (II) 복합체 및 로듐 (III) 복합체로 구성되는 군에서 선택되는 어느 1종 이상인 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 전자 매개체는 산화형의 옥시도리덕타제 보조인자에 전자 전달(electron transfer)을 위한 1차 매개체의 용도로 사용된다. 일반적으로 전자 매개체를 거치지 않고 바로 산화형 옥시도리덕타제 보조인자로 전자가 전달되는 직접전자전달(direct electron transfer)은 보조인자의 아이소머와 다이머의 형성을 초래한다. 이는 효소의 활성이 없어(enzymatically inactive) 산화환원 효소반응에서 최종 생성물을 얻을 수 없다.The electron mediator used in the present invention may be any one or more selected from the group consisting of methyl viologen, ruthenium (II) complex, and rhodium (III) complex, and the electron mediator is an oxidized type. It is used as a primary mediator for electron transfer to oxidoreductase cofactors. In general, direct electron transfer in which electrons are transferred directly to an oxidative oxidoreductase cofactor without passing through an electron mediator results in the formation of isomers and dimers of the cofactor. It is not enzymatically inactive to obtain the final product in redox enzyme reactions.

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. 로듐 (III) 복합체는 pH 및 온도 변화에도 높은 위치 선택성(>99%)을 유지하기 때문에 효소 반응에 활성을 가진 NAD(P)H를 간접적으로 재생(indirect regeneration)하는데 있어서 널리 사용된다. The ruthenium (II) complex may preferably be (hexamethylbenzene-2,2'-bipyridinechloro) ruthenium (II), and the rhodium (III) complex may be (pentamethylcyclopentadienyl-2,2 Preference is given to using '-bipyridinechloro) rhodium (III). Rhodium (III) complexes are widely used for indirect regeneration of NAD (P) H, which is active in enzymatic reactions because they maintain high regioselectivity (> 99%) even with pH and temperature changes.

광화학적 환원 반응에서, 광감응제의 가시광선 흡수에 의해 희생전자 주개로부터 전자가 방출된다. 방출된 전자는 산화된 매개체(Mox)로 옮겨지고, 환원된 형태(Mred)가 되기 위해 수용액에서 양성자를 받아들인다. 수소(즉 2개의 전자와 1개의 양성자)는 Mred로부터 매개체의 촉매 작용을 통하여 산화형 니코틴아미드 조효소로 옮겨진다(도 1). In the photochemical reduction reaction, electrons are released from the sacrificial electron donor by the visible light absorption of the photosensitizer. The released electrons are transferred to the oxidized mediator (M ox ) and accept protons in aqueous solution to become the reduced form (M red ). Hydrogen (ie two electrons and one proton) is transferred from M red to the oxidized nicotinamide coenzyme through the catalysis of the medium (FIG. 1).

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

본 발명에서는 산화형 옥시도리덕타제 조효소, 염료, 희생전자 주개 및 전자 매개체를 함유하는 NAD(P) 유도체 재생용액에 광원으로 빛을 조사하고 교반하여 환원형의 옥시도리덕타제 조효소를 생성한다. 상기 광원의 출력은 5 W ~ 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. In the present invention, a reduced oxidoreductase coenzyme is produced by irradiating light with a light source and stirring the NAD (P) derivative regeneration solution containing an oxidized oxidoreductase coenzyme, a dye, a sacrificial electron donor, and an electron mediator. It is preferable that the output of the said light source is 5W-2000W. 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.

본 발명의 효과를 확인하기 위하여, LSV(linear sweep voltammetry)를 사용하여 NAD와 NAD 유도체의 광화학적 환원의 다른 양상을 살펴보았다. NAD와 NAD 유도체의 환원 피크 포텐셜(E p)은 유리상 탄소 전극을 작업 전극으로 한 LSV를 사용하여 그들의 환원성을 측정함에 따라 결정되었다. 도 3에 나타난 대로, NAD의 cathodic peak potential은 Ag/AgCl 대비 -1.10V로 측정되었지만, 다른 유도체는 더 양성인 E p(APAD= -1.00 V, PAAD= -0.93 V 및 TNAD= -1.05 V) 또는 더 음성인 E p(NAAD= -1.28 V)로 나타났다. 높은 E p를 가진 NAD 유도체는 NAD보다 쉽게 환원이 되므로, APAD와 PAAD는 높은 환원력을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. In order to confirm the effect of the present invention, another aspect of photochemical reduction of NAD and NAD derivatives was examined using linear sweep voltammetry (LSV). The reduction peak potential ( E p ) of NAD and NAD derivatives was determined by measuring their reducibility using LSV with the glassy carbon electrode as the working electrode. As shown in FIG. 3, the cathodic peak potential of NAD was determined to be -1.10 V compared to Ag / AgCl, but other derivatives were more positive E p (APAD = -1.00 V, PAAD = -0.93 V and TNAD = -1.05 V) or More negative E p (NAAD = -1.28 V). Since NAD derivatives having a high E p are more easily reduced than NAD, APAD and PAAD have high reducing power.

본 발명은 다른 관점에서, (a) (i) NAD(P) 유도체, (ii) 염료, (iii) 희생전자 주개 및 (iv) 전자 매개체를 함유하는 재생용액에 빛을 조사하여 NAD(P) 유도체를 광화학적으로 재생하는 단계; 및 (b) 상기 재생된 NAD(P) 유도체를 산화환원 효소반응에 사용하여 상기 산화환원 효소반응에 의해 생성되는 유용물질을 제조하는 단계를 포함하는 NAD(P) 유도체의 광화학적 재생을 이용한 인공광합성 방법에 관한 것이다.In another aspect, the present invention is directed to a regeneration solution containing (a) a (i) NAD (P) derivative, (ii) a dye, (iii) a sacrificial electron donor, and (iv) an electron mediator to irradiate a NAD (P) Photochemically regenerating the derivative; And (b) using the regenerated NAD (P) derivative in a redox enzymatic reaction to produce a useful material produced by the redox enzymatic reaction. It relates to a photosynthesis method.

본 발명의 인공광합성은 자연광합성의 명반응을 모방하여 조효소를 재생하고, 암반응을 모방하여 산화환원 효소를 이용한 효소반응으로 유용물질을 제조하는 과정을 의미한다. 본 발명에 있어서 인공광합성에 의해 생산되는 유용물질은 글루타메이트(glutamate), 아스파테이트(aspartate), 이부프로펜(Ibuprofen), 프라바스타틴(Pravastatin) 및 택솔(Taxol) 등을 포함하는 신약원료물질, 광학이성질체와 같은 고부가가치의 정밀화학물질을 예시할 수 있으나, 조효소로 NAD(P) 또는 그 유도체를 필요로 하는 산화환원 효소 반응에 의해 생성되는 물질을 모두 포함한다. Artificial photosynthesis of the present invention refers to a process of reproducing coenzymes by mimicking the light reaction of natural photosynthesis, and preparing useful substances by enzymatic reaction using redox enzymes by mimicking the cancer reaction. In the present invention, useful materials produced by artificial photosynthesis include new drug materials, such as glutamate, aspartate, ibuprofen, pravastatin, Taxol, Taxol, and the like. High value-added fine chemicals can be exemplified, but includes all substances produced by a redox enzyme reaction requiring NAD (P) or a derivative thereof as a coenzyme.

본 발명의 인공광합성은 NAD(P) 유도체를 가시광선 하에서 광효소적 합성의 전자 전달체로 이용하는 것을 특징으로 하며, 상기 염료는 빛을 통해 전자를 여기시켜 전류를 발생시킬 수 있는 염료면 어느 것이나 가능하나, 바람직하게는 플루오레신(Fluorescein)을 포함하여, 이를 기본 구조로 일부 수소 원소가 할로겐 원소로 치환된 에오신 Y(Eosin Y), 에오신 B(Eosin B), 에리쓰로신 B(Erythrosine B), 플로신 B(Phloxine B), 로즈벵갈(Rose Bengal), 멀브로민(Merbromin), 에틸에오신(Ethyl Eosin), 로다민 B(Rhodamine B), 로다민 6G(Rhodamine 6G) 및 설포로다민 B(Sulforhodamine B)로 이루어지는 군으로 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 Eosin Y를 사용할 수 있다.Artificial photosynthesis of the present invention is characterized by using a NAD (P) derivative as an electron transporter for photoenzymatic synthesis under visible light, and the dye may be any dye that can generate an electric current by exciting electrons through light. However, Eosin Y, Eosin B, and Erythrosine B, which preferably contain fluorescein and have some hydrogen elements substituted with halogen elements as a basic structure. ), Phloxine B, Rose Bengal, Merbromin, Ethyl Eosin, Rhodamine B, Rhodamine 6G and Sulfo At least one selected from the group consisting of multi-amine B (Sulforhodamine B) may be used, and more preferably, Eosin Y may be used.

상기 희생전자 주개는 트리에탄올아민(Triethanolamine, TEOA), 에틸렌디아민테트라아세트산(Ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA), 시트르산(Citric acid), 개미산(Formic acid), 아스코르브산(Ascorbic acid), 옥살산(Oxalic acid), 알코올류 또는 물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 한다.The sacrificial electron donor is triethanolamine (TEOA), ethylenediaminetetraacetic acid (Ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA), citric acid, formic acid, ascorbic acid, ascorbic acid, oxalic acid, alcohol It is characterized in that it is selected from the group consisting of water or water.

상기 전자 매개체는 메틸비올로겐, 루테늄 (II) 복합체 및 로듐 (III) 복합체로 구성되는 군에서 선택되는 어느 1종 이상인 것을 특징으로 하며, 상기 로듐 (III) 복합체는 (펜타메틸사이클로펜타디에닐-2,2'비피리딘클로로)로듐(III):[Cp*Rh(bpy)H20]+인 것을 특징으로 한다.The electron mediator is any one or more selected from the group consisting of methylbiologen, ruthenium (II) complex and rhodium (III) complex, and the rhodium (III) complex is (pentamethylcyclopentadienyl -2,2'bipyridinechloro) rhodium (III): [Cp * Rh (bpy) H 2 0] + .

상기 산화환원 효소는 산화환원효소군(Oxidoreductase, EC 1)의 효소들 중 조효소를 이용하여 산화환원 반응을 촉매하는 효소이면 어느 것이나 가능하며, GDH(glutamate dehydrogenase), ADH(alcohol dehydrogenase), G6PDH(glucose-6-phosphate dehydrogenase), LDH(lactic dehydrogenase), MDH(malate dehydrogenase) 및 SDH(succinic dehydrogenase) 등일 수 있으나, 이에 한정된 것은 아니다. The redox enzyme may be any enzyme that catalyzes a redox reaction using a coenzyme among enzymes of an oxidoreductase group (Oxidoreductase, EC 1), and GDH (glutamate dehydrogenase), ADH (alcohol dehydrogenase), and G6PDH ( glucose-6-phosphate dehydrogenase (LDH), lactic dehydrogenase (LDH), malate dehydrogenase (MDH), and succinic dehydrogenase (SDH), and the like, but are not limited thereto.

광화학적 환원 생성물(즉, NADH, APADH, PAADH, TNADH 및 NAADH)이 옥시도리덕타제에 전자 전달을 하기 위한 효소적 활성이 있는지 확인하기 위하여 총 조효소량에 대하여 효소적 활성 조효소의 비율을 계산함으로써 활성 조효소의 수득률을 계산하였다. 예상한 대로, 광화학적으로 환원된 NAD(즉, NADH)는 GDH와 거의 100% 반응하였다. APADH와 PAADH는 NADH보다 약간 낮은 대략 80%의 활성 조효소 수득률을 나타냈다. TNAD의 경우는 10%보다 낮았고, NAAD의 경우 활성 조효소의 수득률을 측정하기에는 환원 정도가 너무 낮았다. NAD, APAD 및 PAAD의 양자 수율은 각각 0.035, 0.053, 및 0.030으로 계산되었다. NAD와 그 유도체의 양자수율(Φcoenzyme)은 아래와 같이 계산된다.By calculating the ratio of enzymatically active coenzyme to total coenzyme amount to determine whether the photochemical reduction products (ie, NADH, APADH, PAADH, TNADH and NAADH) have enzymatic activity for electron transfer to oxidoreductase The yield of active coenzyme was calculated. As expected, the photochemically reduced NAD (ie, NADH) reacted almost 100% with GDH. APADH and PAADH showed approximately 80% active coenzyme yield slightly lower than NADH. For TNAD it was lower than 10% and for NAAD the degree of reduction was too low to measure the yield of active coenzymes. Quantum yields of NAD, APAD and PAAD were calculated to be 0.035, 0.053, and 0.030, respectively. The quantum yield (Φ coenzyme ) of NAD and its derivatives is calculated as follows.

Φcoenzyme = 2*(환원된 조효소의 수/ 입사 광자 수)
Φ coenzyme = 2 * (number of reduced coenzymes / number of incident photons)

[실시예][Example]

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.

실시예Example 1:  One: NADNAD (P) 유도체의 특성(P) Properties of Derivatives

본 발명에서는 대조군인 NAD와 실험군인 NAD 유도체로서 3-아세틸피리딘 아데닌 디뉴클레오티드(3-acetylpyridine adenine dinucleotide, APAD, R=COCH3), 3-피리딘알데히드 아데닌 디뉴클레오티드(3-pyridinealdehyde adenine dinucleotide, PAAD, R=CHO), 티오-니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드(thio-nicotinamide adenine dinucleotide, TNAD, R=CSNH2) 및 니코틴산 아데닌 디뉴클레오티드(nicotinic acid adenine dinucleotide, NAAD, R=COOH)를 이용하였다. Eosin Y, TEOA, NAD, APAD, PAAD, TNAD 및 NAAD를 포함한 모든 화합물은 시그마 알드리치(USA)사에서 구입하였고, 추가적인 정제 없이 사용하였다. 로듐 복합체 M은 공지의 방법으로 합성하였다. In the present invention, as the control group NAD and the experimental group NAD derivative 3-acetylpyridine adenine dinucleotide (APAD, R = COCH 3 ), 3-pyridinealdehyde adenine dinucleotide (PApy, R = CHO), thio-nicotinamide adenine dinucleotide (TNAD, R = CSNH 2 ) and nicotinic acid adenine dinucleotide (NAAD, R = COOH) were used. All compounds including Eosin Y, TEOA, NAD, APAD, PAAD, TNAD and NAAD were purchased from Sigma Aldrich (USA) and used without further purification. Rhodium complex M was synthesized by a known method.

도 2에서 나타난 바와 같이, 각각 조효소는 다른 환원 양태를 갖는다. NAD에 비해서 APAD, PAAD 사용시 높은 환원 수득률을 보였다. APAD와 PAAD의 경우 EY에 의한 광감응 30분 후 각각 77%, 56%로 높은 수득률을 보였지만, NAD의 경우에는 겨우 48%의 환원 수득률을 보였다. 게다가 APAD는 NAD에 비해 환원 속도도 더 빠른 것으로 나타났다. 대조적으로, TNAD의 경우 8.6%, NAAD의 경우 2.1%로 낮게 나타났다.
As shown in Figure 2, each coenzyme has a different reducing mode. Compared with NAD, APAD and PAAD showed higher reduction yields. APAD and PAAD showed high yields of 77% and 56%, respectively, after 30 minutes of photo-sensitization by EY, but only 48% of NAD showed reduced yields. In addition, APAD was found to be faster than NAD. In contrast, 8.6% for TNAD and 2.1% for NAAD.

실시예Example 2:  2: NADNAD (P) 유도체의 광화학적 환원(P) photochemical reduction of derivatives

NAD와 NAD 유도체의 광화학적 환원은 온도제어수조(37℃)를 장착한 석영반응기에서 수행하였다. 420nm의 cut-off 필터를 장착한 450 W의 제논 램프를 광원으로 사용하였다. 니코틴아미드 조효소의 EY-감응 광환원은 3μM의 EY, 0.25mM의 M, 1mM의 조효소, 15% w/v의 TEOA 및 인산염버퍼(100mM, pH 7.5)로 이루어진 반응 혼합물을 함유하는 석영반응기에 빛을 조사함으로써 수행하였다. 알려진 흡광계수를 이용하여, 극대 흡수파장(λmax)에서 환원된 보조인자의 농도를 구하였다(도 7).Photochemical reduction of NAD and NAD derivatives was carried out in a quartz reactor equipped with a temperature controlled bath (37 ° C.). A 450 W xenon lamp equipped with a 420 nm cut-off filter was used as the light source. The EY-sensitized photoreduction of nicotinamide coenzyme is directed to a quartz reactor containing a reaction mixture consisting of 3 μM EY, 0.25 mM M, 1 mM coenzyme, 15% w / v TEOA and phosphate buffer (100 mM, pH 7.5). This was done by examining. Using the known extinction coefficient, the concentration of the reduced cofactor at the maximum absorption wavelength (λ max) was obtained (FIG. 7).

NAD와 그 유도체는 전자 매개체인 M을 통해 광화학적으로 환원되었다. 따라서 M과 조효소의 상호작용은 광화학적 재생의 효율성에 있어서 매우 중요하다. M이 NAD의 전기화학적 환원에 미치는 영향을 알아보기 위하여, 순환전압전류법을 통해 NAD 유도체에 대한 M의 촉매적 활성을 측정하였다. NAD와 그 유도체의 존재 여부에 따른 M의 순환전압전류를 기록하였다(도 8). 표 1은 M의 cathodic peak potential(E p)와 cathodic peak current(I p)를 나타낸다. 위 결과에 의하면, M의 I p는 조효소의 존재 여부에 따라 영향을 받고, 이로써 M에 의해 환원이 성공적으로 매개됨을 알 수 있다. APAD는 NAD보다 M의 I p를 증가시켰다. TNAD의 존재 하에, Mox의 환원 피크는 사라졌고 대신에 다른 cathodic peak는 Ag/AgCl 대비 -1.05 V에서 관찰되었다. M과 NAD의 coordination은 Cp*Rh 금속 센터와 NAD의 아미드 카보닐 그룹(CONH2)의 산소원자를 통해 일어나는 것으로 알려져있다. TNAD는 NAD의 아미드 그룹의 산소원자 대신에 황원자를 가졌는데, 황은 더 극성이며 산소보다 coordinating을 잘한다. Mox에 대한 TNAD의 높은 친화력은 비촉매 복합체 형성을 이끌고, EY와 Mox 사이의 광유발 전자이동을 저해한다. NAAD는 I p를 증가시키지 않는데, 이는 M이 NAAD에 촉매적 효과를 거의 미치지 않는다는 것을 의미한다. 비록 NAAD는 TNAD와는 달리 M과 상호작용을 할 수 있는 산소원자를 가졌음에도, NAAD의 pKa가 4.77로 알려져 있기 때문에(37℃), NAAD의 COOH 그룹은 중성조건 하에서 탈수소된다. 따라서 NAAD는 이온 결합으로 카복실(COO-)그룹을 통해 M의 금속 중심에 결합하고, 이는 피리디닐 C4 원자에 수소 전달을 하기 위한 카보닐-O-Rh의 coordination을 막는다. NAD and its derivatives were photochemically reduced via M, the electron mediator. Therefore, the interaction of M and coenzyme is very important in the efficiency of photochemical regeneration. In order to determine the effect of M on the electrochemical reduction of NAD, the catalytic activity of M on NAD derivatives was measured by cyclic voltammetry. The cyclic voltammogram of M depending on the presence of NAD and its derivatives was recorded (FIG. 8). Table 1 shows the cathodic peak potential ( E p ) and cathodic peak current ( I p ) of M. According to the above results, I p of M is affected by the presence of the coenzyme, it can be seen that the reduction is successfully mediated by M. APAD increased the I p of M over NAD. In the presence of TNAD, the reduction peak of M ox disappeared and instead another cathodic peak was observed at -1.05 V relative to Ag / AgCl. Coordination of M and NAD is known to occur through the oxygen atoms of the Cp * Rh metal center and the amide carbonyl group (CONH 2 ) of NAD. TNAD has a sulfur atom instead of an oxygen atom of the amide group of NAD, which is more polar and coordinating than oxygen. TNAD's high affinity for Mox leads to the formation of noncatalytic complexes and inhibits photoinduced electron transfer between EY and Mox. NAAD does not increase I p , which means that M has little catalytic effect on NAAD. Although NAAD has an oxygen atom that can interact with M, unlike TNAD, the NAAD COOH group is dehydrogenated under neutral conditions because the pKa of NAAD is known as 4.77 (37 ° C). NAAD thus binds to the metal center of M via a carboxyl (COO-) group as an ionic bond, which is pyridinyl C 4 Prevents coordination of carbonyl-O-Rh for hydrogen transfer to atoms.

NAD와 NAD 유도체의 존재/비존재 하에서 M의 음극 피크 전위(cathodic peak potential(E p)) 및 전류(I p)Cathodic peak potential ( E p ) and current ( I p ) of M in the presence / absence of NAD and NAD derivatives E p/V E p / V I p/μA I p / μA 촉매적 효과b Catalytic effect b MM -0.727-0.727 -16.3-16.3 NANA M+NADM + NAD -0.768-0.768 -17.8-17.8 OO M+APADM + APAD -0.757-0.757 -20.4-20.4 OO M+PAADM + PAAD -0.757-0.757 -17.5-17.5 OO M+TNADM + TNAD n.dn.d -5.96a -5.96 a XX M+NAADM + NAAD -0.808-0.808 -14.8-14.8 XX

a M+TNAD의 I p는 -0.757 V에서 결정 a I p of M + TNAD is determined at -0.757 V

b NA(이용불가), O(촉매적 효과 존재), X(촉매적 효과 부존재)
b NA (not available), O (with catalytic effect), X (without catalytic effect)

광감응제와 M의 상호작용은 도 1에 따른 조효소의 광유발 환원에 있어서, M-조효소 상호작용만큼이나 중요하다. 지난 연구에서, EY의 형광세기가 stern-volmer relationship에 의해, M의 농도가 증가함에 따라 감소한다는 것을 밝힌 바 있다 (S.H. Lee et al,. ChemBioChem, 10:1621, 2009). 그 결과는 M(Rh2 +)의 금속 중심과 EY의 이온화된 카복실 그룹을 통한 EY-M 복합체를 형성하기 위한 EY와 M의 가역적인 결합에 의한 것이다. 본 발명자들은 M의 농도 증가에 따른 EY의 형광세기의 변화를 모니터링하면서 EY-M에 대한 NAD 유도체의 효과를 살펴보았다. 도 4(a)에 나타난 대로, TNAD는 다른 조효소와는 달리, EY의 광여기 전자가 M으로 이동하는 것을 막아 M에 의한 형광 quenching을 현저하게 줄였다. 도 4(b)는 이러한 억제가 TNAD와 EY의 직접적인 상호작용에 의한 것이라는 것을 알려준다. EY의 형광세기는 TNAD를 첨가할수록 감소하지만, 다른 조효소의 경우에는 아무런 영향이 없다. 이는 TNAD와 EY 사이의 직접적인 상호작용이 도 2에 나타난 TNAD의 광유발 환원 반응의 낮은 전환과 관련이 있다는 것을 보여준다.
The interaction of the photosensitizer with M is as important as the M-coenzyme interaction in photoinduced reduction of the coenzyme according to FIG. 1. In the last study, it was found that the fluorescence intensity of EY decreases with increasing concentration of M due to the stern-volmer relationship (SH Lee et al., Chem Bio Chem , 10: 1621, 2009). The result is due to the reversible binding of EY and M to form the EY-M complexes with the ionized carboxyl groups of the metal centers and EY of M (Rh 2 +). The inventors looked at the effect of NAD derivatives on EY-M while monitoring the change in fluorescence intensity of EY with increasing concentration of M. As shown in FIG. 4 (a), unlike other coenzymes, TNAD prevented the migration of photoexcitation electrons of EY to M, thereby significantly reducing quenching by M. 4 (b) shows that this inhibition is due to the direct interaction of TNAD with EY. The fluorescence intensity of EY decreases with the addition of TNAD, but does not affect other coenzymes. This shows that the direct interaction between TNAD and EY is related to the low conversion of the photoinduced reduction reaction of TNAD shown in FIG. 2.

실시예Example 3:  3: NADNAD (P) 유도체의 산화환원 효소반응(P) redox enzyme reaction of derivative

광화학적으로 재생된 조효소는 산화환원 효소반응에 사용될 수 있으며, 본 실시예에서는 옥시도리덕타제로서 L-글루타메이트 디하이드로게네즈(L-glutamate dehydrogenase, GDH)를 이용하여 L-글루타메이트(L-glutamate)를 생성하였다. L-글루타메이트의 광효소적 합성은 15% w/v의 TEOA를 함유하는 인산염버퍼(100mM, pH 7.5)에 5μM의 EY, 0.25 mM의 M, 0.1~0.5 mM의 광환원된 조효소, 10mM의 α-케토글루타레이트, 200mM의 황산 암모늄 및 100 U의 GDH로 이루어진 반응 용액에서 수행하였다. Photochemically regenerated coenzymes can be used for redox enzyme reactions, and in this embodiment L-glutamate using L-glutamate dehydrogenase (GDH) as an oxidoreductase. ). Photoenzymatic synthesis of L-glutamate was performed in a phosphate buffer (100 mM, pH 7.5) containing 15% w / v of TEOA, 5 μM of EY, 0.25 mM M, 0.1-0.5 mM photoreduced coenzyme, 10 mM α -Ketoglutarate, 200mM ammonium sulfate and 100 U GDH in the reaction solution.

도 4 (a)에서, 20분에서 초기 반응 전환은 반응에 사용된 산화된 조효소의 농도에 대해 도시하였다. 반응 전환은 NAD 0.3mM 이상의 농도에서 전환의 안정기에 도달하였고, 이는 NAD보다는 다른 제한 요인(예컨대, EY)에 따른 것으로 보인다. 사실 0.5mM의 NAD에서 반응 전환은 EY가 20μM까지 증가할 때 향상된다(도 9). 이 결과에 따르면, 반응은 EY 농도와 조효소의 유형에 의존해서 20분보다 긴 반응시간에서 완전히 전환된다. 본 발명자는 NAD 대신 APAD를 사용하면, 광효소적 L-글루타메이트 합성 반응이 상당히 향상되는 것을 확인하였다(도 5). NAD보다 환원에 덜 효과적인 PAAD(도 2 및 표 1)은 낮은 효소적 전환 속도를 보여준다. 도 5의 각 조효소의 턴오버 주파수(TOF)에 따르면, APAD는 NAD보다 모든 조효소 농도 범위에서 더 높은 TOF를 보인다. 예를 들어, APAD의 TOF는 0.1mM에서 33h-1로 NAD(25h-1)보다 1.3배 더 높다(도 4(b)).
In Figure 4 (a), the initial reaction conversion at 20 minutes is shown for the concentration of oxidized coenzyme used for the reaction. Reaction conversion reached a plateau of conversion at concentrations above 0.3 mM of NAD, which appears to be due to other limiting factors (eg, EY) rather than NAD. In fact, the conversion of reaction at 0.5 mM NAD is enhanced when the EY increases to 20 μM (FIG. 9). According to this result, the reaction is completely converted at reaction times longer than 20 minutes depending on the EY concentration and the type of coenzyme. The inventors found that using APAD instead of NAD significantly improved the photoenzymatic L-glutamate synthesis reaction (FIG. 5). PAAD (FIG. 2 and Table 1), which is less effective at reducing than NAD, shows low enzymatic conversion rates. According to the turnover frequency (TOF) of each coenzyme of FIG. 5, APAD shows higher TOF in all coenzyme concentration ranges than NAD. For example, the TOF of APAD is 1.3 times higher than NAD (25h −1 ) at 33 h −1 at 0.1 mM (FIG. 4 (b)).

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시태양일 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.While the present invention has been particularly shown and described with reference to specific embodiments thereof, those skilled in the art will readily appreciate that many modifications are possible in the exemplary embodiments without materially departing from the novel teachings and advantages of this invention. something to do. Accordingly, the actual scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (20)

(i) NAD(P) 유도체; (ii) 염료; (iii) 희생전자 주개; 및 (iv) 전자 매개체를 함유하는 재생용액에 빛을 조사하는 것을 특징으로 하는 NAD(P) 유도체의 광화학적 재생방법.(i) NAD (P) derivatives; (ii) dyes; (iii) sacrificial electron donors; And (iv) irradiating light to a regeneration solution containing an electron mediator. 제 1항에 있어서, NAD(P) 유도체는 APAD 또는 PAAD인 것을 특징으로 하는 NAD(P) 유도체의 광화학적 재생방법.The method of claim 1, wherein the NAD (P) derivative is APAD or PAAD. 제 1항에 있어, 상기 염료는 플루오레신(Fluorescein), 에오신 Y(Eosin Y), 에오신 B(Eosin B), 에리쓰로신 B(Erythrosine B), 플로신 B(Phloxine B), 로즈벵갈(Rose Bengal), 멀브로민(Merbromin), 에틸에오신(Ethyl Eosin), 로다민 B(Rhodamine B), 로다민 6G(Rhodamine 6G) 및 설포로다민 B(Sulforhodamine B)로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 NAD(P) 유도체의 광화학적 재생방법.The method of claim 1, wherein the dye is Fluorescein (Fluorescein), Eosin Y (Eosin Y), Eosin B (Eosin B), Erythrosine B (Phloxine B), Rose Bengal (Rose Bengal), Merbromin, Ethyl Eosin, Rhodamine B, Rhodamine 6G, and Sulforhodamine B Photochemical regeneration method of the NAD (P) derivative, characterized in that. 제 1항에 있어서, 상기 희생전자주개는 트리에탄올아민(Triethanolamine, TEOA), 에틸렌디아민테트라아세트산(Ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA), 시트르산(Citric acid), 개미산(Formic acid), 아스코르브산(Ascorbic acid), 옥살산(Oxalic acid), 알코올 류 및 물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 NAD(P) 유도체의 광화학적 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 a photochemical regeneration method of the NAD (P) derivative, characterized in that selected from the group consisting of water. 제 1항에 있어서, 상기 빛은 텅스텐-할로겐 램프광, 제논 램프광, 단파장 레이저광 및 태양광으로 구성되는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 NAD(P) 유도체의 광화학적 재생방법.The photochemical regeneration method of 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. 제 1항에 있어서, 상기 전자 매개체는 메틸비올로겐, 루테늄 II 복합체 및 로듐 III 복합체로 구성되는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 NAD(P) 유도체의 광화학적 재생방법.The photochemical regeneration method of NAD (P) derivative according to claim 1, wherein the electron mediator is selected from the group consisting of methylbiologen, ruthenium II complex, and rhodium III complex. 제 6항에 있어서, 상기 로듐 III 복합체는 (펜타메틸사이클로펜타디에닐-2,2'-비피리딘클로로)로듐(III)인 것을 특징으로 하는 NAD(P) 유도체의 광화학적 재생방법.8. The method of claim 6, wherein the rhodium III complex is (pentamethylcyclopentadienyl-2,2'-bipyridinechloro) rhodium (III). (i) NAD(P) 유도체; (ii) 염료; (iii) 희생전자 주개; 및 (iv) 전자 매개체를 함유하는 NAD(P) 유도체의 재생용 조성물.(i) NAD (P) derivatives; (ii) dyes; (iii) sacrificial electron donors; And (iv) a composition for regeneration of a NAD (P) derivative containing an electron mediator. 제 8항에 있어서, 상기 NAD(P) 유도체는 APAD 또는 PAAD인 것을 특징으로 하는 NAD(P) 유도체의 재생용 조성물.9. The composition for regenerating a NAD (P) derivative according to claim 8, wherein the NAD (P) derivative is APAD or PAAD. 제 8항에 있어서, 상기 염료는 상기 염료는 플루오레신(Fluorescein), 에오신 Y(Eosin Y), 에오신 B(Eosin B), 에리쓰로신 B(Erythrosine B), 플로신 B(Phloxine B), 로즈벵갈(Rose Bengal), 멀브로민(Merbromin), 에틸에오신(Ethyl Eosin), 로다민 B(Rhodamine B), 로다민 6G(Rhodamine 6G) 및 설포로다민 B(Sulforhodamine B)로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 NAD(P) 유도체의 재생용 조성물.The method of claim 8, wherein the dye is Fluorescein (Fluorescein), Eosin Y (Eosin Y), Eosin B (Eosin B), Erythrosine B (Phloxine B) , Group consisting of Rose Bengal, Merbromin, Ethyl Eosin, Rhodamine B, Rhodamine 6G and Sulforhodamine B The composition for regeneration of NAD (P) derivative, characterized in that selected from. 제 8항에 있어서, 상기 희생전자주개는 트리에탄올아민(Triethanolamine, TEOA), 에틸렌디아민테트라아세트산(Ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA), 시트르산(Citric acid), 개미산(Formic acid), 아스코르브산(Ascorbic acid), 옥살산(Oxalic acid), 알코올 및 물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 NAD(P) 유도체의 재생용 조성물.The method of claim 8, wherein the sacrificial electron donor is triethanolamine (TEOA), ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), citric acid, formic acid, ascorbic acid, oxalic acid (Oxalic acid), a composition for regeneration of a NAD (P) derivative, characterized in that selected from the group consisting of alcohol and water. 제 8항에 있어서, 전자 매개체는 메틸비올로겐, 루테늄 II 복합체 및 로듐 III 복합체로 구성되는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 NAD(P) 유도체의 재생용 조성물.9. The composition for regenerating a NAD (P) derivative according to claim 8, wherein the electron mediator is selected from the group consisting of methylviologen, ruthenium II complex, and rhodium III complex. 제 12항에 있어서, 상기 로듐 III 복합체는 (펜타메틸사이클로펜타디에닐-2,2'-비피리딘클로로)로듐(III)인 것을 특징으로 하는 NAD(P) 유도체의 재생용 조성물.The composition for regeneration of a NAD (P) derivative according to claim 12, wherein the rhodium III complex is (pentamethylcyclopentadienyl-2,2'-bipyridinechloro) rhodium (III). 다음 단계를 포함하는 NAD(P) 유도체의 광화학적 재생을 이용한 인공광합성 방법:
(a) (i) NAD(P) 유도체, (ii) 염료, (iii) 희생전자 주개 및 (iv) 전자 매개체를 함유하는 재생용액에 빛을 조사하여 NAD(P) 유도체를 광화학적으로 재생하는 단계; 및
(b) 상기 재생된 NAD(P) 유도체를 산화환원 효소반응에 사용하여 상기 산화환원 효소반응에 의해 생성되는 유용물질을 제조하는 단계.
Artificial photosynthesis method using photochemical regeneration of NAD (P) derivative comprising the following steps:
(a) photochemical regeneration of the NAD (P) derivative by irradiation of light to (i) a NAD (P) derivative, (ii) a dye, (iii) a sacrificial electron donor, and (iv) an electron mediator. step; And
(b) using the regenerated NAD (P) derivative in a redox enzyme reaction to prepare a useful material produced by the redox enzyme reaction.
제 14항에 있어서, NAD(P) 유도체는 APAD 또는 PAAD인 것을 특징으로 하는 인공광합성 방법.15. The method of claim 14 wherein the NAD (P) derivative is APAD or PAAD. 제 14항에 있어서, 상기 염료는 상기 염료는 플루오레신(Fluorescein), 에오신 Y(Eosin Y), 에오신 B(Eosin B), 에리쓰로신 B(Erythrosine B), 플로신 B(Phloxine B), 로즈벵갈(Rose Bengal), 멀브로민(Merbromin), 에틸에오신(Ethyl Eosin), 로다민 B(Rhodamine B), 로다민 6G(Rhodamine 6G) 및 설포로다민 B(Sulforhodamine B)로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 인공광합성 방법.The method of claim 14, wherein the dye is Fluorescein (Fluorescein), Eosin Y (Eosin Y), Eosin B (Eosin B), Erythrosine B (Phloxine B) , Group consisting of Rose Bengal, Merbromin, Ethyl Eosin, Rhodamine B, Rhodamine 6G and Sulforhodamine B Artificial photosynthesis method, characterized in that selected from. 제 14항에 있어서, 상기 희생전자 주개는 트리에탄올아민(Triethanolamine, TEOA), 에틸렌디아민테트라아세트산(Ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA), 시트르산(Citric acid), 개미산(Formic acid), 아스코르브산(Ascorbic acid), 옥살산(Oxalic acid), 알코올 및 물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 인공광합성 방법.15. The method of claim 14, wherein the sacrificial electron donor is triethanolamine (TEOA), ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), citric acid, formic acid, ascorbic acid, oxalic acid (Oxalic acid), an artificial photosynthesis method characterized in that it is selected from the group consisting of water and water. 제 14항에 있어서, 상기 전자 매개체는 메틸비올로겐, 루테늄 II 복합체 및 로듐 III 복합체로 구성되는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 인공광합성 방법.15. The method of claim 14 wherein the electron mediator is selected from the group consisting of methylviologen, ruthenium II complex and rhodium III complex. 제 18항에 있어서, 상기 로듐 III 복합체는 (펜타메틸사이클로펜타디에닐-2,2'-비피리딘클로로)로듐(III)인 것을 특징으로 하는 인공광합성 방법.19. The method of claim 18 wherein the rhodium III complex is (pentamethylcyclopentadienyl-2,2'-bipyridinechloro) rhodium (III). 제 14항에 있어서, 상기 산화환원 효소는 GDH(glutamate dehydrogenase), ADH(Alcohol dehydrogenase), G6PDH(glucose-6-phosphate dehydrogenase), LDH(lactic dehydrogenase), MDH(malate dehydrogenase) 및 SDH(succinic dehydrogenase)로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 인공광합성 방법.The method of claim 14, wherein the redox enzyme is GDH (glutamate dehydrogenase), ADH (Alcohol dehydrogenase), G6PDH (glucose-6-phosphate dehydrogenase), LDH (lactic dehydrogenase), MDH (malate dehydrogenase) and SDH (succinic dehydrogenase) Artificial photosynthesis method, characterized in that selected from the group consisting of.
KR1020120040811A 2012-04-19 2012-04-19 Method for photochemical reduction of nad(p) analogs and method of biocatalyzed artificial photosynthesis using the same KR20130118001A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120040811A KR20130118001A (en) 2012-04-19 2012-04-19 Method for photochemical reduction of nad(p) analogs and method of biocatalyzed artificial photosynthesis using the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120040811A KR20130118001A (en) 2012-04-19 2012-04-19 Method for photochemical reduction of nad(p) analogs and method of biocatalyzed artificial photosynthesis using the same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20130118001A true KR20130118001A (en) 2013-10-29

Family

ID=49636499

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120040811A KR20130118001A (en) 2012-04-19 2012-04-19 Method for photochemical reduction of nad(p) analogs and method of biocatalyzed artificial photosynthesis using the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20130118001A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108587427A (en) * 2018-04-02 2018-09-28 湖北娅安科技开发有限公司 A kind of new-energy automobile Special wear-resistant water-repellent paint and preparation method thereof

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108587427A (en) * 2018-04-02 2018-09-28 湖北娅安科技开发有限公司 A kind of new-energy automobile Special wear-resistant water-repellent paint and preparation method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lang et al. Cooperative photoredox catalysis
Fukuzumi et al. Catalytic recycling of NAD (P) H
JP6280864B2 (en) Control of oxidoreductase reaction and its application
Willner et al. Enzyme-catalysed biotransformations through photochemical regeneration of nicotinamide cofactors
JP2013532774A (en) Electrochemical production of syngas from carbon dioxide.
Fukuzumi et al. Artificial photosynthesis for production of ATP, NAD (P) H, and hydrogen peroxide
Choi et al. Human Urine‐Fueled Light‐Driven NADH Regeneration for Redox Biocatalysis
KR101220427B1 (en) Novel visible light active graphene-porphyrin photocatalyst, method for regeneration of oxidoreductase cofactor and method for enzymatic production of formic acid from carbon dioxide using the same
Hill et al. Bioelectrocatalysis
Zheng et al. Coupling natural systems with synthetic chemistry for light-driven enzymatic biocatalysis
KR20170096707A (en) Method for Regenerating Cofactors Using Photoelectrochemical Cells
Julliard et al. Regeneration of NAD+ and NADP+ cofactors by photosensitized electron transfer
Chen et al. Light-driven redox deracemization of indolines and tetrahydroquinolines using a photocatalyst coupled with chiral phosphoric acid
KR20130118001A (en) Method for photochemical reduction of nad(p) analogs and method of biocatalyzed artificial photosynthesis using the same
Singh et al. Novel applications of photobiocatalysts in chemical transformations
KR20120031275A (en) The method for regeneration of oxidoreductase cofactor using visible light active photocatalyst and the method for production of l-glutamate therethrough
KR101077622B1 (en) Method for Photochemical Regenerating Oxidoreductase Cofactor Using Xanthene Dyes
KR20130117549A (en) Method for regenerating cofactors using proflavine and method of biocatalyzed artificial photosynthesis using the same
KR101190291B1 (en) Method for Photochemical Regenerating Oxidoreductase Cofactor Using Inorganic photosensitizer
KR20110128406A (en) Method for photochemical regenerating oxidoreductase cofactor using inorganic photosensitizer-metal oxide complex
KR101143388B1 (en) The method for regeneration of oxidoreductase cofactor using visible light active photocatalyst and the method for production of L-glutamate therethrough
Murakami et al. Design, synthesis and photophysical properties of C 60-modified proteins
Qian et al. Reversible redox inter-conversion of biologically active NAD+/NADH derivatives bound to a gold electrode: ToF-SIMS evidence
KR101382218B1 (en) Preparation method of chiral alcohol compounds using photo­biosystem
KR101252351B1 (en) Method for electrochemical reduction of nad(p) analogs for electroenzymatic synthesis reactions

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application