KR20160116940A - Carbonic anhydrase immobilized silk hydrogel and conversion or fixation of carbon dioxide using the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to carbonic anhydrase-immobilized silk hydrogel and the conversion or the fixation of carbon dioxide using the same. According to the present invention, the carbonic anhydrase-immobilized silk hydrogel or a composition comprising the same is dual crosslinked by the photocrosslinking and alcohol treatment, thereby being eco-friendly and economic, having excellent thermal and storage stability, and being used in a repeated manner. The carbonic anhydrase-immobilized silk hydrogel or the composition comprising the same has significantly excellent effects of enzymatic activities, thereby removing, converting, or fixing carbon dioxide.

Description

탄산무수화효소가 고정된 실크 하이드로겔 및 이를 이용한 이산화탄소의 전환 또는 고정화{Carbonic anhydrase immobilized silk hydrogel and conversion or fixation of carbon dioxide using the same}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a carbonic anhydrase-immobilized silk hydrogel,

본 발명은 탄산무수화효소가 고정된 실크 하이드로겔 및 이를 이용한 이산화탄소의 전환 또는 고정화에 관한 것이다. The present invention relates to a silk hydrogel in which a carbonic anhydrase is immobilized and to the conversion or immobilization of carbon dioxide using the silk hydrogel.

오늘날 전 지구적인 환경문제로 대두되고 있는 지구온난화는 인구증가와 더불어 지난 100여 년간 사용해 온 화석연료의 연소과정에서 생기는 이산화탄소(CO2)와 각종 온실가스가 주원인인 것으로 알려져 있다. 구체적으로, 대기 중에 이산화탄소와 각종 온실가스의 축적으로 지구에서 방출되는 적외선을 흡수하여 지구의 기온이 상승하고, 이로 인해 극지방의 빙하가 녹아 해수면이 상승하는 등의 많은 환경문제가 야기되는 것으로 보고되고 있다. 현재까지 개발된 이산화탄소를 처리하기 위한 기술은 주로 흡착법이나 막 분리법 같은 물리적 방법과 화학적 수단을 이용하여 포집한 이산화탄소를 지질에 저장하는 방법과 유용한 물질로 전환하는 방법 등이 있다. 특히, 화학적 수단을 이용한 이산화탄소의 포집과 저장 및 전환 방법이 광범위하게 연구되고 있으나, 이 방법은 이산화탄소의 수화율(hydration rate)을 높이기 위해서 많은 에너지를 필요로 하고, 이로 인해 비경제적이라는 문제점이 있다. 따라서 효율적이면서 친환경적으로 이산화탄소의 수화율을 높일 수 있는 방법을 찾는 것이 매우 중요하다.Global warming, which is becoming a global environmental problem today, is known to be caused mainly by carbon dioxide (CO 2 ) and various greenhouse gases generated by the combustion process of fossil fuels that have been used for the past 100 years. Specifically, it has been reported that the accumulation of carbon dioxide and various greenhouse gases in the atmosphere absorbs the infrared rays emitted from the earth, thereby raising the temperature of the earth, which causes melting of polar glaciers and rising sea level . Techniques for treating carbon dioxide that have been developed so far include physical methods such as adsorption and membrane separation methods, and methods of storing carbon dioxide in lipids using chemical means and converting them into useful materials. Particularly, methods of capturing, storing, and converting carbon dioxide using chemical means have been extensively studied, but this method requires a lot of energy to raise the hydration rate of carbon dioxide, which is uneconomical . Therefore, it is very important to find a way to increase the rate of CO2 conversion in an efficient and environmentally friendly manner.

탄산무수화효소(carbonic anhydrase, CA)는 지구상에서 가장 빠르게 반응을 촉진하는 효소로 알려져 있으며, 이산화탄소 분자를 수화시킨다. 수화된 이산화탄소 분자는 중탄산염(bicarbonate) 형태로 존재하게 되며, 풍부한 양의 중탄산염은 유용한 미네랄로 전환될 수 있다. 일반적으로 효소의 고정화는 효소가 생물화학공정의 반응 혼합물로부터 용이하게 분리될 수 있도록 하거나 효소의 안정성을 높이기 위해서 특정 지지체에 효소를 고정화시키는 것을 의미하여, 효소 고정화를 통해 효소 처리가 편리하며, 최종적으로 얻어진 산물로부터 효소를 분리하기 쉽고, 고가의 효소를 손쉽게 회수하여 재사용 할 수 있을 뿐만 아니라 가혹한 환경에서 활성의 큰 변화 없이 연속적인 공정에서 활용할 수 있는 장점이 있다. 따라서, 다공성 SBA-15, 다공성 유리, 또는 나노입자 등의 다양한 지지체에 CA 효소를 고정화시키는 많은 연구가 진행되어 왔다. 그러나, 상기 방법은 복잡한 다단계 반응공정과 독성 화학물질의 사용을 요구하고, 이차 오염이 발생하며 효소 활성이 손실되는 등의 문제가 있다.Carbonic anhydrase (CA) is the fastest-growing enzyme on the planet and hydrates carbon dioxide molecules. Hydrated carbon dioxide molecules are present in the form of bicarbonate, and abundant amounts of bicarbonate can be converted into useful minerals. In general, immobilization of an enzyme means that the enzyme can be easily separated from a reaction mixture in a biochemical process, or an enzyme is immobilized on a specific support in order to enhance the stability of the enzyme. Thus, enzyme treatment is convenient through enzyme immobilization, The enzyme can be easily separated from the obtained product, and an expensive enzyme can be easily recovered and reused, and the enzyme can be utilized in a continuous process without a large change in activity in a harsh environment. Therefore, much research has been conducted to immobilize the CA enzyme on various supports such as porous SBA-15, porous glass, or nanoparticles. However, this method requires a complicated multistage reaction process and use of toxic chemicals, secondary contamination occurs, and enzyme activity is lost.

실크 피브로인(silk fibroin)은 큰 소수성 영역과 작은 친수성 영역으로 구성된 단백질 고분자이다. 실크 피브로인은 공유 또는 비공유 효소 고정을 위한 생물학적 지지체로서 연구되어 왔으며, 실크와 효소사이의 분자간 상호작용으로 인해 안정성이 향상되는 것으로 알려져 있다. 이러한 실크 피브로인은 섬유, 필름, 스펀지, 분말 및 젤 등의 다양한 제형으로 생성될 수 있으나, 이러한 제형 중, 하이드로겔-기반의 효소 고정화가 가혹한 조건에 대해 효소를 보호하고, 효소활성을 유지할 수 있기 때문에 널리 이용되어 왔다. Silk fibroin is a protein polymer composed of a large hydrophobic region and a small hydrophilic region. Silk fibroin has been studied as a biological support for covalent or non-covalent enzyme fixation and is known to enhance stability due to intermolecular interactions between silk and enzymes. Such silk fibroin may be produced in a wide variety of formulations such as fibers, films, sponges, powders and gels, but hydrogel-based enzyme immobilization among these formulations can protect the enzyme against harsh conditions and maintain enzyme activity Has been widely used.

KR 10-2013-0096424KR 10-2013-0096424

본 발명자들은 이산화탄소의 전환 또는 고정화 방법에 대해 탐색하던 중, 광-가교 및 알코올 처리에 의해 이중 가교된, 탄산무수화효소가 고정된 실크 하이드로겔이 친환경적이고 경제적이고, 열적 및 저장 안정성이 우수하고, 반복사용이 가능할 뿐만 아니라, 효소 활성이 우수하여 이산화탄소를 효과적으로 제거, 전환 또는 고정할 수 있는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.The inventors of the present invention have found that a silk hydrogel in which carbonic anhydrase-immobilized double-crosslinked by photo-crosslinking and alcohol treatment is an environmentally friendly, economical, excellent thermal and storage stability , It can be used repeatedly, and the enzyme activity is excellent, so that the carbon dioxide can be effectively removed, converted or fixed, and the present invention has been completed.

따라서, 본 발명은 탄산무수화효소가 고정된 실크 하이드로겔을 포함하는, 이산화탄소의 전환 또는 고정용 조성물을 제공하고자 한다.Accordingly, the present invention provides a composition for converting or fixing carbon dioxide, which comprises a silk hydrogel in which a carbonic anhydrase is immobilized.

또한, 본 발명은 상기 탄산무수화효소가 고정된 실크 하이드로겔 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.In addition, the present invention provides a silk hydrogel in which the carbonic anhydrase is immobilized, and a method for producing the silk hydrogel.

또한, 본 발명은 상기 이산화탄소의 전환 또는 고정용 조성물을 이산화탄소 포화용액과 반응시키는 단계를 포함하는, 이산화탄소의 전환 또는 고정 방법을 제공하고자 한다.The present invention also provides a method for converting or fixing carbon dioxide, comprising the step of reacting the composition for converting or fixing carbon dioxide with a saturated solution of carbon dioxide.

또한, 본 발명은 상기 이산화탄소의 전환 또는 고정용 조성물을 포함하는, 이산화탄소의 전환 또는 고정 장치를 제공하고자 한다. The present invention also provides a device for converting or fixing carbon dioxide, comprising a composition for converting or fixing the carbon dioxide.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서,In order to achieve the above object,

본 발명은 탄산무수화효소가 고정된 실크 하이드로겔을 포함하는, 이산화탄소의 전환 또는 고정용 조성물을 제공한다.The present invention provides a composition for the conversion or fixing of carbon dioxide, which comprises a silk hydrogel fixed with carbonic anhydrase.

또한, 본 발명은 In addition,

(1) 탄산무수화효소 및 실크 단백질의 혼합용액을 제조하는 단계;(1) preparing a mixed solution of a carbonic anhydrase and a silk protein;

(2) 상기 혼합용액을 광-가교하여 실크 하이드로겔을 제조하는 단계; 및(2) photo-crosslinking the mixed solution to produce a silk hydrogel; And

(3) 상기 실크 하이드로겔을 알코올 처리하는 단계;를 포함하는, 탄산무수화효소가 고정된 실크 하이드로겔의 제조방법을 제공한다. (3) subjecting the silk hydrogel to an alcohol treatment, wherein the silk hydrogel is immobilized with a carbonic anhydrase.

또한, 본 발명은 상기 제조방법에 따라 제조한 탄산무수화효소가 고정된 실크 하이드로겔을 제공한다.In addition, the present invention provides a silk hydrogel in which a carbonic anhydrase is immobilized, which is produced according to the above-described production method.

또한, 본 발명은 상기 이산화탄소의 전환 또는 고정용 조성물을 이산화탄소 포화용액과 반응시키는 단계를 포함하는, 이산화탄소의 전환 또는 고정 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for converting or fixing carbon dioxide, comprising the step of reacting the composition for converting or fixing carbon dioxide with a saturated solution of carbon dioxide.

또한, 본 발명은 상기 이산화탄소의 전환 또는 고정용 조성물을 포함하는, 이산화탄소의 전환 또는 고정 장치를 제공한다.
The present invention also provides a device for converting or fixing carbon dioxide, comprising a composition for converting or fixing the carbon dioxide.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 탄산무수화효소가 고정된 실크 하이드로겔을 포함하는, 이산화탄소의 전환 또는 고정용 조성물을 제공한다.The present invention provides a composition for the conversion or fixing of carbon dioxide, which comprises a silk hydrogel fixed with carbonic anhydrase.

본 발명에서 "탄산무수화효소(carbonic anhydrase)"란 이산화탄소와 물을 탄산수소이온과 수소이온으로 전환하는 것을 촉매하는 효소이다. 탄산무수화효소에 의한 반응은 다음과 같다.In the present invention, "carbonic anhydrase" is an enzyme that catalyzes the conversion of carbon dioxide and water into hydrogen carbonate ion and hydrogen ion. The reaction by the carbonic anhydrase is as follows.

[반응식] CO2 + H2O <---> HCO3 - + H+ [Reaction] CO 2 + H 2 O <---> HCO 3 - + H +

이러한 반응은 주로 이산화탄소의 농도가 높은 조직에서 일어나며 속도는 효소에 의해 일어나는 반응 중 가장 빠른 것으로 알려져 있다. 이 반응의 역반응은 빠르지만 촉매를 필요로 하지 않고 이산화탄소 농도가 낮은 폐와 신장(kidney)의 네프론(nephron)이나 식물의 세포에서 일어난다. 이와 같은 탄산무수화효소는 탄산탈수효소라고도 하며, 자연계에는 α, β, γ, δ, ε형 등 몇 가지 종류의 서로 다른 탄산무수화효소가 존재하며, 동물에 존재하는 α형 탄산무수화효소, 식물에 존재하는 β형 탄산무수화효소, 규조류(diatoms)에는 아연 대신 카드뮴을 가진 δ형 탄산무수화효소가 존재한다.This reaction occurs mainly in tissues with a high concentration of carbon dioxide and the rate is known to be the fastest among the reactions caused by the enzyme. The reverse reaction of this reaction occurs in the lungs and kidney nephron or plant cells, which are fast but require no catalyst and low carbon dioxide concentrations. Such carbonic anhydrase is also called carbonic anhydrase. In the natural world, there are several different kinds of carbonic anhydrases such as α, β, γ, δ and ε types, and α-type carbonic anhydrase , Β-type carbonic anhydrase in plants, and δ-type carbonic anhydrase with cadmium instead of zinc in diatoms.

본 발명에서는 바람직하게는 임균인 나이제리아 고노리아(Neisseria gonorrhoeae) 유래의 α형 탄산무수화효소(ngCA)를 사용한다. In the present invention, preferably, alpha -form carbonic anhydrase (ngCA) derived from gonococcus Neisseria gonorrhoeae is used.

본 발명의 탄산무수화효소는 서열번호 1의 아미노산 서열을 갖는 탄산무수화효소뿐만 아니라 이의 변이체, 또는 이와 상동인 것을 포함한다. 구체적으로는 티로신 잔기가 활성부위에 영향을 주지 않는 것이라면 어떠한 탄산무수화효소라도 사용 가능하다.The carbonic anhydrase of the present invention includes not only a carbonic anhydrase having the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1, but also mutants thereof or homologs thereof. Specifically, any carbonic anhydrase can be used as long as the tyrosine residue does not affect the active site.

상기 탄산무수화효소는 실크 단백질 지지체에 고정된다.The carbonic anhydrase is immobilized on a silk protein support.

본 발명의 "실크 단백질"은 티로신 잔기를 포함한다면 어떠한 것으로도 제한되지 않는다. 상기 실크 단백질은 천연 단백질 즉, 천연 서열로 이루어진 것이거나, 합성 단백질 즉, 그들의 프라이머 서열이 천연 서열과 광범위하게 상응하는, 합성 유전자에 근거한 단백질일 수 있다. 구체적으로는 거미류(Arachnida) 또는 곤충(Insecta) 유래의, 천연 또는 재조합 기원의 단백질일 수 있고, 바람직하게는 누에(Bombyx mori), 풀잠자리(green lacewings)(Chrysoperla carnea), 왕거미(araneus)(Araneus diadematus), 또는 무당거미(Nephila clavipes)로부터 유래된 실크 단백질일 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 실크 단백질은 누에에서 추출한 실크 피브로인(silk fibroin)일 수 있다. 상기 실크 피브로인은 ~5%의 티로신 잔기를 포함함으로써 고정화되는 탄산무수화효소의 티로신 잔기와 공유결합에 참여할 수 있다.The "silk protein" of the present invention is not limited to any one including a tyrosine residue. The silk protein may be a natural protein, that is, a natural sequence, or a synthetic protein, that is, a synthetic gene based protein whose primer sequence corresponds broadly to the natural sequence. Specifically a protein of natural or recombinant origin, derived from Arachnida or Insecta, and preferably a protein such as Bombyx mori, green lacewings (Chrysoperla carnea), araneus (Araneus diadematus, or silkworm spider (Nephila clavipes). More preferably, the silk protein may be silk fibroin extracted from silkworm. The silk fibroin can participate in the covalent bond with the tyrosine residue of the carbonic anhydrase that is immobilized by including ~ 5% of the tyrosine residue.

본 발명은 실크 하이드로겔에 탄산무수화효소를 고정하기 위해서 공유 결합 기반의 광-가교 및 비공유 결합 기반의 알코올 처리방법을 사용할 수 있다.In order to immobilize the carbonic anhydrase on the silk hydrogel, a covalent bond-based photo-crosslinking and non-covalent bond-based alcohol treatment method can be used.

상기 알코올은 알코올과 물의 비율이 1:0.1~1;10 부피 비(v/v)인 알코올 수용액인 것일 수 있으며, 상기 알코올로는 메탄올 또는 에탄올을 사용할 수 있다. The alcohol may be an alcohol aqueous solution having a ratio of alcohol to water of 1: 0.1 to 1: 10 by volume (v / v), and methanol or ethanol may be used as the alcohol.

상기 탄산무수화효소가 고정된 실크 하이드로겔, 또는 이를 포함하는 조성물을 이산화탄소 포화용액과 반응시킴으로써, 이산화탄소를 바이카보네이트 또는 카보네이트 화합물로 전환 또는 고정할 수 있다. The carbon dioxide can be converted or fixed to a bicarbonate or a carbonate compound by reacting the carbonic anhydrase-immobilized silk hydrogel, or a composition containing the same, with a saturated solution of carbon dioxide.

상기 바이카보네이트 화합물은 소듐 바이카보네이트(Na2HCO3), 포타슘 바이카보네이트(KHCO3), 마그네슘 바이카보네이트(Mg(HCO3)2), 칼슘 바이카보네이트(Ca(HCO3)2), 암모늄 바이카보네이트((NH4)HCO3) 등일 수 있다.The bicarbonate compound is selected from the group consisting of sodium bicarbonate (Na 2 HCO 3 ), potassium bicarbonate (KHCO 3 ), magnesium bicarbonate (Mg (HCO 3 ) 2 ), calcium bicarbonate (Ca (HCO 3 ) 2 ), ammonium bicarbonate ((NH 4) HCO 3), and the like.

상기 카보네이트 화합물은 카본산(H2CO3), 리튬 카보네이트(Li2CO3), 소듐 카보네이트(Na2CO3), 포타슘 카보네이트(K2CO3), 루비듐 카보네이트(Rb2CO3), 세슘 카보네이트(Cs2CO3), 베릴륨 카보네이트(BeCO3), 마그네슘 카보네이트(MgCO3), 칼슘 카보네이트(CaCO3), 스트론튬 카보네이트(SrCO3), 바륨 카보네이트(BaCO3), 망간 카보네이트(MnCO3), 철 카보네이트(FeCO3), 코발트 카보네이트(CoCO3), 니켈 카보네이트(NiCO3), 구리 카보네이트(CuCO3), 실버 카보네이트(Ag2CO3), 징크 카보네이트(ZnCO3), 카드뮴 카보네이트(CdCO3), 알루미늄 카보네이트(Al2(CO3)3), 탈륨 카보네이트(Tl2CO3), 리드 카보네이트(PbCO3), 란타늄 카보네이트(La2(CO3)3) 등일 수 있다. The carbonate compound may be at least one selected from the group consisting of carbonic acid (H 2 CO 3 ), lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), potassium carbonate (K 2 CO 3 ), rubidium carbonate (Rb 2 CO 3 ) carbonate (Cs 2 CO 3), beryllium carbonate (BeCO 3), magnesium carbonate (MgCO 3), calcium carbonate (CaCO 3), strontium carbonate (SrCO 3), barium carbonate (BaCO 3), manganese carbonate (MnCO 3), ferrous carbonate (FeCO 3), cobalt carbonate (CoCO 3), nickel carbonate (NiCO 3), copper carbonate (CuCO 3), silver carbonate (Ag 2 CO 3), zinc carbonate (ZnCO 3), cadmium carbonate (CdCO 3) , Aluminum carbonate (Al 2 (CO 3 ) 3 ), thallium carbonate (Tl 2 CO 3 ), lead carbonate (PbCO 3 ), lanthanum carbonate (La 2 (CO 3 ) 3 ) and the like.

또한, 본 발명은 (1) 탄산무수화효소 및 실크 단백질의 혼합용액을 제조하는 단계; (2) 상기 혼합용액을 광-가교하여 실크 하이드로겔을 제조하는 단계; 및 (3) 상기 실크 하이드로겔을 알코올 처리하는 단계;를 포함하는, 탄산무수화효소가 고정된 실크 하이드로겔의 제조방법을 제공한다. (1) preparing a mixed solution of a carbonic anhydrase and a silk protein; (2) photo-crosslinking the mixed solution to produce a silk hydrogel; And (3) subjecting the silk hydrogel to an alcohol treatment. The present invention also provides a method for producing a silk hydrogel fixed with carbonic anhydrase.

상기 (1) 단계는 탄산무수화효소 및 실크 단백질의 혼합용액을 제조하는 단계이다. The step (1) is a step of preparing a mixed solution of a carbonic anhydrase and a silk protein.

상기 탄산무수화효소는 티로신 잔기가 활성부위에 영향을 주지 않는 것이라면 어떠한 것이라도 가능하며, 나이제리아 고노리아(Neisseria gonorrhoeae) 유래의 α형인 것이 바람직하다. 상기 탄산무수화효소는 서열번호 1의 아미노산 서열을 갖는 탄산무수화효소뿐만 아니라 이의 변이체, 또는 이와 상동인 것을 사용할 수 있다. 상기 실크 단백질은 티로신 잔기를 포함한다면 어떠한 것으로도 제한되지 않으며, 누에에서 추출한 실크 피브로인(silk fibroin)을 사용할 수 있다. 상기 혼합용액을 제조하기 위해 사용된 용매는 pH 7~9의 Tris HCl 완충액인 것이 바람직하다.The above-mentioned carbonic anhydrase may be any type as long as the tyrosine residue does not affect the active site, and it is preferably an alpha form derived from Neisseria gonorrhoeae . The carbonic anhydrase may be a carbonic anhydrase having the amino acid sequence of SEQ. ID. NO. 1 as well as its variants or homologous thereto. The silk protein is not limited to any one including a tyrosine residue, and silk fibroin extracted from silkworm can be used. The solvent used to prepare the mixed solution is preferably Tris HCl buffer having a pH of 7 to 9.

또한, 상기 혼합용액은 광 개시제를 포함할 수 있다. 광 개시제는 가시광선 또는 UV 개시제, 또는 그 양자일 수 있으며, 가시광선 개시제인 것이 바람직하다. 상기 성분은 성분의 조합 및 원하는 조성에 따라 다양한 양으로 존재할 수 있다. 가시광선에 반응하여 광-가교를 유도하는 개시제로 트리스(비피리딘)루테니윰(Ⅱ)클로라이드, 캄포로퀴논 퍼옥시에스테르, 9-플루오렌 카르복실산 퍼옥시에스테르, dl-캄포르퀴논, 어가큐어 784DC 등이 있으며, 본 발명에서는 트리스(비피리딘)루테니윰을 사용하는 것이 바람직하다.In addition, the mixed solution may contain a photoinitiator. The photoinitiator may be a visible light or UV initiator, or both, preferably a visible light initiator. The components may be present in varying amounts depending on the combination of components and the desired composition. (Bipyridine) ruthenium (II) chloride, camphorquinone peroxyester, 9-fluorenecarboxylic acid peroxyester, dl-camphorquinone, dicumyl peroxide, Agar Cure 784DC, and the like. In the present invention, tris (bipyridine) ruthenium is preferably used.

상기 광개시제는 혼합용액 내 포함된 실크 단백질의 함량을 고려하여 실크 단백질 1 중량부에 대하여 0.001 내지 0.1 중량부로 포함되는 것이 바람직하다.It is preferable that the photoinitiator is included in an amount of 0.001 to 0.1 part by weight based on 1 part by weight of the silk protein in consideration of the content of the silk protein contained in the mixed solution.

상기 (2) 단계는 탄산무수화효소 및 실크 단백질의 혼합용액을 광-가교하여 실크 하이드로겔을 제조하는 단계이다.The step (2) is a step of photo-crosslinking a mixed solution of a carbonic anhydrase and a silk protein to produce a silk hydrogel.

상기 실크 단백질은 ~5%의 티로신 잔기를 포함함으로써 고정화되는 탄산무수화효소의 티로신 잔기와 광 유도된 공유결합을 할 수 있다. 또한, 상기 실크 단백질 및 탄산무수화효소는 티로신 잔기사이의 분자내 또는 분자간 상호작용을 통해 탄산무수화효소가 내부에 고정된 실크 하이드로겔을 형성할 수 있다.The silk protein may have a photoinduced covalent bond with the tyrosine residue of the carbonic anhydrase that is immobilized by containing ~ 5% of the tyrosine residue. In addition, the silk protein and the carbonic anhydrase may form a silk hydrogel in which the carbonic anhydrase is immobilized through intramolecular or intermolecular interactions between the tyrosine residues.

상기 광-가교는 가시광선에 의해 수행되는 것이 바람직하고, 1~100 초(s) 동안, 바람직하게는 1~30 초 동안 수행될 수 있다. The photo-crosslinking is preferably performed by visible light, and may be performed for 1 to 100 seconds (s), preferably for 1 to 30 seconds.

상기 (3) 단계는 광-가교된 실크 하이드로겔을 알코올 처리하여 β-시트 가교를 형성하는 단계이다.In the step (3), the photo-crosslinked silk hydrogel is subjected to alcohol treatment to form? -Sheet crosslinking.

상기 광-가교된 실크 하이드로겔을을 알코올 처리할 경우, 불규칙한 코일 구조로부터 규칙적인 β-시트 구조로 변화함으로써, 기계적 특성 및 안정성이 향상될 수 있다. 상기 알코올은 메탄올 또는 에탄올일 수 있고, 또는 알코올과 물의 비율이 1:0.1~1;10, 바람직하게는 1:0.1~1:5 부피 비(v/v)인 메탄올 수용액 또는 에탄올 수용액일 수 있다. 상기 알코올은 0.1~2시간 동안, 바람직하게는 0.5~1.5시간 동안 처리될 수 있다. 높은 농도의 알코올을 짧은 시간동안 처리함으로써 효소의 활성은 유지한 체 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.When the photo-crosslinked silk hydrogel is subjected to alcohol treatment, the irregular coil structure is changed to a regular [beta] -sheet structure, so that the mechanical properties and stability can be improved. The alcohol may be methanol or ethanol or may be an aqueous methanol solution or an aqueous ethanol solution in which the ratio of alcohol to water is 1: 0.1 to 1: 10, preferably 1: 0.1 to 1: 5 (v / v) . The alcohol may be treated for 0.1 to 2 hours, preferably 0.5 to 1.5 hours. By treating the alcohol at a high concentration for a short period of time, the activity of the enzyme can be improved to improve the mechanical mechanical properties.

또한, 본 발명은 상기 제조방법에 따라 제조한 탄산무수화효소가 고정된 실크 하이드로겔을 제공한다.In addition, the present invention provides a silk hydrogel in which a carbonic anhydrase is immobilized, which is produced according to the above-described production method.

또한, 본 발명은 상기 이산화탄소의 전환 또는 고정용 조성물을 이산화탄소 포화용액과 반응시키는 단계를 포함하는, 이산화탄소의 전환 또는 고정 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for converting or fixing carbon dioxide, comprising the step of reacting the composition for converting or fixing carbon dioxide with a saturated solution of carbon dioxide.

또한, 본 발명은 상기 이산화탄소의 전환 또는 고정용 조성물을 포함하는, 이산화탄소의 전환 또는 고정 장치를 제공한다.The present invention also provides a device for converting or fixing carbon dioxide, comprising a composition for converting or fixing the carbon dioxide.

본 발명의 이산화탄소의 전환 또는 고정 장치는 공기로부터 이산화탄소를 추출하여 바이카보네이트로 전환시켜 고정하는 통상의 장치일 수 있다. 예컨대, 이산화탄소의 전환 또는 고정 장치는 업라이트 타워(upright towers), 챔버(chamber), 및 물 공급부(source of water)를 포함하고, 상기 업라이트 타워는 하부에 적어도 하나의 공기 투입부(air inlet)를 포함하고 타워의 상부에 적어도 하나의 공기 배출부(air outlet)를 포함하고, 상기 챔버는 적어도 하나의 공기 투입구(air inlet)와 적어도 하나의 공기 배출구(air outlet) 사이에 위치하고 이산화탄소를 포집하기 위한 수집기를 포함하며, 상기 물 공급부에서 수지를 습윤하여 이산화탄소를 방출시키는 구조를 가질 수 있고, 상기 이산화탄소를 포집하기 위한 수집기에 본 발명의 이산화탄소의 전환 또는 고정용 조성물를 포함할 수 있다.The apparatus for converting or fixing carbon dioxide of the present invention may be a conventional apparatus for extracting carbon dioxide from air and converting it into bicarbonate and fixing it. For example, the conversion or fixation device for carbon dioxide includes upright towers, a chamber, and a source of water, the upright tower having at least one air inlet at the bottom And at least one air outlet at the top of the tower, the chamber being located between at least one air inlet and at least one air outlet and for collecting carbon dioxide And a collector for wetting the resin to release carbon dioxide. The collector for capturing the carbon dioxide may include a composition for converting or fixing the carbon dioxide of the present invention.

본 발명에 따른 탄산무수화효소가 고정된 실크 하이드로겔 또는 이를 포함하는 조성물은 열적 및 저장 안정성이 우수하고, 반복사용이 가능할 뿐만 아니라, 효과적으로 이산화탄소를 포집하여 제거, 전환 또는 고정할 수 있는 장점이 있다. The carbonic anhydrase immobilized silk hydrogel according to the present invention is excellent in thermal and storage stability and can be repeatedly used. In addition, the silk hydrogel has an advantage that it can effectively remove, convert, or fix carbon dioxide have.

본 발명에 따른 탄산무수화효소가 고정된 실크 하이드로겔 또는 이를 포함하는 조성물은 광-가교 및 알코올 처리에 의해 이중 가교됨으로써, 친환경적이고 경제적이고, 열적 및 저장 안정성이 우수하고, 반복사용이 가능할 뿐만 아니라, 효소 활성이 현저히 우수하여 이산화탄소를 제거, 전환 또는 고정할 수 있는 효과가 있다. The carbonic anhydrase-immobilized silk hydrogel according to the present invention or a composition containing the same is double-crosslinked by photo-crosslinking and alcohol treatment, thereby being environmentally friendly, economical, excellent in thermal and storage stability, But the enzyme activity is remarkably excellent, so that there is an effect that the carbon dioxide can be removed, converted or fixed.

도 1은 실시예 1에 따른 메탄올 처리한 m-ngCA-고정 실크 하이드로겔 및 메탄올 처리하지 않은 ngCA-고정 실크 하이드로겔의 광학이미지를 나타내는 도이다.
도 2는 실시예 1에 따른 m-ngCA-고정 실크 하이드로겔의 구조적 형태 및 이에 의한 이산화탄소의 칼슘 카보네이트로의 전환에 대한 개략도를 나타내는 도이다.
도 3은 10% (w/v) 실크 하이드로겔 내에 고정화 될 수 있는 탄산 무수화 효소의 양을 나타내는 도이다.
도 4는 실시예 1에 따른 m-ngCA-고정 실크 하이드로겔 및 ngCA-고정 실크 하이드로겔의 효소 활성을 나타내는 도이다.
도 5는 실시예 1에 따른 m-ngCA-고정 실크 하이드로겔 및 ngCA-고정 실크 하이드로겔의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 나타내는 도이다.
도 6은 실시예 1에 따른 (a) m-ngCA-고정 실크 하이드로겔 및 (b) ngCA-고정 실크 하이드로겔의 응력-변형(stress-strain) 곡선, (c) 압축 응력의 함수로서 m-ngCA-고정 실크 하이드로겔 및 ngCA-고정 실크 하이드로겔의 압축 계수, (d) m-ngCA-고정 실크 하이드로겔 및 (e) ngCA-고정 실크 하이드로겔의 로딩-언로딩 사이클 곡선, 및 (f) 압축 사이클의 함수로써 m-ngCA-고정 실크 하이드로겔 및 ngCA-고정 실크 하이드로겔의 에너지 분산을 나타내는 도이다.
도 7은 실시예 1에 따른 m-ngCA-고정 실크 하이드로겔 및 ngCA-고정 실크 하이드로겔의 재사용에 따른 활성을 나타내는 도이다.
도 8은 실시예 1에 따른 (a) m-ngCA-고정 실크 하이드로겔 및 (b) 유리 ngCA의 저장 안정성을 나타내는 도이다.
도 9는 실시예 1에 따른 m-ngCA-고정 실크 하이드로겔 및 ngCA-고정 실크 하이드로겔의 30℃에서 7일 동안 저장 후의 광학이미지를 나타내는 도이다.
도 10은 실시예 1에 따른 (a) m-ngCA-고정 실크 하이드로겔 및 (b) ngCA-고정 실크 하이드로겔의 열적 안정성을 나타내는 도이다.
도 11은 m-ngCA-고정 실크 하이드로겔에 의해 침전된 칼슘 카보네이트(CaCO3)의 SEM 이미지를 나타내는 도이다.
1 is an optical image of a methanol-treated m-ngCA-fixed silk hydrogel and a non-methanol-treated ngCA-fixed silk hydrogel according to Example 1. Fig.
Fig. 2 shows a schematic view of the structural form of the m-ngCA-fixed silk hydrogel according to Example 1 and thereby the conversion of carbon dioxide to calcium carbonate. Fig.
Figure 3 shows the amount of carbonic anhydrase that can be immobilized in a 10% (w / v) silk hydrogel.
Fig. 4 shows the enzymatic activity of m-ngCA-fixed silk hydrogels and ngCA-fixed silk hydrogels according to Example 1. Fig.
5 is a scanning electron microscope (SEM) image of m-ngCA-fixed silk hydrogels and ngCA-fixed silk hydrogels according to Example 1. Fig.
Figure 6 is a stress-strain curve of (a) m-ngCA-fixed silk hydrogel and (b) ngCA-fixed silk hydrogel according to Example 1, (c) (d) m-ngCA-fixed silk hydrogel and (e) loading-unloading cycle curve of ngCA-fixed silk hydrogel and ngCA-fixed silk hydrogel, and (f) Lt; RTI ID = 0.0 &gt; m-ngCA-fixed &lt; / RTI &gt; silk hydrogels and ngCA-fixed silk hydrogels as a function of compression cycle.
7 is a graph showing the activity upon re-use of the m-ngCA-fixed silk hydrogel and the ngCA-fixed silk hydrogel according to Example 1. Fig.
8 is a diagram showing storage stability of (a) m-ngCA-fixed silk hydrogel according to Example 1 and (b) free ngCA.
9 is an optical image of m-ngCA-fixed silk hydrogel and ngCA-fixed silk hydrogel according to Example 1 after storage for 7 days at 30 ° C.
10 is a graph showing the thermal stability of (a) m-ngCA-fixed silk hydrogel and (b) ngCA-fixed silk hydrogel according to Example 1;
11 is a SEM image of calcium carbonate (CaCO 3 ) precipitated by m-ng CA-fixed silk hydrogel.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in order to facilitate understanding of the present invention. However, the following examples are provided only for the purpose of easier understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the examples.

실시예Example 1. 탄산무수화효소(ngCA)가 고정된 실크 하이드로겔의 제조 1. Preparation of Silk Hydrogel Having Carbonic Anhydrase (ngCA) Immobilized

1-1. 탄산무수화효소(ngCA)의 준비 및 정제1-1. Preparation and purification of carbonic anhydrase (ngCA)

나이제리아 고노리아(Neisseria gonorrhoeae)로부터의 α형 CA(ngCA) 단백질을 공지된 방법에 따라 발현하고 정제하였다(참조: Chemospere 2012, 87, 1091). 먼저, ngCA-발현 벡터를 포함하는 재조합 대장균(E. Coli)을 37℃의 배양조건 및 50μg/mL 앰비실린(ampicillin)을 함유한 LB(Luria-Bertani) 배지(0.5% 이스트 추출물, 1% 트립토판, 및 1% NaCl)에서 600nm에서 흡광도가 0.6~0.8가 될 때까지 성장시켰다. 그 후, 1mM 이소프로필-β-D-티오갈락토피라노시드(isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside) 및 0.1 mM ZnSO4를 배양배지에 첨가하여 ngCA 단백질의 발현을 유도하였다. 상기 재조합 세포를 37℃에서 10시간 동안 추가적으로 성장시킨 후, 10분 동안 4000 rpm의 속도로 원심분리하여 세포를 회수하였다. 회수된 세포를 세포 파쇄를 위한 용액(50 mM NaH2PO4, 300 mM NaCl, 10 mM 이미다졸, pH 8.0)에 재현탁시킨 다음, 초음파 분쇄기를 이용하여 50% 전력으로 10분 동안 파쇄하였다. 상기 파쇄된 세포를 4℃에서 30분 동안 10,000 rpm의 속도로 원심분리하여 수용성 분액을 회수하였다.The? -Type CA (ngCA) protein from Neisseria gonorrhoeae was expressed and purified according to known methods (see Chemospere 2012, 87, 1091). First, the recombinant E. coli containing the ngCA-expression vector was cultured in LB (Luria-Bertani) medium (0.5% yeast extract, 1% tryptophan) containing 50 μg / mL ampicillin at 37 ° C. , And 1% NaCl) until the absorbance was 0.6-0.8 at 600 nm. Then, 1 mM isopropyl-beta-D-thiogalactopyranoside and 0.1 mM ZnSO 4 were added to the culture medium to induce the expression of ngCA protein. The recombinant cells were further grown at 37 DEG C for 10 hours and then centrifuged at 4000 rpm for 10 minutes to recover the cells. The recovered cells were resuspended in a solution for cell destruction (50 mM NaH 2 PO 4 , 300 mM NaCl, 10 mM imidazole, pH 8.0) and then disrupted for 10 minutes at 50% power using an ultrasonic mill. The shredded cells were centrifuged at 10,000 rpm for 30 minutes at 4 &lt; 0 &gt; C to recover the aqueous fraction.

그 후, 정제를 위하여 상기 수용성 분액을 니켈-NTA 컬럼에 적용한 후, 컬럼으로부터 단백질의 용출은 용출 버퍼(50 mM NaH2PO4, 300 mM NaCl, 250 mM 이미다졸, pH 8.0)를 이용하여 진행하였다. 상기 용출 분액을 20 mM Tris-SO4 (pH 8.3)을 이용하여 투석하였다. 표준으로 소 혈청 알부민(BSA)를 이용한 브래드포드(Bradford) 분석법으로 단백질의 농도를 결정하였다.
Thereafter, the aqueous fraction was applied to a nickel-NTA column for purification, and the elution of the protein from the column was then carried out using elution buffer (50 mM NaH 2 PO 4 , 300 mM NaCl, 250 mM imidazole, pH 8.0) Respectively. The eluate was dialyzed against 20 mM Tris-SO 4 (pH 8.3). The concentration of protein was determined by Bradford assay using bovine serum albumin (BSA) as a standard.

1-2. 탄산무수화효소(ngCA)가 고정된 실크 하이드로겔의 제조1-2. Preparation of silk hydrogel with fixed carbonic anhydrase (ngCA)

탄산무수화효소(ngCA)-고정 실크 하이드로겔을 광화학 가교 및 메탄올 처리 방법을 이용하여 제조하였다. 먼저, 실크 피브로인을 ngCA 용액(20 mM Tris-HCl (pH 8.3))에 혼합한 후, 1시간 동안 교반하면서 용해하였다. 그 후, 상기 혼합용액에 트리스(비피리딘)루테니윰(Ⅱ)클로라이드([Ru(bpy)3]2+) 및 과황산나트륨(sodium persulfate)을 가하고, 용액이 균일한 상에 도달할 때까지 교반하면서 혼합하였다. Carbonic anhydrase (ngCA) - fixed silk hydrogel was prepared by photochemical crosslinking and methanol treatment. First, silk fibroin was mixed with ngCA solution (20 mM Tris-HCl (pH 8.3)) and dissolved with stirring for 1 hour. Thereafter, tris (bipyridine) ruthenic acid (II) chloride ([Ru (bpy) 3 ] 2+ ) and sodium persulfate were added to the mixed solution, and until the solution reached a uniform phase And mixed while stirring.

또한, 겔(gel)화를 위해, 상기 혼합 용액을 15초 동안 가시광선(~450nm)에 노출시킴으로써 ngCA-고정 실크 하이드로겔을 제조하였고, 상기 ngCA-고정 실크 하이드로겔을 60분 동안 90%(v/v) 메탄올로 처리함으로써 m-ngCA-고정 실크 하이드로겔을 제조하였다.In addition, for gelation, the ngCA-fixed silk hydrogel was prepared by exposing the mixed solution to visible light (~ 450 nm) for 15 seconds and the ngCA-fixed silk hydrogel was exposed to 90% ( v / v) methanol to prepare an m-ngCA-fixed silk hydrogel.

상기 실시예 1에 따른 m-ngCA-고정 실크 하이드로겔 및 ngCA-고정 실크 하이드로겔의 광학 이미지를 도 1에 나타내었다. An optical image of the m-ngCA-fixed silk hydrogel and ngCA-fixed silk hydrogel according to Example 1 is shown in Fig.

또한, 상기 실시예 1에 따른 m-ngCA-고정 실크 하이드로겔의 구조적 형태 및 이에 의한 이산화탄소의 칼슘 카보네이트로의 전환에 대한 개략도를 도 2에 나타내었다.
Further, a schematic view of the structural form of the m-ngCA-fixed silk hydrogel according to Example 1 and the conversion of carbon dioxide into calcium carbonate thereby is shown in Fig.

실험예Experimental Example 1. ngCA 효소의 고정화 및 메탄올 처리에 따른 실크 하이드로겔의 활성 분석 1. Analysis of silk hydrogel activity by immobilization of ngCA enzyme and methanol treatment

1.1 분석방법1.1 Analysis Method

실시예 1에 따른 실크 하이드로겔의 ngCA 효소 고정화 능력 및 메탄올 처리에 대한 영향을 파라-니트로페닐 아세테이트(PNA)의 가수분해를 포함하는 에스테라제(esterase) 활성 분석법을 이용하여 평가하였다. UV-vis 분광기를 이용하여 흡광도 348nm(λmax)에서 파라-니트로페닐의 생산량을 측정하였다. 100% (v/v)의 아세토니트릴에 적당량의 PNA를 용해하여 30mM PNA 용액을 제조하였고, 분석은 900μL의 20mM 인산 칼륨(pH 7.0), 100μL의 30mM PNA(최종 농도 3mM) 및 다양한 농도의 ngCA-고정 실크 하이드로겔로 구성된 총 반응 부피 1mL에서 25℃에서 교반하며 수행하였다. 또한, 흡광도를 348nm에서 12분 동안 매 2분마다 측정하였다. The ability of the silk hydrogel according to Example 1 to immobilize the ngCA enzyme and its effect on the methanol treatment was evaluated using an esterase activity assay involving the hydrolysis of para-nitrophenylacetate (PNA). Production of para-nitrophenyl was measured at an absorbance of 348 nm (? Max ) using a UV-vis spectrometer. A 30 mM PNA solution was prepared by dissolving an appropriate amount of PNA in 100% (v / v) acetonitrile, and the analysis was carried out using 900 μL of 20 mM potassium phosphate (pH 7.0), 100 μL of 30 mM PNA (final concentration 3 mM) Gt; 25 C &lt; / RTI &gt; in a total reaction volume of 1 mL consisting of a fixed silk hydrogel. The absorbance was also measured every 2 minutes for 12 minutes at 348 nm.

상기 분석 방법을 실크 하이드로겔의 재사용성, 열적 안정성 및 저장 안정성을 평가하는 데에도 사용하였다.
The analytical method was also used to evaluate the reusability, thermal stability and storage stability of the silk hydrogels.

1.2 분석결과1.2 Results of analysis

탄산무수화효소(ngCA)의 양의 함수로서 m-ngCA-고정 실크 하이드로겔의 활성을 도 3에 나타내었다. The activity of m-ngCA-fixed silk hydrogel as a function of the amount of carbonic anhydrase (ngCA) is shown in Fig.

도 3에 나타난 바와 같이, ngCA 효소의 양이 100 ~ 1400μg로 증가함에 따라 활성은 선형으로 증가하고, 0.99 이상의 높은 결정계수(R2)를 나타내었다. 또한 1400μg 이상에서는 활성은 거의 포화에 도달하였고, 최대 ~1800μg의 ngCA 효소가 20mg의 실크 하이드로겔에 고정될 수 있는 것으로 나타났다. As shown in FIG. 3, as the amount of ngCA enzyme increased from 100 to 1400 μg, the activity linearly increased and a high coefficient of crystallinity (R 2 ) of 0.99 or more was obtained. At 1400 ug or more, the activity reached almost saturation and up to ~ 1800 ug of ngCA enzyme could be fixed in 20 mg of silk hydrogel.

또한, 수용성 메탄올의 처리여부에 따른 m-ngCA-고정 실크 하이드로겔 및 ngCA-고정 실크 하이드로겔의 활성을 도 4에 나타내었다.In addition, the activity of m-ngCA-fixed silk hydrogels and ngCA-fixed silk hydrogels depending on treatment with water-soluble methanol is shown in Fig.

도 4에 나타난 바와 같이, 알코올은 일반적으로 변성제(denaturant)로 작용하여 효소의 소수성 상호작용을 방해하므로 효소 활성에 악영향을 끼치지만, 메탄올 처리된 m-ngCA-고정 실크 하이드로겔은 92%의 높은 활성을 나타내었다. 이러한 결과는 ngCA와 실크 피브로인간의 공유 및 비-공유 결합으로 인해, 실크 피브로인 내부에 고정된 ngCA 효소가 유리 효소에 비해 매우 높은 강성을 가지기 때문에, 수용성 메탄올을 처리한 후에도, 초기 활성을 유지하는 것으로 생각된다.
As shown in Fig. 4, the alcohol generally acts as a denaturant and adversely affects the enzyme activity because it interferes with the hydrophobic interaction of the enzyme, whereas the methanol-treated m-ngCA-fixed silk hydrogel has a high 92% Activity. These results indicate that the ngCA enzyme immobilized in the silk fibroin due to the covalent and non-covalent bonding between ngCA and silk fibroin retains the initial activity even after treatment with water-soluble methanol since the ngCA enzyme has a very high stiffness compared to the free enzyme I think.

실험예 2. m-ngCA-고정 실크 하이드로겔의 팽윤(swelling) 특성 평가Experimental Example 2. Evaluation of Swelling Characteristics of m-ngCA-Fixed Silk Hydrogel

2.1 분석방법2.1 Analysis Method

실시예 1에 따른 건조된 m-ngCA-고정 실크 하이드로겔을 20 mM Tris-HCl (pH 8.3)) 용액에 4℃에서 1일 동안 침지하였다. 과량의 물을 제거한 후, 팽윤된 실크 하이도로겔의 중량을 측정하였다. 각각의 시료에 대해 3개의 별개의 시험을 수행하였고, 팽윤도를 하기와 같이 정의하였다. The dried m-ngCA-fixed silk hydrogel according to Example 1 was immersed in a solution of 20 mM Tris-HCl (pH 8.3)) at 4 占 폚 for 1 day. After the excess water was removed, the weight of the swollen silk high road gel was measured. Three separate tests were performed on each sample, and the degree of swelling was defined as follows.

팽윤도= [(W t - W d )/W d ], 유체 회복(%)= [(W t - W d )/((W g - W d ) × 100]Degree of swelling = [(W t - W d ) / W d], the fluid recovery (%) = [(W t - W d) / ((W g - W d) × 100]

여기서 W t 는 시간 t에서 팽윤된 하이드로겔의 중량이고, W d 는 건조된 실크 하이드로겔의 중량을 나타낸다.
Where W t is the weight of the hydrogel swelled at time t and W d is the weight of the dried silk hydrogel.

2.2 분석결과2.2 Results of analysis

m-ngCA-고정 실크 하이드로겔 및 ngCA-고정 실크 하이드로겔의 팽윤 특성을 표 1에 나타내었다.The swelling characteristics of the m-ngCA-fixed silk hydrogel and the ngCA-fixed silk hydrogel are shown in Table 1.

m-ngCA-고정 실크 하이드로겔m-ngCA-fixed silk hydrogel ngCA-고정 실크 하이드로겔ngCA-fixed silk hydrogel 팽윤도Swelling degree 1.17 ± 0.051.17 ± 0.05 8.39 ± 0.278.39 ± 0.27 유체 회복(%)Fluid recovery (%) 24.65 ± 0.7624.65 + - 0.76 86.01 ± 0.9186.01 + - 0.91

표 1에 나타난 바와 같이, m-ngCA-고정 실크 하이드로겔의 팽윤도는 1.17이고, 유체 회복(%)은 24.65인데 반해, ngCA-고정 실크 하이드로겔의 팽윤도는 8.39이고, 유체 회복(%)은 86.01로 나타났다. 이렇듯 ngCA-고정 실크 하이드로겔에 비해 m-ngCA-고정 실크 하이드로겔의 낮은 팽윤도는 메탄올 처리에 따른 β-시트의 높은 함량 때문일 것이다. As shown in Table 1, the degree of swelling of the m-ngCA-fixed silk hydrogel was 1.17 and the recovery of fluid (%) was 24.65, while the degree of swelling of the ngCA-fixed silk hydrogel was 8.39 and the recovery of fluid was 86.01 Respectively. Thus, the low swelling of m-ngCA-fixed silk hydrogel compared to ngCA-fixed silk hydrogel may be due to the high content of β-sheet due to methanol treatment.

또한, m-ngCA-고정 실크 하이드로겔 및 ngCA-고정 실크 하이드로겔의 SEM 이미지를 도 5에 나타내었다.An SEM image of m-ngCA-fixed silk hydrogel and ngCA-fixed silk hydrogel is also shown in Fig.

도 5에 나타난 바와 같이, ngCA-고정 실크 하이드로겔은 높은 다공성의 허니콤(honeycomb) 구조를 나타내는 반면에, m-ngCA-고정 실크 하이드로겔은 상대적으로 낮은 다공성을 갖는 콤팩트(compact) 구조를 나타내었다. 이러한 결과가 상기 m-ngCA-고정 실크 하이드로겔의 팽윤도 결과를 뒷받침하는 것을 알 수 있다.
As shown in FIG. 5, the ngCA-fixed silk hydrogel exhibits a high porous honeycomb structure, while the m-ngCA-fixed silk hydrogel exhibits a compact structure with relatively low porosity . These results support the swelling results of the m-ngCA-fixed silk hydrogel.

실험예 3. m-ngCA-고정 실크 하이드로겔의 기계적 특성 평가Experimental Example 3. Evaluation of mechanical properties of m-ngCA-fixed silk hydrogel

3.1 분석방법3.1 Analysis Method

실시예 1에 따른 m-ngCA-고정 실크 하이드로겔(8mm 지름, 2mm 높이) 및 ngCA-고정 실크 하이드로겔(10mm 지름, 3mm 높이)에 대한 일축 압축(unconfined compression) 시험을 2kN 로드셀(load cell)을 구비한 인스트론 3344 물질 테스트 시스템을 이용하여 수행하였다. 각 시료를 ~ 50%의 최대 응력(strain)에 도달할 때까지 1mm/min의 속도로 압축하였다(n=3). An unconfined compression test on the m-ngCA-fixed silk hydrogel (8 mm diameter, 2 mm height) and ngCA-fixed silk hydrogel (10 mm diameter, 3 mm height) according to Example 1 was performed on a 2 kN load cell RTI ID = 0.0 &gt; Instron &lt; / RTI &gt; 3344 material test system. Each sample was compressed at a rate of 1 mm / min until a maximum strain of ~ 50% was reached (n = 3).

응력-변형(stress-strain) 곡선을 얻은 후, 압축 접선 계수를 20% 및 40% 응력에서 계산하였다. 또한, 하이드로겔을 20% 응력에서 20번의 로딩-언로딩 사이클(loading-unloading cycle)을 수행하였다. 상기 20번의 사이클을 기록하고, 에너지 분산을 하기와 같이 계산하였다;After obtaining a stress-strain curve, the compressive tangent modulus was calculated at 20% and 40% stress. In addition, the hydrogel was subjected to 20 loading-unloading cycles at 20% stress. The 20 cycles were recorded and the energy dispersion was calculated as follows;

에너지 분산 =

Figure pat00001

Energy dispersion =
Figure pat00001

3.2 분석결과3.2 Results of analysis

(a) m-ngCA-고정 실크 하이드로겔, 및 (b) ngCA-고정 실크 하이드로겔의 응력-변형(stress-strain) 곡선, (c) 압축 응력의 함수로써 m-ngCA-고정 실크 하이드로겔 및 ngCA-고정 실크 하이드로겔의 압축 계수, (d) m-ngCA-고정 실크 하이드로겔, 및 (e) ngCA-고정 실크 하이드로겔의 로딩-언로딩 사이클 곡선, 및 (f) 압축 사이클의 함수로써 m-ngCA-고정 실크 하이드로겔 및 ngCA-고정 실크 하이드로겔의 에너지 분산을 도 6에 나타내었다.(a) m-ngCA-fixed silk hydrogel, and (b) a stress-strain curve of ngCA-fixed silk hydrogel, (c) (d) m-ngCA-fixed silk hydrogel, and (e) the loading-unloading cycle curve of the ngCA-fixed silk hydrogel, and (f) The energy dispersions of -ngCA-stationary silk hydrogels and ngCA-stationary silk hydrogels are shown in Fig.

도 6의 (a)~(c)에 나타난 바와 같이, m-ngCA-고정 실크 하이드로겔(각각 20% 및 40% 응력에 대해 ~1300 kPa 및 ~11000 kPa)은 ngCA-고정 실크 하이드로겔(각각 20% 및 40% 응력에 대해 ~30 kPa 및 ~200 kPa)에 비해 ~50배 더 높은 강성을 나타내었다. 이러한 m-ngCA-고정 실크 하이드로겔의 높은 강성은 메탄올 처리에 따른 β-시트의 높은 함량으로 인해 물리적 가교를 유도하고, 압축 계수를 향상시켰기 때문일 것이다. As shown in Figures 6 (a) - (c), m-ngCA-fixed silk hydrogels (~ 1300 kPa and ~ 11000 kPa for 20% and 40% stress, respectively) 50 times higher stiffness compared to ~ 30 kPa and ~ 200 kPa for 20% and 40% stress). This high stiffness of the m-ngCA-fixed silk hydrogel may be attributed to the fact that the high content of? -Sheet due to methanol treatment induced physical crosslinking and improved the compression coefficient.

또한, 도 6의 (d)~(f)에 나타난 바와 같이, m-ngCA-고정 실크 하이드로겔의 경우, 히스테레시스 루프의 면적이 초기 5번의 연속 사이클 동안 급격하게 감소하였으나, 압축 강도가 거의 일정하게 유지되면서 결국 ~5kJ/m3의 에너지 분산을 갖는 정상 상태에 도달하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 상기 조건에서 하이드로겔이 파열되지 않는 것을 나타내며, 상기 초기의 급격한 감소는 겔 내에 존재하는 물의 손실때문으로 생각된다. m-ngCA-고정 실크 하이드로겔은 ngCA-고정 실크 하이드로겔에 비해 더 적은 물 함량을 가지기 때문에, 초기 로딩동안 겔로부터 물이 밀려나가는 것에 영향받을 수 있다. 반면, ngCA-고정 실크 하이드로겔의 경우, 20번 연속 사이클동안 특정 응력-변형 곡선을 유지하였다. 상기 결과로부터, m-ngCA-고정 실크 하이드로겔이 외부의 충격에 대해 높은 저항성 및 탄성을 갖는 것을 알 수 있다.
Further, as shown in Figs. 6 (d) to 6 (f), in the case of the m-ngCA-fixed silk hydrogel, the area of the hysteresis loop rapidly decreased during the initial five consecutive cycles, And finally reached a steady state with an energy dispersion of ~ 5 kJ / m 3 . These results indicate that the hydrogel is not ruptured under these conditions, and the initial sharp reduction is thought to be due to the loss of water present in the gel. Because m-ngCA-fixed silk hydrogels have a lower water content than ngCA-fixed silk hydrogels, water can be affected by the water being pushed out of the gel during initial loading. On the other hand, in the case of ngCA-fixed silk hydrogels, a specific stress-strain curve was maintained for 20 consecutive cycles. From the above results, it can be seen that the m-ngCA-fixed silk hydrogel has high resistance and elasticity against external impact.

실험예 4. m-ngCA-고정 실크 하이드로겔의 재사용성 평가Experimental Example 4. Evaluation of reusability of m-ngCA-fixed silk hydrogel

4.1 분석방법4.1 Analysis Method

실시예 1에 따른 m-ngCA-고정 실크 하이드로겔의 재사용성을 상기 에스테라제 분석법을 이용하여 평가하였다. 추가적인 사용을 위해, 하이드로겔 내의 생성물을 20mM Tris-SO4 완충액(pH 8.3)에 대한 투석으로 제거하였고, 하이드로겔은 사용에 앞서 4℃로 저장하였다.
The reusability of the m-ngCA-fixed silk hydrogel according to Example 1 was evaluated using the above-described esterase assay. For further use, the product in the hydrogel was removed by dialysis against 20 mM Tris-SO 4 buffer (pH 8.3) and the hydrogel was stored at 4 ° C prior to use.

4.2 분석결과4.2 Analysis Results

실시예 1에 따른 m-ngCA-고정 실크 하이드로겔 및 ngCA-고정 실크 하이드로겔의 재사용에 따른 활성을 도 7에 나타내었다.The activity upon re-use of the m-ngCA-fixed silk hydrogel and the ngCA-fixed silk hydrogel according to Example 1 is shown in Fig.

도 7에 나타난 바와 같이, m-ngCA-고정 실크 하이드로겔은 9번의 재사용 사이클 후, 초기 활성의 90% 이상을 유지하는 반면에, ngCA-고정 실크 하이드로겔은 초기 활성의 84%를 유지하는 것으로 나타났다. 이러한 m-ngCA-고정 실크 하이드로겔의 높은 재사용성은 실크 하이드로겔의 가수분해때문으로 생각된다. 즉, 수용성 메탄올 처리는 β-시트 가교를 형성함으로써 하이드로겔이 가수분해되는 것을 방지할 수 있다. 상기 m-ngCA-고정 실크 하이드로겔의 높은 재사용성은 키토산 비드(5번 재사용 후, ~43%활성), 아민-기반 실리카(5번 재사용 후, ~87%활성) 및 R5 펩타이드-기반 실리카(4번 재사용 후, ~87%활성)의 재사용성보다 우수하며, 아민-작용기된 SBA-15(10번 재사용 후, >90%활성), 은 나노입자-결합된 다공성 SBA-15(10번 재사용 후, >90%활성), 및 자기 입자(10번 재사용 후, >85%활성)의 재사용성과 비슷하다.
As shown in Figure 7, the m-ngCA-fixed silk hydrogel retains more than 90% of the initial activity after 9 re-cycles, while the ngCA-fixed silk hydrogel retains 84% of the initial activity appear. The high reusability of such m-ngCA-fixed silk hydrogels is believed to be due to the hydrolysis of silk hydrogels. That is, the water-soluble methanol treatment can prevent the hydrogel from being hydrolyzed by forming a? -Sheet crosslink. The high re-usability of the m-ngCA-fixed silk hydrogel was significantly improved with chitosan beads (~ 43% active after reuse 5), amine-based silica (~57 re-use after ~ 87% activity) and R5 peptide- (After 10 re-use, > 90% active), silver nanoparticle-bound porous SBA-15 (10 times more reusable) than the reusability of the amine-functionalized SBA- , &Gt; 90% active), and magnetic particles (> 85% active after 10 times reuse).

실험예 5. m-ngCA-고정 실크 하이드로겔의 저장 및 열적 안정성 평가Experimental Example 5. Evaluation of storage and thermal stability of m-ngCA-fixed silk hydrogel

5.1 분석방법5.1 Analysis Method

실시예 1에 따른 m-ngCA-고정 실크 하이드로겔의 저장 및 열적 안정성을 상기 에스테라제 분석법을 이용하여 평가하였다. 저장 안정성을 측정하기 위하여, m-ngCA-고정 실크 하이드로겔을 30℃에서 저장하고, ~7일의 간격으로 시험하였다.The storage and thermal stability of the m-ngCA-fixed silk hydrogel according to Example 1 was evaluated using the above esterase assay. To measure storage stability, m-ngCA-stationary silk hydrogel was stored at 30 ° C and tested at intervals of ~7 days.

또한, 열적 안정성을 측정하기 위하여, m-ngCA-고정 실크 하이드로겔을 1시간 및 12시간 동안 50℃에서 배양한 후, 활성을 측정할 때까지, 4℃로 저장하였다.
To measure thermal stability, m-ngCA-fixed silk hydrogel was incubated at 50 캜 for 1 hour and 12 hours, and then stored at 4 캜 until activity was measured.

5.2 분석결과5.2 Results of analysis

실시예 1에 따른 (a) m-ngCA-고정 실크 하이드로겔 및 (b) 유리 ngCA의 저장 안정성을 도 8에 나타내었다. 또한 실시예 1에 따른 m-ngCA-고정 실크 하이드로겔 및 ngCA-고정 실크 하이드로겔의 30℃에서 7일 동안 저장 후의 광학이미지를 도 9에 나타내었다. The storage stability of (a) m-ngCA-fixed silk hydrogel according to Example 1 and (b) free ngCA according to Example 1 is shown in Fig. An optical image of the m-ngCA-fixed silk hydrogel and ngCA-fixed silk hydrogel according to Example 1 after storage at 30 DEG C for 7 days is also shown in Fig.

도 8에 나타난 바와 같이, m-ngCA-고정 실크 하이드로겔의 경우, 30일 저장 동안 어떠한 활성 감소를 나타내지 않았으나, 유리 ngCA의 경우, 10일 저장 후에 초기 활성의 ~11% 수준으로 감소한 것으로 나타났다. As shown in Fig. 8, m-ngCA-fixed silk hydrogel showed no activity decrease during storage for 30 days but decreased to ~ 11% of initial activity after 10 days storage for free ngCA.

또한, 도 9에 나타난 바와 같이, ngCA-고정 실크 하이드로겔은 7일 이내에 완전히 가수분해되는 것으로 나타났다. m-ngCA-고정 실크 하이드로겔의 높은 저장 안정성은 메탄올 처리에 따른 실크 하이드로겔의 구조적 안정성 때문으로 생각되며, 실크 하이드로겔 내부에 포획된 ngCA는 초기 활성을 유지한 체 장기간 동안 안정할 수 있다. 상기 결과로부터 메탄올 처리된 m-ngCA-고정 실크 하이드로겔이 장기간 보관해도 우수한 활성을 나타내는 것을 알 수 있다.Also, as shown in Fig. 9, the ngCA-fixed silk hydrogel appeared to be fully hydrolyzed within 7 days. The high storage stability of the m-ngCA-fixed silk hydrogel is believed to be due to the structural stability of the silk hydrogel due to the methanol treatment, and the ngCA trapped within the silk hydrogel can be stable for long periods of time maintaining the initial activity. From the above results, it can be seen that the methanol-treated m-ngCA-fixed silk hydrogel exhibits excellent activity even when stored for a long period of time.

실시예 1에 따른 (a) m-ngCA-고정 실크 하이드로겔 및 (b) ngCA-고정 실크 하이드로겔의 열적 안정성을 유리 ngCA와 비교하여 도 10에 나타내었다.The thermal stability of (a) m-ngCA-fixed silk hydrogel according to Example 1 and (b) ngCA-fixed silk hydrogel according to Example 1 is shown in FIG. 10 compared to free ngCA.

도 10에 나타난 바와 같이, m-ngCA-고정 실크 하이드로겔은 50℃에서 각각 1시간 및 12시간 배양 후, 초기 활성의 ~91% 및 ~41% 활성을 나타냈으나, 유리 ngCA효소의 경우, 1시간 이내에 ~4% 활성 수준으로 감소한 것으로 나타났다. 이러한 결과는 실크 하이드로겔 내부에 포획된 ngCA 효소의 제한된 구조 때문일 것이다. 그러나, m-ngCA-고정 실크 하이드로겔의 경우, 각각 초기 활성의 ~96% 및 ~60% 활성을 나타낸 ngCA-고정 실크 하이드로겔에 비해 약간 낮은 열적 안정성 값을 나타내었다. 그 이유는 재접힘/탈변성에 대한 효소의 상이한 기회로부터 발생한 것으로 보인다. CA 효소는 안정한 몰텐 글로불(molten globule) 중간체에 의해 분리된 두 개의 전이를 경험하고, 완전히 변성되지 않는 한 전개(unfolding) 전이 상태에서 안정한 중간체 상태 또는 초기 상태로 변화할 기회를 가진다. 따라서 시험에 앞서 4℃로 저장된 동안, m-ngCA-고정 실크 하이드로겔은 ngCA-고정 실크 하이드로겔에 비해 내부에 포획된 ngCA 효소의 제한된 이동성으로 인해 더 낮은 재접힘의 결과를 초래했을 것으로 생각된다.
As shown in Fig. 10, the m-ngCA-fixed silk hydrogel exhibited ~ 91% and ~ 41% activity of the initial activity after 1 hour and 12 hours of culture at 50 ° C, respectively, And decreased to ~ 4% active level within 1 hour. This result may be due to the limited structure of the ngCA enzyme trapped within the silk hydrogel. However, m-ngCA-fixed silk hydrogels exhibited slightly lower thermal stability values than the ngCA-fixed silk hydrogels exhibiting ~ 96% and ~ 60% activity of the initial activity, respectively. The reason seems to arise from the different opportunities of enzymes for refolding / denaturation. CA enzymes experience two transitions separated by a stable molten globule intermediate and have the opportunity to change from an unfolding transition state to a stable intermediate state or an initial state, unless completely denatured. Thus, while stored at 4 ° C prior to testing, the m-ngCA-fixed silk hydrogel may have resulted in a lower refolding due to the limited mobility of internally captured ngCA enzyme relative to the ngCA-fixed silk hydrogel .

실험예 6. m-ngCA-고정 실크 하이드로겔의 이산화탄소 전환율 평가Experimental Example 6. Evaluation of Carbon Dioxide Conversion of m-ngCA-Fixed Silk Hydrogel

6.1 분석방법6.1 Analysis Method

실시예 1에 따른 m-ngCA-고정 실크 하이드로겔에 대한 이산화탄소의 칼슘 카보네이트로의 전환율을 칼슘 카보네이트 침전법을 이용하여 수행하였다. The conversion of carbon dioxide to calcium carbonate for the m-ngCA-fixed silk hydrogel according to Example 1 was performed using the calcium carbonate precipitation method.

먼저, 개방 시스템에서 18℃에서 물에 이산화탄소(CO2)를 버블링(bubbling)하여 CO2-포화 수용액을 제조하였다. 그 후, 5mL의 CO2-포화 수용액을 시료(유리 ngCA 효소, ngCA-고정 실크 하이드로겔 및 m-ngCA-고정 실크 하이드로겔)를 포함하는 5mL의 반응 완충액(1M Tris-SO4, 20 mM CaCl2, pH 9.5)에 가한 후, 폐쇄 시스템에서 150초 동안 주위 온도로 반응을 수행하였다. 0.1μm-공극-막을 통해 최종 생성물을 여과한 후, 85℃에서 하룻밤 동안 건조하였다. 침전된 칼슘 카보네이트(CaCO3)을 중량을 측정한 후, 그 형태를 SEM으로 관찰하였다.
First, a CO 2 -saturated aqueous solution was prepared by bubbling carbon dioxide (CO 2 ) in water at 18 ° C in an open system. Then 5 mL of CO 2 -saturated aqueous solution was added to 5 mL of reaction buffer (1M Tris-SO 4 , 20 mM CaCl 2) containing a sample (free ngCA enzyme, ngCA-fixed silk hydrogel and m-ngCA-fixed silk hydrogel) 2 , pH 9.5) and the reaction was carried out at ambient temperature for 150 seconds in the closed system. The final product was filtered through a 0.1 μm-pore-membrane and dried overnight at 85 ° C. The precipitated calcium carbonate (CaCO 3 ) was weighed and its morphology was observed by SEM.

6.2 분석결과6.2 Results of analysis

실시예 1에 따른 유리 ngCA 효소, ngCA-고정 실크 하이드로겔 및 m-ngCA-고정 실크 하이드로겔에 의한 이산화탄소의 칼슘 카보네이트로의 전환율을 표 2에 나타내었고, m-ngCA-고정 실크 하이드로겔에 의해 침전된 CaCO3에 대한 SEM 이미지를 도 11에 나타내었다.The conversion rates of carbon dioxide to calcium carbonate by the free ngCA enzyme, ngCA-fixed silk hydrogel and m-ngCA-fixed silk hydrogel according to Example 1 are shown in Table 2 and measured by m-ngCA-fixed silk hydrogel An SEM image of the precipitated CaCO 3 is shown in FIG.

침전물의 중량(mg)Weight of precipitate (mg) 제거된 CO2 (mg)Removed CO 2 (mg) 수율 (%)Yield (%) 비-촉매Non-catalyst 2.7 ± 0.72.7 ± 0.7 1.2 ± 0.31.2 ± 0.3 13.2 ± 3.613.2 ± 3.6 유리 ngCAFree ngCA 9.5 ± 0.69.5 ± 0.6 4.2 ± 0.34.2 ± 0.3 46.4 ± 2.846.4 ± 2.8 m-ngCA-고정 실크 하이드로겔m-ngCA-fixed silk hydrogel 5.4 ± 0.35.4 ± 0.3 2.4 ± 0.12.4 ± 0.1 26.2 ± 2.026.2 ± 2.0 ngCA-고정 실크 하이드로겔ngCA-fixed silk hydrogel 5.1 ± 0.15.1 ± 0.1 2.2 ± 0.12.2 ± 0.1 24.9 ± 0.724.9 ± 0.7

표 2에 나타난 바와 같이, m-ngCA-고정 실크 하이드로겔의 경우, 비-촉매 반응에 비해 약 2배 정도 증가된 CO2 수화 활성을 나타내었고, 유리 ngCA 효소에 비해서는 ~60% 수준의 CO2 수화 활성을 나타내었다. 유리 ngCA 효소에 비해 m-ngCA-고정 실크 하이드로겔의 감소된 활성은 하이드로겔로부터 기질 및/또는 생성물의 확산적 이동(diffusive transport)때문일 것이다. 또한, m-ngCA-고정 실크 하이드로겔은 ngCA-고정 실크 하이드로겔과 유사한 CO2 수화 활성을 나타내었다. 상기 결과로부터, m-ngCA-고정 실크 하이드로겔이 이산화탄소를 칼슘 카보네이트로 친환경적으로 전환하는 효과적인 바이오촉매로 사용될 수 있는 것을 알 수 있다.As shown in Table 2, the m-ngCA-fixed silk hydrogel exhibited about 2-fold increase in CO 2 hydration activity compared to the non-catalytic reaction, and a ~ 60% level of CO 2 hydration activity. The reduced activity of the m-ngCA-fixed silk hydrogel relative to the free ngCA enzyme will be due to diffusive transport of the substrate and / or product from the hydrogel. In addition, the m-ngCA-fixed silk hydrogel exhibited CO 2 hydration activity similar to the ngCA-fixed silk hydrogel. From the above results, it can be seen that the m-ngCA-fixed silk hydrogel can be used as an effective biocatalyst for environmentally converting carbon dioxide to calcium carbonate.

<110> POSTECH ACADEMY-INDUSTRY FOUNDATION <120> Carbonic anhydrase immobilized silk hydrogel and conversion or fixation of carbon dioxide using the same <130> DPP20102958KR <160> 1 <170> KopatentIn 2.0 <210> 1 <211> 236 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> CA-1 <400> 1 Met Gly His Gly Asn His Thr His Trp Gly Tyr Thr Gly His Asp Ser 1 5 10 15 Pro Glu Ser Trp Gly Asn Leu Ser Glu Glu Phe Arg Leu Cys Ser Thr 20 25 30 Gly Lys Asn Gln Ser Pro Val Asn Ile Thr Glu Thr Val Ser Gly Lys 35 40 45 Leu Pro Ala Ile Lys Val Asn Tyr Lys Pro Ser Met Val Asp Val Glu 50 55 60 Asn Asn Gly His Thr Ile Gln Val Asn Tyr Pro Glu Gly Gly Asn Thr 65 70 75 80 Leu Thr Val Asn Gly Arg Thr Tyr Thr Leu Lys Gln Phe His Phe His 85 90 95 Val Pro Ser Glu Asn Gln Ile Lys Gly Arg Thr Phe Pro Met Glu Ala 100 105 110 His Phe Val His Leu Asp Glu Asn Lys Gln Pro Leu Val Leu Ala Val 115 120 125 Leu Tyr Glu Ala Gly Lys Thr Asn Gly Arg Leu Ser Ser Ile Trp Asn 130 135 140 Val Met Pro Met Thr Ala Gly Lys Val Lys Leu Asn Gln Pro Phe Asp 145 150 155 160 Ala Ser Thr Leu Leu Pro Lys Arg Leu Lys Tyr Tyr Arg Phe Ala Gly 165 170 175 Ser Leu Thr Thr Pro Pro Cys Thr Glu Gly Val Ser Trp Leu Val Leu 180 185 190 Lys Thr Tyr Asp His Ile Asp Gln Ala Gln Ala Glu Lys Phe Thr Arg 195 200 205 Ala Val Gly Ser Glu Asn Asn Arg Pro Val Gln Pro Leu Asn Ala Arg 210 215 220 Val Val Ile Glu Gly Gly His His His His His His 225 230 235 <110> POSTECH ACADEMY-INDUSTRY FOUNDATION <120> Carbonic anhydrase immobilized silk hydrogel and conversion or          fixation of carbon dioxide using the same <130> DPP20102958KR <160> 1 <170> Kopatentin 2.0 <210> 1 <211> 236 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> CA-1 <400> 1 Met Gly His Gly Asn His Thr His Trp Gly Tyr Thr Gly His Asp Ser   1 5 10 15 Pro Glu Ser Trp Gly Asn Leu Ser Glu Glu Phe Arg Leu Cys Ser Thr              20 25 30 Gly Lys Asn Gln Ser Pro Val Asn Ile Thr Glu Thr Val Ser Gly Lys          35 40 45 Leu Pro Ala Ile Lys Val Asn Tyr Lys Pro Ser Met Val Asp Val Glu      50 55 60 Asn Asn Gly His Thr Ile Gln Val Asn Tyr Pro Glu Gly Gly Asn Thr  65 70 75 80 Leu Thr Val Asn Gly Arg Thr Tyr Thr Leu Lys Gln Phe His Phe His                  85 90 95 Val Pro Ser Glu Asn Gln Ile Lys Gly Arg Thr Phe Pro Met Glu Ala             100 105 110 His Phe Val His Leu Asp Glu Asn Lys Gln Pro Leu Val Leu Ala Val         115 120 125 Leu Tyr Glu Ala Gly Lys Thr Asn Gly Arg Leu Ser Ser Ile Trp Asn     130 135 140 Val Met Pro Met Thr Ala Gly Lys Val Lys Leu Asn Gln Pro Phe Asp 145 150 155 160 Ala Ser Thr Leu Leu Pro Lys Arg Leu Lys Tyr Tyr Arg Phe Ala Gly                 165 170 175 Ser Leu Thr Thr Pro Pro Cys Thr Glu Gly Val Ser Trp Leu Val Leu             180 185 190 Lys Thr Tyr Asp His Ile Asp Gln Ala Gln Ala Glu Lys Phe Thr Arg         195 200 205 Ala Val Gly Ser Glu Asn Asn Arg Pro Val Gln Pro Leu Asn Ala Arg     210 215 220 Val Val Ile Glu Gly Gly His His His His His 225 230 235

Claims (23)

탄산무수화효소가 고정된 실크 하이드로겔을 포함하는, 이산화탄소의 전환 또는 고정용 조성물.A composition for the conversion or fixing of carbon dioxide, comprising a silk hydrogel fixed with carbonic anhydrase. 제 1항에 있어서,
상기 탄산무수화효소는 나이제리아 고노리아(Neisseria gonorrhoeae) 유래의 α형인 것을 특징으로 하는 것인, 이산화탄소의 전환 또는 고정용 조성물.
The method according to claim 1,
Wherein the carbonic anhydrase is an? -Type derived from Neisseria gonorrhoeae .
제 1항에 있어서,
상기 탄산무수화효소는 서열번호 1의 아미노산 서열을 갖는 것을 특징으로 하는 것인, 이산화탄소의 전환 또는 고정용 조성물.
The method according to claim 1,
Wherein the carbonic anhydrase has the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1.
제 1항에 있어서,
상기 탄산무수화효소는 티로신 잔기가 활성부위에 영향을 주지 않는 것을 특징으로 하는 것인, 이산화탄소의 전환 또는 고정용 조성물.
The method according to claim 1,
Wherein the carbonic anhydrase is characterized in that the tyrosine residue does not affect the active site.
제 1항에 있어서,
상기 실크는 누에(Bombyx mori), 풀잠자리(green lacewings)(Chrysoperla carnea), 왕거미(araneus)(Araneus diadematus), 또는 무당거미(Nephila clavipes)로부터 유래된 실크 단백질인 것을 특징으로 하는 것인, 이산화탄소의 전환 또는 고정용 조성물.
The method according to claim 1,
Wherein the silk is a silk protein derived from a silkworm (Bombyx mori), green lacewings (Chrysoperla carnea), araneus (Araneus diadematus), or Nephila clavipes. &Lt; / RTI &gt;
제 5항에 있어서,
상기 실크 단백질은 누에에서 추출한 실크 피브로인(silk fibroin)인 것을 특징으로 하는 것인, 이산화탄소의 전환 또는 고정용 조성물.
6. The method of claim 5,
Wherein the silk protein is silk fibroin extracted from silkworm. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 21. &lt; / RTI &gt;
제 1항에 있어서,
상기 탄산무수화효소는 광-가교 및 알코올 처리에 의해 실크 하이드로겔에 고정된 것을 특징으로 하는 것인, 이산화탄소의 전환 또는 고정용 조성물.
The method according to claim 1,
Wherein the carbonic anhydrase is immobilized on a silk hydrogel by photo-crosslinking and alcohol treatment.
제 7항에 있어서,
상기 알코올은 알코올과 물의 비율이 1:0.1~1:10 부피 비(v/v)인 알코올 수용액인 것을 특징으로 하는 것인, 이산화탄소의 전환 또는 고정용 조성물.
8. The method of claim 7,
Wherein the alcohol is an alcohol aqueous solution in which the ratio of alcohol to water is 1: 0.1 to 1: 10 by volume (v / v).
제 7항에 있어서,
상기 알코올은 메탄올 또는 에탄올인 것을 특징으로 하는 것인, 이산화탄소의 전환 또는 고정용 조성물.
8. The method of claim 7,
Wherein the alcohol is methanol or ethanol.
제 1항에 있어서,
상기 이산화탄소는 바이카보네이트 또는 카보네이트 화합물로 전환되는 것을 특징으로 하는 것인, 이산화탄소의 전환 또는 고정용 조성물.
The method according to claim 1,
Wherein the carbon dioxide is converted into a bicarbonate or a carbonate compound.
제 10항에 있어서,
상기 바이카보네이트 화합물은 소듐 바이카보네이트(Na2HCO3), 포타슘 바이카보네이트(KHCO3), 마그네슘 바이카보네이트(Mg(HCO3)2), 칼슘 바이카보네이트(Ca(HCO3)2) 및 암모늄 바이카보네이트((NH4)HCO3)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 것인, 이산화탄소의 전환 또는 고정용 조성물.
11. The method of claim 10,
The bicarbonate compound may be selected from the group consisting of sodium bicarbonate (Na 2 HCO 3 ), potassium bicarbonate (KHCO 3 ), magnesium bicarbonate (Mg (HCO 3 ) 2 ), calcium bicarbonate (Ca (HCO 3 ) 2 ) and ammonium bicarbonate that is, conversion or fixing composition for carbon dioxide, characterized in that at least one member selected from the group consisting of ((NH 4) HCO 3) .
제 10항에 있어서,
상기 카보네이트 화합물은 카본산(H2CO3), 리튬 카보네이트(Li2CO3), 소듐 카보네이트(Na2CO3), 포타슘 카보네이트(K2CO3), 루비듐 카보네이트(Rb2CO3), 세슘 카보네이트(Cs2CO3), 베릴륨 카보네이트(BeCO3), 마그네슘 카보네이트(MgCO3), 칼슘 카보네이트(CaCO3), 스트론튬 카보네이트(SrCO3), 바륨 카보네이트(BaCO3), 망간 카보네이트(MnCO3), 철 카보네이트(FeCO3), 코발트 카보네이트(CoCO3), 니켈 카보네이트(NiCO3), 구리 카보네이트(CuCO3), 실버 카보네이트(Ag2CO3), 징크 카보네이트(ZnCO3), 카드뮴 카보네이트(CdCO3), 알루미늄 카보네이트(Al2(CO3)3), 탈륨 카보네이트(Tl2CO3), 리드 카보네이트(PbCO3) 및 란타늄 카보네이트(La2(CO3)3)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 것인, 이산화탄소의 전환 또는 고정용 조성물.
11. The method of claim 10,
The carbonate compound may be at least one selected from the group consisting of carbonic acid (H 2 CO 3 ), lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), potassium carbonate (K 2 CO 3 ), rubidium carbonate (Rb 2 CO 3 ) carbonate (Cs 2 CO 3), beryllium carbonate (BeCO 3), magnesium carbonate (MgCO 3), calcium carbonate (CaCO 3), strontium carbonate (SrCO 3), barium carbonate (BaCO 3), manganese carbonate (MnCO 3), ferrous carbonate (FeCO 3), cobalt carbonate (CoCO 3), nickel carbonate (NiCO 3), copper carbonate (CuCO 3), silver carbonate (Ag 2 CO 3), zinc carbonate (ZnCO 3), cadmium carbonate (CdCO 3) , aluminum carbonate (Al 2 (CO 3) 3 ), thallium carbonate (Tl 2 CO 3), lead carbonate (PbCO 3) and lanthanum carbonate, characterized in that at least one member selected from the group consisting of (La 2 (CO 3) 3 ) By weight based on the total weight of the composition.
(1) 탄산무수화효소 및 실크 단백질의 혼합용액을 제조하는 단계;
(2) 상기 혼합용액을 광-가교하여 실크 하이드로겔을 제조하는 단계; 및
(3) 상기 실크 하이드로겔을 알코올 처리하는 단계;를 포함하는, 탄산무수화효소가 고정된 실크 하이드로겔의 제조방법.
(1) preparing a mixed solution of a carbonic anhydrase and a silk protein;
(2) photo-crosslinking the mixed solution to produce a silk hydrogel; And
(3) subjecting the silk hydrogel to an alcohol treatment; and (3) subjecting the silk hydrogel to an alcohol treatment.
제 13항에 있어서,
상기 (1)단계에서, 용액을 제조하기 위한 용매는 pH 7~9의 Tris HCl 완충액인 것을 특징으로 하는 것인, 탄산무수화효소가 고정된 실크 하이드로겔의 제조방법.
14. The method of claim 13,
The method for producing a silk hydrogel as set forth in (1), wherein the solvent for preparing the solution is Tris HCl buffer having a pH of 7 to 9.
제 13항에 있어서,
상기 (1)단계에서, 혼합용액은 광 개시제를 포함하는 것을 특징으로 하는 것인, 탄산무수화효소가 고정된 실크 하이드로겔의 제조방법.
14. The method of claim 13,
The method for producing a silk hydrogel as set forth in (1) above, wherein the mixed solution comprises a photoinitiator.
제 15항에 있어서,
상기 광 개시제는 트리스(비피리딘)루테니윰(Ⅱ)클로라이드, 캄포로퀴논 퍼옥시에스테르, 9-플루오렌 카르복실산 퍼옥시에스테르, dl-캄포르퀴논, 및 어가큐어 784DC로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 것인, 탄산무수화효소가 고정된 실크 하이드로겔의 제조방법.
16. The method of claim 15,
Wherein the photoinitiator is selected from the group consisting of tris (bipyridine) ruthenium (II) chloride, camphorquinone peroxyester, 9-fluorenecarboxylic acid peroxyester, dl-camphorquinone, and Agar Cure 784DC Wherein the carbonic anhydrase is immobilized on at least one surface of the silk hydrogel.
제 13항에 있어서,
상기 (2)단계에서, 광-가교는 가시광선에 의해 1~100 초(s) 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 것인, 탄산무수화효소가 고정된 실크 하이드로겔의 제조방법.
14. The method of claim 13,
Wherein the photo-crosslinking is performed for 1 to 100 seconds (s) by visible light in the step (2).
제 13항에 있어서,
상기 (3)단계에서, 알코올은 알코올과 물의 비율이 1:0.1~1;10 부피 비(v/v)인 알코올 수용액인 것을 특징으로 하는 것인, 탄산무수화효소가 고정된 실크 하이드로겔의 제조방법.
14. The method of claim 13,
In the step (3), the alcohol is an alcohol aqueous solution having a ratio of alcohol to water of 1: 0.1 to 1: 10 by volume (v / v), wherein the hydrolyzate of carbonic anhydrase- Gt;
제 13항에 있어서,
상기 (3)단계에서, 알코올은 메탄올 또는 에탄올인 것을 특징으로 하는 것인, 탄산무수화효소가 고정된 실크 하이드로겔의 제조방법.
14. The method of claim 13,
Wherein the alcohol is methanol or ethanol in the step (3), wherein the carbonic anhydrase is immobilized.
제 13항에 있어서,
상기 (3)단계에서, 알코올은 0.1~2시간 동안 처리되는 것을 특징으로 하는 것인, 탄산무수화효소가 고정된 실크 하이드로겔의 제조방법.
14. The method of claim 13,
Wherein the alcohol is treated for 0.1 to 2 hours in the step (3). &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 11. &lt; / RTI &gt;
제 13항 내지 제 20항 중 어느 한 항의 제조방법에 따라 제조한, 탄산무수화효소가 고정된 실크 하이드로겔.20. A silk hydrogel in which a carbonic anhydrase is immobilized, which is produced according to the method of any one of claims 13 to 20. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항의 이산화탄소의 전환 또는 고정용 조성물을 이산화탄소 포화용액과 반응시키는 단계를 포함하는, 이산화탄소의 전환 또는 고정 방법.A method for converting or fixing carbon dioxide, comprising the step of reacting a composition for converting or fixing carbon dioxide according to any one of claims 1 to 12 with a saturated solution of carbon dioxide. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항의 이산화탄소의 전환 또는 고정용 조성물을 포함하는, 이산화탄소의 전환 또는 고정 장치.


A device for converting or fixing carbon dioxide, comprising a composition for the conversion or fixing of carbon dioxide according to any one of claims 1 to 12.


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