아미코젠 - 유전자진화기술을 이용한 API효소 개발
Date 2019-04-08 16:16:37 페이스북으로 보내기 트위터로 보내기 hit 246
최수림
연구소장
아미코젠(주) 단백질정제연구소
amicogen@amicogen.com

기업개요


•기업명 : 아미코젠㈜
•대표이사 : 신용철
•설립일 : 2000.05.29
•홈페이지 : www.amicogen.com
•대표메일 : amicogen@amicogen.com
•주소 : 본사 및 진성공장 - 경상남도 진주시 진성면 동부로 1259번길 64
             문산1·2공장 - 진주시 문산읍 월아산로 950번길 14-10
                                   진주시 문산읍 월아산로 950번길 7-22
             서울지점 - 경기도 성남시 분당구 대왕판교로 700 코리아바이오파크 C동 601호
•전화번호 : 055-759-6161
•인력현황 : 168명(2018년 12월 말 기준)
•사업분야 : 산업바이오
•핵심기술 : 유전자진화기술, 단백질공학기술
•사업영역
   - 바이오(제약용 특수효소, GreenAPI사업, 환경용 특수효소)
   - 헬스&뷰티(건강기능성 원료 및 완제품 사업, 화장품 사업)
   - 정밀의약(인체용 및 동물용 원료의약 사업)

 

 

성장연혁


2000.05   아미코젠 주식회사 설립 (자본금 55백만원)
2004.05   다국적 제약사에 항생제 원료 생산용 특수효소(CA효소) 기술이전(약 100억원 규모)
2006.10   벤처기업대상 대통령표창 수상(산업자원부)
2009.05   대일수출 유망 100대 기업 선정(KOTRA, 지식경제부)
2011.12   세계일류상품 선정(N-아세틸글루코사민)-지식경제부
2012.10   무역의날 대통령상 수상
2013.09   한국거래소 코스닥상장, 수출 1천만불탑 수상
2014.07   ㈜셀리드 투자, Shandong Amicogen Biotechnology 설립
2015.01   아미코젠(중국)바이오팜유한회사 인수 (구. Shandong Lukang Record Rharmaceutical, LLC.)
                 ㈜아미코젠퍼시픽, ㈜스킨메드, ㈜클리노믹스 투자
2016.01   산업바이오, 헬스케어, 정밀의약 시너지 사업 확대
2017.08   캉마이천社와 중국 콜라겐 펩타이드 공장설립 MOU체결
2017.12   관계사 Bio-Works Technologies AB 상장(Firstnorth Nasdaq)
2019.02   관계사 ㈜셀리드 코스닥시장 상장

 


산업용 효소의 선두기업 아미코젠㈜

 

아미코젠㈜는 국내 대표적인 산업바이오(white biotechnology)기업이다[1]. 2000년 5월 설립 이후 핵심 기반 기술인 iDNA evolutionTM기술(유전자 진화기술, 미생물 배양기술, 효소공학 기술을 통합한 효소 플랫폼 기술)을 이용하여 제약용 특수효소 및 기타 산업용효소를 비롯한 각종 효소를 개발하여 전 세계에 수출하고 있다[2]. 아미코젠에서 생산된 효소제품은 300회 이상 재사용할 수 있어, 제품수율, 제조원가, 환경 비용 등 모든 면에서 기술 우위를 자랑한다. 대부분 세계 최대 원료의약 시장인 중국으로 수출하면서, 세계적인 기술을 보유한 효소전문기업으로 인정받았으며, 세계최대 원료의약품 생산국인 중국에서 의약용 효소 점유율 1위 사업자의 지위를 공고히 하고 있다.
산업용 효소 시장은 세계적으로 2016년 46억 1천만 달러에서 2021년 63억 2천만 달러로 증가될 것으로 전망된다[3]. 특히 의약, 섬유, 제지, 가죽 등의 전체적으로 다양한 분야에서 산업용 효소의 수요 증가가 예측된다. 이 중 산업용 효소가 잘 적용될 수 있는 것이 항생제 의약품 원료(active pharmaceutical ingredient, API) 시장이다. 베타-락탐(β-lactam)계 항생제인 페니실린(penicillin)계 및 세팔로스포린(cephalosporin)계 항생제는 의약품원료 전 세계 항생제 시장의 약 45%를 차지하고 있다. 이중 세팔로스포린계 항생제 시장은 2016년 778억 달러에서 2023년에는 1,998억 달​
러까지 증가할 것으로 보이며, 이 기간 동안 약 14.4% 성장률을 보여줄 것으로 예상되고 있다[4]. 항생제 원료의약품은 대부분 화학합성법으로 생산되고 있는데, 이 경우 고에너지 소비, 심각한 환경문제 유발, 낮은 생산수율, 불순물 오염 등으로 제약기업 뿐만 아니라 지구 환경적으로도 심각한 문제가 되고 있어 친환경적인 생산 공정이 요구되고 있다.



유전자 진화기술과 산업용 효소


2018년 10월 화학 노벨상은 조지 스미스(George Smith), 그레고리 윈터(Gregory Winter)와 함께 방향성 효소 진화(directed enzyme evolution)를 발명한 프랜시스 아놀드(Frances Arnold)에게 돌아갔다[5]. 자연계 진화는 수천 년에 걸쳐 유전자의 돌연변이를 통해 이루어지지만, 아놀드 박사는 이를 화학적 방법을 이용해 단시간에 자연계 진화와 동일한 직접적인 진화를 유발할 수 있음을 보여주었다[6]. 예를 들면, 효소 유전자에 무작위 돌연변이를 유발하여 박테리아에 도입하고, 만들어진 다양한 효소들 중에서 가장 효율적으로 촉매활성을 보이는 변이효소 만을 선별하는 과정을 거친다. 이 과정을 여러 번 반복하면 처음 시작했던 효소보다 수백배 이상 활성이 증가된 효소분자를 분리할 수 있게 된다(그림 1).

 

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그림 1. 무작위로 발생된 돌연변이 유전자를 이용하여 화학공정에 효율성이 높은 효소로 개량하는 과정


이 방법은 산업용 효소를 개발하기 위한 좋은 방법으로서 인정받고 있다. 왜냐하면 대부분 화학적으로 산업용 공정에 사용할 수 있는 촉매제를 만드는 것은 매우 어렵지만 효소는 기본 20개의 아미노산을 기반으로 수천 개의 단백질 빌딩 블록이 다양한 효소를 구성할 수 있어 유전자 진화기술을 이용하면 복잡한 화학 공정을 간단하게 줄이거나 유독물질을 쓰지 않으면서도 정밀하고 친환경적인 산업용 촉매 효소를 개발할 수 있기 때문이다.



유전자 진화기술을 이용한 cephalosporin acylase 개발


7-아미노 세팔로스포릭 산(7-amino cephalosporanic acid, 7-ACA)는 널리 사용되고 있는 베타-락탐계 항생제의 핵심 전구체 중 하나이다. 산업계에서는 주로 화학적 합성과 2 단계 효소법으로 생산되고 있다[7]. 특히, 2단계 효소법은 천연 세팔로스포린 C(cephalosporin C, CPC)를 가수 분해하여 생산하며, 산업용 규모에서 폐기물 양을 31kg (화학공정의 경우)에서 1kg 미만으로 크게 감소시키기 때문에 점차적으로 화학합성을 대체하고 있다[8]. CPC는 디아미노산 산화효소(D-amino acid oxidase, DAAO)에 의해 알파-케토아디필-7-아미노 세팔로스포릭 산(α-ketoadipyl-7-ACA)으로 산화되어 산소분자를 소비하고 부산물인 과산화수소(H2O2)를 생성한다. 이어서 알파-케토아디필-7-아미노 세팔로스포릭 산은 글루타릴-7-아미노세팔로스포릭 산(glutaryl-7-aminocephalosporanic acid, GL-7-ACA)으로 자발적으로 전환되고 GL-7-ACA는 글루타릴-7-아미노 세팔로스포릭 산 아실라아제(glutaryl-7-aminocephalosporanic acid acylase, GL-7-ACA acylase)에 의해 7-ACA로 가수분해된다.
그러나 2단계 효소법의 가장 큰 단점은 부산물인 과산화수소에 의해 DAAO 및 GL-7-ACA acylase의 반감기가 감소되고, 약해진 효소 안정성으로 인해 7-ACA 생산성이 낮아진다는 것이다[9]. 따라서 생산 원가는 여전히 높을 수밖에 없었다. 이에 2단계 효소법을 대체할 수 있는 세팔로스포린 C 아실라아제(cephalosporin C acylase, CPC acylase)를 이용한 1단계 효소법이 제안되었으나[10], 낮은 전환율 때문에 산업공정에 적용하기에는 제한이 있었다(그림 2).

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그림 2. 7-Amino cephalosporanic acid (7-ACA)를 생산하기 위한 1단계 효소공법


아미코젠에서는 베타-락탐 링 구조를 인식하는 GL-7-ACA acylase를 대상으로 ‘다양한 구조의 곁가지(side chain)’를 인식할 수 있는 1단계 효소를 개발하고자 직접 효소 진화(directed enzyme evolution)를 진행하였다. 더불어 최대의 활성을 얻기 위해 베타-락탐 구조를 포함하는 핵 부분(nucleus side)을 정확히 인식하도록 효소를 개량하였다[11]. 좀 더 자세히 설명하면, 아래 그림의 기질 구조에서 기질은 공통적으로 ‘베타-락탐 링’이라는 구조를 가지고 있고 여기에 다양한 구조의 곁가지를 가지고 있는데 1단계 합성효소는 이런 합성기질을 자물쇠-키 방식으로 인식하여 촉매 작용을 하도록 하는 것이다. 이러한 전략을 사용하여 GL-7-ACA acylase를 유전자 진화시켜 1단계 7-ACA 생산용 CPC acylase를 개발하였다(그림 3).

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그림 3. 유전자 진화를 통한 7-ACA 생산용 1단계 CPC acylase 개발



1단계 효소공법으로 인한 경제적·환경적 효과


1단계 효소의 효과를 정리하면 아래와 같다. 아래 자료는 2008년 리차드 박사의 논문을 토대로 계산되었다[12]. 1단계 효소법의 결과를 적용하여 계산하면, 화학합성법에 비해서 당사 1단계 효소법은 생산수율 17.6% 증가, 전체 에너지 소비 50.6% 감소, 폐기물처리 에너지 60.6% 감소, CO2 방출 59.2% 감소된다. 2단계 효소법에 비해서 당사 1단계 효소법은 생산수율 22.9% 증가, 전체 에너지소비 23.1% 감소, 폐기물처리 에너지 23.1% 감소, CO2 방출 23.1% 감소된다. 당사 1단계 효소법은 생산수율이 높고 여러 가지 비용이 줄어들기 때문에 제조원가를 상당히 낮출 수 있는 기술이다. 1단계 효소를 사용하여 화학합성법에 비하여 약 50%, 2단계 효소법에 비하여 약 30%의 원가절감 효과를 기대할 수 있다(그림 4).

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그림 4. 1단계 효소공법(CX)의 경제적·환경적 기대효과

 


산업용 효소사업의 다각화


아미코젠에서는 항생제 원료의약품(API) 생산효소 외에 다양한 산업용 효소를 성공적으로 개발해오고 있다. 생산성을 약 2천배 이상 향상시킨 키틴나아제(chitinase)를 개발하여 ‘천연 N-아세틸글루코사민’(2011년 ‘세계일류상품’ 선정)
을 상용화하고 국내뿐만 아니라 일본, 미국 등으로 수출하고 있으며, 차별화된 효소기술을 활용하여 천연혈당강하/대사질환 예방 및 개선 소재인 D-카이로이노시톨/피니톨, 피부미용소재인 콜라겐 펩타이드, 항산화 신소재인 라이코펜 및 후코잔틴, 곡물발효효소 등을 상품화하였다.
한편으로는 국내 효소 연구자와의 활발한 교류를 통해 다양한 효소의 사업화를 진행해 오고 있다. 최근에는 바이오디젤 생산용 리파아제 효소의 사업화에 성공하였고, 인삼의 주요 성분인 프로토파낙사디올(Protopanaxadiol, PPD)을 컴파운드 K(compound K)로 100% 전환하는 효소 기술을 이전받아 사업화를 수행 중에 있다.


참고문헌
1. http://www.amicogen.com
2. Method for generating recombinant DNA library using unidirectional single-stranded DNA fragments. US 6955879, JP 3777158
3. Chapman j, Ismail AE, Dinu AE. Industrial Applications of Enzymes: Recent Advances, Techniques, and Outlooks. Catalysts 2018, 8, 238-264
4. https://www.alliedmarketresearch.com/cephalosporin-market
5. https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2018/press-release
6. Chen, K, Arnold, FH Tuning the activity of an enzyme for unusual environments: sequential random mutagenesis of subtilisin E for catalysis in dimethylformamide. Proceedings of the National Academy of Sciences 1993, 90(12) 5618–5622
7. Pollegioni L, Rosini E, Molla G. Cephalosporin C acylase: dream and(/or) reality. Appl Microbiol Biotechnol. 2013, 97(6), 2341-2355
8. Gröger H, Pieper M, König B, Bayer T, Schleich H. Industrial landmarks in the development of sustainable production processes for the β-lactam antibiotic key intermediate 7-aminocephalosporanic acid (7-ACA). Sustainable Chemistry and Pharmacy 2017, 5, 72-79
9. Hardianto D, Royani JI, Safarrida A. Cephalosporin C Acylase from Microbes for One-step Enzymatic Transformation of Cephalosporin C to 7-Aminocephalosporanic Acid. Journal of Pure and Applied Microbiology 2016, 10(4), 2495-2499
10. Pollegioni L et. al. Evolution of an acylase active on cephalosporin C Protein. Science 2005, 14, 3064–3076
11. A mutant enzyme for production of cephalosporin antibiotics. KR 10-1728906, CN103937764B
12. Richard K. Henderson et. al. EHS & LCA assessment for 7-ACA synthesis. Industrial Biotechnology 2008, 4(2), 180-192