Regioselective Enzymatic Esterification of Glycerol with Medium Chain Fatty Acids

Abstract

The medium chain fatty acids (MCFAs), which are by-products from the established biotransformation pathway, were esterified with glycerol using lipases to synthesize monoacylglycerol (MAG), which is used as an antimicrobial agent and emulsifier. Among the lipases used, IM-CALB showed the highest synthesis rate and yield of MAG synthesis in all substrates. The yield of MAG synthesis was further improved by optimizing the reaction conditions thereafter. In the case of Lipozyme IM-20 and Lipase G, the range of substrate specificity was narrower than that of CALB. In addition, Lipase G showed much slower reaction rate than CALB. However, DAG was rarely produced unlike CALB, resulting in high selectivity for MAG synthesis. In the presence of water, CALA, which is a lipase favoring the glycerolysis reaction than hydrolysis, was investigated. However, there was a problem that the reaction activity and the selectivity for the synthesis of glyceryl monoheptanoate were low. In order to solve this problem, CALA was expressed in E. coli since it was deemed necessary for further studies such as enzyme structure modeling. To increase the expression level of functional forms, various E. coli strains were used and the CAT sequence was inserted into 3'UTR, but the effect was insignificant. This study suggested several approaches to synthesize high purity of MAG. Also, the established pathway from long chain unsaturated fatty acid to MCFA was extended from naturally existing plant oil to MAG. This may contribute to the development of a lipase which is capable of catalyzing the transesterification in water-abundant system in further researches.;기존 생물전환경로에서 생성되는 부산물인 중쇄지방산을 리파아제를 이용해 글리세롤과 결합시켜 항균제와 유화제로 사용되는 MAG을 합성시켰다. 사용한 리파아제 중 IM-CALB가 모든 기질에서 합성 속도가 가장 빠르고 높은 MAG 합성 수율을 보였다. 이후에 반응 조건을 조절해주어 MAG 합성 수율을 더욱 향상시켰다. Lipozyme IM-20과 Lipase G의 경우엔 CALB에 비해 기질의 범위가 좁은 것으로 나타났다. 더하여 Lipase G는 CALB에 비해 반응 속도가 확연히 느렸다. 하지만 CALB와 달리 DAG을 거의 생성하지 않아 MAG 합성에 대한 선택성이 매우 높다는 장점이 있었다. 물이 존재하는 반응 조건에선 가수분해보다 glycerolysis 반응에 더 우세한 리파아제인 CALA를 발견했다. 하지만 반응 활성이 낮고 glyceryl monoheptanoate 합성에 대한 선택성이 낮다는 문제가 있었다. 이 문제를 개선하기 위해선 효소 구조 모델링과 같은 후속 연구가 필요하다고 판단되어 CALA를 E. coli에서 발현했다. Functional form의 발현량을 높이기 위해 다양한 E. coli 균주를 사용하고 3'UTR에 CAT sequence를 도입했으나 그 효과는 미미했다. 본 연구에서는 고순도의 MAG을 합성하기 위한 몇 가지 접근 방식을 제시했다. 여기에 더하여, 불포화지방산에서부터 중쇄지방산까지의 기존 생물전환경로를 식물성 오일에서부터 MAG까지로 확장시켰다. 이는 앞으로 물이 존재하는 환경에서 transesterification 반응을 촉매할 수 있는 리파아제가 개발되는 데 기여할 수 있을 것이라 사료된다.