미생물에 의한 카로티노이드 생산; 생물학적 기능성 및 상업적 적용

Microbial Production of Carotenoids: Biological Functions and Commercial Applications

Carotenoid는 isoprenoid 화합물로써 3-15개의 이중 결합이 결합된 긴 polyene 구조를 가지며, 이러한 구조적 특성에 의해 최대 흡수파장대가 결정된다. 카로티노이드는 전형적으로 $C_{40}$ 탄화수소 골격으로 이루어져 있으며, 그 중에는 산소를 포함하고 있는 작용기로 인해 cyclic 또는 acyclic의 크산토필을 형성하기도 한다. 현재 대부분의 세계 시장을 점유하고 있는 합성 카로티노이드의 대안을 찾기 위해 천연물(식물, 미생물, 갑각류 부산물) 유래의 카로티노이드를 생산 및 활용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 그럼에도 불구하고, 오직 몇몇 카로티노이드(${\beta}-carotene$, lycopene, astaxanthin, canthaxanthin, lutein)만이 천연물 소재에서 분리 또는 발효되어 상업적으로 이용된다. 카로티노이드가 만성질환 예방 및 발암 억제 작용에 효과가 있음이 밝혀지면서 카로티노이드 시장이 급격히 증가하였다. 사료, 기능성 식품 및 의약품 소재로써의 카로티노이드의 중요성이 증가함에 따라 카로티노이드 생산법에 대한 연구가 진행되었으며, 이러한 관점에서 미생물 및 식물을 이용한 대사공학적 접근법에 의한 카로티노이드 대량생산법을 개발하게 되었다. 본 논문에서는 생산 균주, 대사공학 적용에 따른 대량 생산 방법, 생물학적 작용기전 및 산업적 이용을 중심으로 설명하고자 한다.

Carotenoids are isoprenoids with a long polyene chain containing 3 to 15 conjugated double bonds, which determines their absorption spectrum. They typically consist of a $C_{40}$ hydrocarbon backbone often modified by different oxygen-containing functional groups, to yield cyclic or acyclic xanthophylls. Much work has also been focused on the identification, production, and utilization of natural sources of carotenoid (plants, microorganisms and crustacean by-products) as an alternative to the synthetic pigment which currently covers most of the world markets. Nevertheless, only a few carotenoids (${\beta}-carotene$, lycopene, astaxanthin, canthaxanthin, and lutein) can be produced commercially by fermentation or isolation from the small number of abundant natural sources. The market and demand for carotenoids is anticipated to increase dramatically with the discovery that carotenoids exhibit significant anti-carcinogenic activities and play an important role in the prevention of chronic diseases. The increasing importance of carotenoids in the feed, nutraceutical food and pharmaceutical markets has renewed by efforts to find ways of producing additional carotenoid structures in useful quantities. Because microorganisms and plants synthesize hundreds of different complex chemical carotenoid structures and a number of carotenoid biosynthetic pathways have been elucidated on a molecular level, metabolic and genetic engineering of microorganisms can provide a means towards economic production of carotenoid structures that are otherwise inaccessible. The aim of this article is to review our current understanding of carotenoid formation, to explain the perceived benefits of carotenoid in the diet and review the efforts that have been made to increase carotenoid in certain microorganisms.