The adsorption characteristics of cellulase components was investigated and a mathematical model describing the adsorption process of cellulase complex was proposed, and attempts were made to elucidate the mode of action of cellulase components and to verify the synergistic effect of cellulase components.
The adsorption of cellulase enzyme on cellulose adsorbent represented well real behaviors of cellulase components and gave a clue to the understanding of the synergism of cellulase complex. The adsorption process was affected by reaction conditions-the degree of water swelling, agitation speed, the temperature, etc- and adsorbent characteristics. The mathematical model proposed, based on film-surface diffusion theory, agreed well with experimental results. It was found that intraparticle mass transfer resistance dominated the adsorption process of cellulase complex. Endoglucanase consisted of adsorbable and not adsorbable components on solid cellulose adsorbent. Cellobiohydrolase had strongest adsorption affinity. Each cellulase component had separately distinct adsorption site on cellulose chain, which coincided with active site in hydrolysis reaction.
Nevertheless, the competitive adsorption between cellulase components was observed in the adsorption process. The degree of competitive adsorption was most outstanding when the composition of cellulase components was nearly same at that in crude cellulase complex. The synergism between cellobiohydrolase and endoglucanase could be elucidated more clearly by this competitive adsorption model.
셀룰라제 복합체의 섬유소에 대한 흡착 성질은 아직 제대로 이해되지 못한 복잡한 현상을 내포하고 있기때문에, 섬유소 가수 분해의 연구 분야중 가장 연구하기 어렵고, 또한 이 현상은 불용성 섬유소의 가수 분해 반응이 일어나기위한 선행 단계이기 때문에 매우 중요하기도 하다. 섬유소 가수 분해 효소인 셀룰라제의 성분들 사이의 상승 작용 또한 여전히 논란의 대상이기도 하다.
본 연구에서는 셀룰라제 복합체의 흡착 현상에 대한 실험 결과를 토대로 하여, film-surface diffusion theory 에 근거한 수학적 모델을 제시하였고, 셀룰라제 성분들을 DEAE-Sephadex A-50 이온 교환 수지를 이용한 column chromatography를 통하여, endo-glucanase 와 cellobiohydrolase 로 분리해내어, 각 성분들의 흡착 성질을 조사하였 다. 그리고, 각 성분들 사이의 상호 작용에 근거하여 경쟁적 흡착 현상이 일어남을 밝혔으며, 이로부터 효소 성분들 사이의 상승 작용을 경쟁적 흡착 모델을 세워 설명하였다.
섬유소 물질에 대한 셀룰라제 효소의 흡착 현상은 셀룰라제 성분들의 실제의 행동을 잘 대변해 주었고, 셀룰라제 복합체의 상승 작용을 이해 할 수 있는 단서를 제공해 주었다. 흡착 과정은 반응 조건들 -물에 의한 부풀림 정도, 교반 속도, 온도, 등 -에 의해 큰 영향을 받았으며 섬유소 물질의 특성에 따라 큰 차이를 보였다. 셀룰라제 복합체의 흡착 과정은 실제로 입자내의 물질 전달 저항에 의해 좌우되었으며, 외부 표면 저항은 단지 초기 흡착 속도에만 영향을 끼쳤다. film-surface diffusion theory 에 근거하여 제시된 수학적 모델은 낮은 온도 에서는 실험 결과와 잘 맞았으나, 가수 분해 반응의 최적 조건하에서는 큰 편차를 보였다. 따라서, 효소의 흡착은 섬유소 입자 내의 모든 흡착 부위 에 고루 분포하여 일어나는 것이 아니라, 입자의 표면에 편중되어 일어나며, 가수분해 반응과 밀접하게 관련되어 있음이 밝혀졌다.
Cellobiohydrolase 는 셀룰라제 성분들 중에서 흡착 친화력 이 가장 강한 성분이었으며, Endo-glucanase 는 흡착되는 성분과 흡착되지 않는 성분으로 이루어져 있었다. 셀룰라제의 각 성분들은 각각 서로 다른 흡착 부위를 가지고 있었으며, 이들은 가수 분해 반응시의 활성 부위와 일치하였다. 그럼에도 불구하고, 셀룰라제 성분들 사이의 상호 작용으로 인하여 경쟁적 흡착 현상이, 섬유소 물질에 관계없이 일반적으로 관찰 되었다. 경쟁적 흡착도는 셀룰라제 성분의 조성이 천연 셀룰라제 복합체의 조성과 같을때, 가장 현저하게 증가하였다.
위의 실험 결과를 토대로 하여 셀룰라제 성분들의 상승 작용을 설명 해 줄 수 있는 "경쟁적 흡착 모델(The Competitive Adsorption Model)"을 정립하였다. 이 모델은 셀룰라제 각 성분들의 실제 행동 양식을 잘 나타내 주었으며, 각 성분들이 따로 존재할 때와 달리 함께 존재할때 활성도가 크게 증가할 수 있는가를 잘 설명해 주었다.
