Lipases represent a versatile class of biocatalysts with numerous potential applications in industry, including the production of biodiesel via enzyme-catalyzed transesterification. Nevertheless, relatively slow enzyme reaction rates caused by poor interaction between the lipase and lipid hinder the utilization of lipases for industrial biodiesel production. In this article, we have investigated the performance of NKC-M37-MAT, a variant of Photobacterium lipolyticum M37 lipase engineered by fusion with an amphipathic peptide and a coiled-coil peptide. We tested its performance with a series of esters as well as triglycerides. Compared with wild-type M37 lipase, the NKC-M37-MAT lipase showed consistently higher catalytic activity-about 54-fold higher with an olive oil substrate-and substantially reduced the biodiesel production time from 30 to 6 h. Differences in the observed rates for wild-type M37 and NKC-M37-MAT are related to surface properties of the lipase and the conditions at the interface between the lipase and lipid substrates.
리파아제는 지방의 에스테르 결합을 가수분해하는 효소로써, 지방의 가수분해 뿐만 아니라 반응 조건에 따라서 지방 이외의 다양한 에스테르 화합물의 가수분해를 수행할 수 있으며, 에스테르 합성반응과 트랜스에스테르화 반응 등 다양한 효소전환 반응을 촉매 할 수 있기 때문에 제약산업, 정밀화학산업, 식품산업 등에서 널리 이용되고 있다. 리파아제의 효소개량을 통해 산업적으로 유용한 신규 변이 효소를 개발하고자 metagenomics, directed evolution, enzyme immobilization을 비롯한 다양한 시도가 이루어지고 있지만 그 효과는 아직 미미한 실정이다.
본 연구에서는 Photobacterium lipolyticum M37리파아제의 N-말단에 양친매성 펩타이드 (amphipathic peptide)를, C-말단에 다중합 펩타이드 (coiled-coil peptide)를 결합시켜 소수성 기질에 대한 접근성을 극대화 시킴으로써 효소 활성을 wild-type 대비 약 54배 가량 증가시킨 산업적으로 매우 유용한 슈퍼 리파아제인 NKC-M37-MAT 을 개발하였다.
양친매성 펩타이드는 리파아제를 수상 (water phase)에서 지질-물 계면 (lipid-water interface)으로 빠르게 이동 시킴으로써 소수성 기질 주변으로의 리파아제의 농도를 증가시키고 이로 말미암아 전체 기질-효소 반응속도 증가를 꾀하였다. 아울러 다중합 펩타이드는 리파아제를 다중합체로 만듦으로써 리파아제가 기질에 대해 협력적 반응 (cooperatively interaction)을 꾀하였으며, 양친매성 펩타이드와 상조적으로 기질에 대한 접근성을 극대화 시켰다.
이를 통해 구축한 슈퍼 리파아제 (NKC-M37-MAT)를 바이오 디젤 생산에 응용한 결과, 기존의 바이오 디젤 생산 시간을 30시간에서 8시간으로 전체 공정시간을 약 80%이상 단축시키는 성과를 이룰 수 있었다.
이러한 양친매성 펩타이드와 다중합 펩타이드를 이용한 효소개량 방법은 효소의 활성을 극대화 시킬 수 있는 방법으로써, 바이오 디젤 생산 뿐만 아니라 소수성 기질을 이용하는 다양한 산업적 유용 화합물의 산업적 대량 생산에 매우 유용하게 사용될 수 있음을 보여주고 있다.
