공업화학 (Applied Chemistry for Engineering)

  • 제18권6호
  • /
  • Pages.643-649
  • /
  • 2007
  • /
  • 1225-0112(pISSN)
  • /
  • 2288-4505(eISSN)
한국공업화학회 (The Korean Society of Industrial and Engineering Chemistry)
권호 표지

초임계 이산화탄소에서 리파아제-효소를 이용한 부탄올 구조이성질체의 에스테르화 반응의 분자 동역학 연구

Molecular Dynamics Simulation Study of Lipase-catalyzed Esterification of Structural Butanol Isomers in Supercritical Carbon Dioxide

  • 권정훈 (고려대학교 화공생명공학과) ;
  • 정정영 (고려대학교 화공생명공학과) ;
  • 송광호 (고려대학교 화공생명공학과) ;
  • 김선욱 (고려대학교 전기전자전파공학부) ;
  • 강정원 (고려대학교 화공생명공학과)
  • Kwon, Cheong-Hoon (Department of Chemical and Biological Engineering, Korea University) ;
  • Jeong, Jeong-Yeong (Department of Chemical and Biological Engineering, Korea University) ;
  • Song, Kwang Ho (Department of Chemical and Biological Engineering, Korea University) ;
  • Kim, Seon Wook (The School of Electrical Engineering, Korea University) ;
  • Kang, Jeong-Won (Department of Chemical and Biological Engineering, Korea University)
  • 투고 : 2007.11.14
  • 심사 : 2007.11.27
  • 발행 : 2007.12.10
PDF 다운로드
⟨ 이전 논문 다음 논문 ⟩

초록

부탄올의 구조이성질체(n-, iso-, sec-, tert-butanol) 와 n-부티르산에 대한 리파아제 효소.촉매 에스테르화 반응이 초임계 이산화탄소 조건 하에서 수행되었다. 본 실험은 교반속도 150 rpm, 반응 온도 323.15 K, 반응 압력 150 bar의 조건으로 고압반응기에서 5 h 동안 수행하였다. 실험에 사용된 리파아제는 Candida Antarctica lipase B (CALB)이다. 실험 결과는 HP-INNOWax 컬럼을 이용하여 FID (Flame Ionization detector)가 장착된 기체 크로마토그래피(Gas Chromatography, GC)를 이용하여 분석하였다. 반응 후 생성물의 전환률과 반응의 경향성을 분자동역학 시뮬레이션을 이용하여 예측된 결과와 정성적으로 비교하였다. 경쟁적인 저해반응이 포함된 Ping-Pong Bi-Bi 메커니즘을 기초로 하여, 반응의 각 단계를 적용하여 구조 최적화를 하였고 이를 이용해 전이상태의 에너지를 구하여 반응의 경향성을 예측하였다. 생성되는 에스테르 이성질체의 구조적 선호도는 분자동역학 시뮬레이션을 통하여 분석하였다. 이러한 방법의 개발은 앞으로 컴퓨터를 이용한 효소 반응의 설계에 유용하게 사용될 수 있을 것이다.

Lipase-catalyzed esterification of structural butanol isomers and n-butyric acid was investigated in supercritical carbon dioxide. The experiments were performed in a high pressure cell for 5 hrs with a stirring rate of 150 rpm at 323.15 K and 130 bar. The Candida Antarctica lipase B (CALB) was used in whole system as a catalyst. The experimental results were analyzed by GC-FID using a INNOWax capillary column. The conversion yield and the tendency of the esterification in supercritical carbon dioxide were compared with estimated results by molecular dynamics simulation. Based on the Ping-Pong Bi-Bi mechanism with competitive inhibition, each step of the reaction was optimized; using this result the transition state was predicted. Conformational preference of isomers was also analyzed using molecular dynamics simulations. This kind of approach will be further extended to the prediction of enzyme-catalyzed reactions using computers.

키워드

과제정보

연구 과제 주관 기관 : 한국학술진흥재단

참고문헌

  1. J. F. Cramer, M. S. Dueholm, S. B. Nielsen, D. S. Pedersen, R. Wimmer, and L. H. Pedersen, Enzyme Microb. Technol., 41, 346 (2001)
  2. M. M. Shamel, K. B. Ramachandran, M. Hasan, and S. Al-Zuhair, Biochem. Eng. J., 34, 228 (2007)
  3. A. Chojnacka, R. Obara, and C. Wawrzenczyk, Tetrahedron:Asym- metry, 18, 101 (2007)
  4. A. J. Mulholland, Drug Discov. Today, 10, 1393 (2005) https://doi.org/10.1016/S1359-6446(05)03611-1
  5. D. F. Taber, M. Xu, and J. C. Hartnett, J. Am. Chem. Soc., 124, 13121 (2002) https://doi.org/10.1021/ja020816v
  6. I. Vallikivi, Ü. Lille, A. Lookene, A. Metsala, P. Sikk, V. Tõugu, H. Vija, L. Villo, and O. Parve, J. Mol. Catal. B: Enzym, 22, 279 (2003) https://doi.org/10.1016/S1381-1177(03)00043-2
  7. S. H. Krishna and N. G. Karanth, Biochimica et Biophysica Acta, 1547, 262 (2001) https://doi.org/10.1016/S0167-4838(01)00194-7
  8. S. Raza, L. Fransson, and K. Hult, Protein Science, 10, 329 (2001) https://doi.org/10.1110/ps.33901
  9. J. Gao, S. Ma, D. T. Major, K. Nam, J. Pu, and D. G. Truhlar, 2006. Chem. Rev., 106, 3188 (2006) https://doi.org/10.1021/cr050293k
  10. I. Vallikivi, L. Fransson, K. Hult, I. Järving, T. Pehk, N. Samel, V. Tugu, L. Villo, and O. Parve, J. Mol. Catal. B: Enzym., 35, 62 (2005) https://doi.org/10.1016/j.molcatb.2005.05.008
  11. M. J. Field, J. Comput. Chem., 23, 48 (2002) https://doi.org/10.1002/jcc.1156
  12. C. I. Sainz-Diaz, G. Wohlfahrt, E. Nogoceke, A. HernAndez- Laguna, Y. G. Smeyers, and U. Menge, Theochem-J. Mol. Struct., 390, 225 (1997)
  13. G. Monard, X. Prat-Resina, A. González-Lafont, and J. M. Lluch, Inter. J. Quantum Chemistry, 93, 229 (2003)
  14. M. Garcia-Viloca, D. G. Truhlar, and J. Gao, Biochemistry, 42, 13558 (2003)
  15. C. H. Kwon, D. Y. Shin, J. H. Lee, S. W. Kim, and J. W. Kang, J. Microbiol. Biotechnol, 17, 1098 (2007)
  16. J. Uppenberg, M. T. Hansen, S. Patkar, and T. A. Jones, Structure, 2, 293 (1994)
  17. HyperChem Release 7.0 for windows. Hypercube Inc. (2002)
  18. A. Magnusson, Thesis, School of Biotechnology, Royal Institute of Technology, Sweden (2005)
  19. CAChe Workspace Ver. 6.1. Fujitsu, (2003)
  20. J. J. P. Stewart, J. Comput. Chem., 10, 209 (1989) https://doi.org/10.1002/jcc.540100208
  21. Discovery Studio Modeling version 1.7. Accelrys Inc. (2007)
  22. S. K. Son, Master Thesis, Korea University, Seoul, Korea (2006)