Redox biocatalysts can accelerate many valuable reactions for the synthesis of high-valued, fine compounds, which can not be accomplished by conventional chemical catalysts. Those biocatalysts or oxidoreductases critically require cofactors such as NAD(P)H for the redox reactions. Due to the economical infeasibility of stoichiometric use of cofactors, their regeneration is a key issue for their application to redox reactions. Among many approaches for the regeneration of cofactors, electrochemical method has advantages over enzymatic method because of simple and clean characteristics enabling no addition of electron donor or acceptor, no by-product. However, the electrochemical method suffers from its low efficiency arising from the short-range electron transfer that occurs only between electrode surface and cofactors. In this thesis study, it has been found that the low rate of electrochemical reduction of cofactors can be greatly enhanced by the presence of metal nanoparticles, especially platinum. The increased reduction rate was dependant on the concentration of nanoparticles and the stirring rate of reaction medium. The mechanism of catalytic activity of platinum nanoparticle was studied by cyclic voltammetry. Further, enzymatic synthesis of glutamate coupled with the electrochemical regeneration of NADH was successfully accomplished, resulting continuous conversion of reaction substrate proportional to the concentration of platinum nanoparticle.
니코틴아미드 보조인자는 생물에서 일종의 에너지 전달물질로써의 역할을 한다. 이 보조인자들은 산화환원효소에 속하는 효소들이 반응을 수행하는데 있어서 필수 불가결한 요소인데, 산화환원효소들은 합성공업에 있어서 화학촉매들이 수행할 수 없는 다양한 반응을 수행할 수 있다는 점에서 매우 가치가 높다. 하지만 보조인자의 비싼 비용 때문에 산화환원효소의 반응에 따르는 화학양적인 보조인자의 활용은 경제적으로 적합하지 않다. 그러므로, 효소반응에 대해 활성을 갖는 보조인자 1,4-NADH의 효율적인 재생은 산화환원 효소의 공업적인 활용에 있어서 필수적인 과제이다.
현재까지 개발되어온 많은 방법들 중에, 전기화학적 방법은 값싸고 깨끗한 전기를 에너지원으로 활용함으로써 부산물을 형성하지 않는다는 장점이 있어 매우 유망하게 평가 받고 있다. 하지만 이 방법은 오직 에너지원인 전극 표면의 주변에서만 반응이 일어남으로 인해 재생반응의 속도가 낮다는 단점이 있다. 전극에서 나온 전자는 먼 거리를 여행하지 못하기 때문에 일어나는 현상이다. 더욱이, 직접적인 전기화학적 방법은 전극으로부터 $NAD^+$ 에의 느린 전자전달 속도로 인해 이합체$(NAD_2)$ 나 이성질체(1,2-NADH or 1,6-NADH)와 같이 산화환원효소의 반응에 활성을 띄지 않고 가역적이지도 않은 상태의 물질을 형성하게 된다. NAD의 1,4-NADH로의 환원에 대해 선택성이 높은 Organometallic 화합물인 $[Cp^*Rh(bpy)Cl]Cl$ 의 도입으로 $NAD^+$ 가 환원되기 어려운 낮은 전압에서 1,4-NADH를 얻을 수 있게 되었으나 여전히 전기화학적 방법의 전극표면에 의존적인 재생률은 향상되지 않았다. 이러한 맥락에서 우리는 전도성 바나디아-실리카 솔-젤 복합소재를 이용한 전기화학 생물반응기를 도입한 바가 있다. 전도성 젤은 전극과 연결되어 확장된 전극으로써 기능함으로 인해 반응기 전체에서 반응이 일어나 반응 속도가 크게 향상된 바가 있다.
본 연구에서는, 앞선 연구에서와 같은 전도성 물질의 도입이라는 취지 하에 전도성 금속 나노입자들을 사용하였다. 일련의 실험들을 통해서, 금속 나노 입자의 새로운 전기화학적 촉매기능이 밝혀졌다.
1. 1차적인 매개체 $[Cp^*Rh(bpy)H_2O]$이 존재할 때, 백금, 팔라듐, 금, 은의 4가 지 전도성 입자들 중 백금이 가장 높은 촉매효율을 나타냈다.
2. 촉매로서의 활성은 나노 사이즈의 잘 분산된 입자에 대해서만 나타났으며 마이크로 사이즈의 입자에 대해서는 촉매기능이 나타나지 않았다.
3. 나노입자 주위에 음이온이 존재하면 촉매 활성이 떨어지는 것으로 나타났다.
4. 나노입자의 농도에 비례하여 촉매 활성이 증가하였다.
5. 촉매 활성은 입자의 유동성에 크게 영향을 받았다. 반응기의 교반 속도에 크게 비 례하여 촉매 효율이 나타났는데, 이는 전극과 입자 사이의 관계가 나노입자의 입자 성에 의해 확산의 영향을 받는다는 것을 의미한다.
이와 같이, 금속 나노입자는 homogeneous catalyst 이면서, 1차 매개체 $[Cp^*Rh(bpy)H_2O]$ 의 존재하에 NADH 재생에 대해 2차 매개체로 사용되어 proton과 electron을 전달하는 기능을 수행함으로써 NADH의 재생속도가 크게 향상되었다. 금속 나노입자들은 proton의 농도가 적은 높은 pH의 조건에서도 NAD나 다른 화학물질을 환원시키는데 사용될 수 있을 것이다.
