Geldanamycin and its analogs due to their anticancer and anti-fungal activities are considered to be valuable compounds in the pharmaceutical industry. The major objective of this study was to develop a new geldanamycin production medium for $\emph{Streptomcyes hygroscopicus}$ subsp $\emph{duamyceticus}$ by statistical approach. The Plackett-Burman (PB) design and the response surface method (RSM) with a central composite design(CCD) were employed to select key components and to optimize their concentration, respectively. Among the 11 nutrients tested, two carbon sources of glycerol and glucose, and two nitrogen sources of yeast extract and soytone were selected. After two rounds of RSM, the optimum concentrations of glycerol, soytone, yeast extract, and glucose were identified as 50, 8.6, 2.7, and 11 g/L, respectively, with the maximum gledanamycin concentration of 938 mg/L. For a medium composition of 50 g/L glycerol, 7.5 g/L soytone, 4 g/L yeast extract, and 11g/L glucose, for example, 864 mg/L of geldanamycin was produced, which was close to the predicted value of 862 mg/L.
이 실험의 주된 목적은 Streptomyes hygroscopicus subsp. duamyceticus로부터 항암효과를 가진 물질인 geldanamycin을 통계적 방법을 이용한 새로운 배지의 개발에 있다. 이 실험에 사용된 통계적 방법은 Plackett-Burman design과 반응표면법(RSM)의 중심합성(CCD)을 이용하였다.
본 연구는 다량의 geldanamycin 생산을 위해 Streptomyces hygroscopicus가 geldanamycin을 가장 많이 생산할 수 있는 배지조건과 기본 발효 조건을 선정하고 기본 발효조건을 도출하였다. 일반적으로 geldanamycin을 많이 생산하는 배지인 M2배지와 geldanamycin 생산을 위해서 수정된 YEME의 11개의 배지성분들을 선정하여 Plackett-Burman method를 이용하여 이들 중 geldanamycin 생산에 양성인 요인들을 가려내었다. 통계적 신뢰 수준 99\%인 양성 요인 들은 glycerol, dextrin, yeast extract, bacto peptone, malt extract, $MgCl_2\cdot6H_2O$였다. 이들 중 glycerol, dextrin, yeast extract, malt extract를 선택하여 최적화 실험을 진행하였으나, 동량의 탄소원에 대해서 비교 배지인 M2보다 geldanamycin 생산량이 떨어졌다. 그리고 One Factor At a Time 실험 결과 Plackett-Burman method 실험에서 음성 요인으로 나타난 soytone과 glucose가 M2 배지에서는 geldanamycin 생산에 양성 요인인 것으로 나타났다.
이렇게 선택된 glycerol, glucose, soytone, 그리고 yeast extract는 2번의 중심합성 실험을 통해서 geldanamycin을 최대로 생산할 수 있는 농도를 얻을 수 있었다. RSM 모델 식은 equation (9)이며, 이 모델은 ANOVA 분석을 통해서 그 정확성을 알 수 있었다. 이 RSM 모델 식은 99\% 이상의 신뢰성을 가지고 있으며, F 값은 4.61로 선형 및 오차의 자유도가 14, 15인 도표상의 F 값 3.57보다 더 높은 값이 나왔으므로 더 높은 신뢰성을 가지고 있다고 할 수 있겠다. 그러나 $R^2$값이 0.811이므로 실제 실험값과 모델 식의 일치 정도가 81\% 정도이며 19\%의 오차가 발생 할 수 있음을 알 수 있었다. 추가 적인 실험을 통하여 $R^2$값이 0.9 이상이 되어야만 보다 더 실제와 가까운 모델 식을 얻을 수 있으리라 생각된다.
이 반응 표면법 모델로 얻은 geldanamycin을 최대로 생산해내는 최적화된 배지 성분들의 농도는 glycerol 50 g/l, soytone 8.6 g/l, yeast extract 2.7 g/l, glucose 11g/l 이며, 이 모델 식을 통해 예측된 geldanamycin 생산량은 938 mg/l 이고, 모델 식의 정확성 검증을 위해서 배지 조성을 glycerol 50 g/l, soytone 7.5 g/l, yeast extract 4g/l, glucose 11g/l에 실험한 결과 예측된 생산량은 862 mg/l 이며, 실제 geldanamycin 생산량은 864 mg/l로 M2배지의 생산량 432 mg/l보다 2배 정도 높은 것으로 확인 되었다.
