건국대 연구팀, 저칼로리 감미료 ‘타가토스’ 생산 효소 개발

설탕과 유사한 단맛 내면서도 혈당 낮아

건국대학교는 KU융합과학기술원 융합생명공학과 오덕근 교수 연구팀이 저칼로리 기능성 감미료인 타가토스를 과당에서 생산할 수 있는 효소를 개발하는 데 성공했다고 6일 밝혔다.

유제품에 소량 존재하는 천연 감미료 타가토스는 설탕과 유사한 단맛을 갖고 있음에도 혈당지수(GI)가 낮고 FDA에서 승인 받은 저칼로리 감미료이다.

타가토스는 항당뇨, 항비만, 항산화, 충치 예방 효과 등의 유익한 생물학적 효과로 인해 주목을 받고 있으나 유당에서 유래된 갈락토스를 원료로 하는 지금의 제조방법은 제조가격이 높아 대중화되는데 한계가 있다. 기존에 타가토스는 주로 엘-아라비노오스 이성질화효소(L-arabinose isomerase)에 의해 갈락토스에서 생산돼 왔다.

건국대 관계자는 “갈락토스는 자연에서 단독으로 존재하지 않고 포도당과 결합한 유당 형태로 존재하는데 유당 수급과 가격이 매우 불안정하다는 제약이 있다”며 “안정적인 공급과 저렴한 가격을 갖추고 있는 과당은 유당의 이상적인 대체재로 제안돼 왔으나 이전까지 과당으로부터 타가토스를 생산할 수 있는 효소는 발견되지 않았다”고 설명했다.

타가투로네이트 3-에피머라아제(tagaturonate 3-epimerase)

연구팀은 다양한 당전환 효소를 이용해 과당에서 타가토스로의 생산을 조사한 결과 유일하게 타가투로네이트 3-에피머라아제라는 효소가 과당으로부터 타가토스를 미량으로 생산 수 있음을 발견했다. 하지만 이 효소는 타가토스 생산을 위한 전환 활성이 낮다는 한계가 있어, 전환 활성을 높이기 위해 해당 효소를 개량하는 연구를 수행했다.

연구팀은 합리적 디자인 기술인 효소 활성 부위의 아미노산 상호작용 분석을 통해 과당-타가토스 전환 활성에 큰 영향을 미치는 아미노산을 찾아냈다. 유도진화 기술인 실수 유발 PCR 돌연변이 화법, DNA 뒤섞음 및 포화 돌연변이 화법 등과 같은 기법을 이용해 새로운 효소인 타가토스 4-에피머라아제를 개발했다.

타가토스 4-에피머라아제(tagatose 4-epimerase)

이 효소는 관련 아미노산 잔기 5개가 바뀜으로써 과당-타가토스 전환 활성이 184배 향상됐지만 프락투로네이트-타가투로네이트 전환 활성은 52배 감소했다. 최종적으로 타가토스 4-에피머라아제를 과당과 2시간 동안 반응시켜 산업적 적용이 가능한 수준인 213g/L의 타가토스를 생산해내는 데 성공했다.

오덕근 교수는 “타가토스를 미량 생산하는 타가투로네이트 3-에피머라아를 발견하고 단백질 공학 기술을 사용해 효소 활성을 획기적으로 높여 과당에서 타가토스를 생산하는 새로운 효소를 제작했다”며 “기존에 유당을 사용하는 방식을 대체하는 이상적인 타가토스 생산 경로가 마련돼 더욱 경제적인 타가토스 생산을 기대할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 기초연구사업(중견연구) 지원으로 수행했다. 화학공학 분야에서 권위 있는 국제 학술지인 ‘ACS catalysis’ (IF=12.350) 2020년 10권 19호에 게재 될 예정이다.