earticle

영어

A microbial strain having high keratinase activity was isolated from the soil of poultry factories of Gyeonggi or Chungcheong-do. The isolated strain was identified as Bacillus sp. based on its morphological and biochemical characteristics. In this study, the optimal conditions for the production of keratinase by this strain were investigated. The optimal medium composition for the keratinase production was determined to be 3.5% chicken feather as carbon source, 1.0% tryptone as organic nitrogen source, 1.0% KNO3 as inorganic nitrogen source and 0.05% KCl, 0.05% KH2PO4, 0.03% K2HPO4 as mineral source and 0.01% yeast extract as growth factor. The optimal temperature and pH was 40℃ and 8.5 with shaking culture (200 rpm), respectively. The maximum keratinase production reached to 123 units/ml after 42 hr of cultivation under the optimal condition. When the hair was used as the sole carbon source, the maximum enzyme activity was 88 units/ml after 120 hr and in this case, the hair added in the medium was not degraded completely but got thinner than the control by 20%.

한국어

Keratin은 불용성의 단백질로 사람의 머리카락과 손톱 및 조류의 feather를 구성하는 대표적인 물질이다. 이러한 keratin은 물리적, 화학적으로 강하여 보통의 단백질과는 달리 부패되지 않고 여러 가지 화학약품에 대하여 저항력 이 있으며 물리적 강도 또한 높다. Keratin의 물리 화학적 안정성은 keratin의 구조적인 특이성에서 기인한다. Keratin 은 cysteine 함량에 따라서 soft keratin과 hard keratin으로 구분되며, soft keratin은 cysteine 함량이 약 10%이하이며 피부 등의 keratin이 여기에 포함되며, hard keratin은 cysteine 이 약 10∼14%로 disulfide 결합이 많은 머리카락, 손발톱, 뿔, 발굽, 양털, 깃털 등이 이에 속한다 [1]. Keratin은 구조적 으로 polypeptide chain이 supercoiled된 상태에서 α-helix (α-keratin)나 β-sheet (β-keratin)의 구조로 단백질 사슬이 매우 단단하게 쌓여있으며, polypeptide chain사이에 수많 은 disulfide 결합과 수소결합 및 소수성결합 등이 존재하 기 때문에 매우 안정하며 [2], 단백질 분해 효소에 대한 저 항성이 매우 크다 [3]. Chicken feather를 분해하는 미생물이 생산하는 특이적인 protease를 keratinase 또는 keratinolytic protease라고 하는데, 이 효소들은 매우 compact한 기질을 분해한다는 측면에서 다른 protease 또는 peptidase와 구별 되어 진다 [4]. 그리고 유도효소인 keratinases를 생산 시 대부분 탄소원으로 chicken feather를 사용한다 [5]. 가금류의 feather는 생물학적으로 난 분해성 단백질인 keratin으로 구성되어 있다 [6]. 가금류 도축과정의 부산물 로 발생되는 가금류 폐기물은 국내의 고압, 가열처리하여 건조, 분쇄한 후 우모분 사료로 사용되고 있다. 그러나 공정 상 에너지의 소모가 많고 처리 과정에서 필수 아미노산의 손실을 야기하며 사료로 사용 시 동물의 소화관 내에서 낮은 소화율을 나타내는 단점이 있다 [7,8]. 이러한 단점을 극복 하기 위하여 미생물이 생산하는 keratinase를 산업적으로 이 용하고자 하는 많은 노력들이 시도되고 있다 [9,10]. 모발은 모표피, 모피질, 모수질의 3층으로 구성되어 있고 대부분 (80∼90%)이 keratin으로 되어 있으며 나머지는 지 질, 수분, melanin색소, 미량원소 (trace elements)로 이루어 져 있고 [9,4,10], 14∼18%의 cystine 아미노산을 함유하 고 있는데 cystine의 이황화 결합은 모발에 유연성을 부여 한다. 모표피는 약 5∼10개의 cuticle cell로 구성되어 있으 며 모발의 장축에 따라 납작하게 뻗어 있다. cuticle cell은 외측으로부터 epicuticle, exocuticle, endocuticle으로 되어 있고, 큐티클 층의 기능은 피질을 둘러싸서 물리적 자극으 로부터 모피질의 손상을 방지하는 역할을 하고, 손상되지 않은 큐티클 표면은 빛을 굴절시키고 모발의 마찰력을 줄여 준다 [11]. Epicuticle는 큐티클세포의 세포막으로서 모발 에 윤기를 갖게 해준다. Epicuticle와 exocuticle은 cysteine 성분이 많이 존재하고 있고 높은 교차결합으로 물리적으로 강한 부위이다 [12]. Endocuticle은 모표피의 가장 안쪽에 위치하고 있는 부분으로 양면 접착테이프와 같은 세포막 복합체 (cell memberance complex, CMC)로 한쪽은 인접한 모피질을 밀착시키고 다른 한쪽은 외표피의 틈과 중첩되어 있다 [13]. 모피질 (cortex)은 모발에서 가장 중요한 부분으 로 모발의 약 85∼90%를 차지하고 있으며 모발섬유 방향과 평행한 원통형의 macrofibril이 다수 모여 모피질 세포를 이룬 결정영역과 세포 간 결합물질인 비 결정영역으로 구성 되어 있다 [14]. 모발 시술 시 환원제와 염모제와 같은 화학 약품은 세포막복합체 (cell membrane complex, CMC)의 틈 으로 침투하게 되어 모발의 단백질 구조를 변화시키는데 이 로 인해 모발은 윤기가 없고, 내부의 수분과 간충 물질의 유 출로 인해 건조하고 푸석푸석하며, 탄력성이 떨어진다 [15]. 그런 상태에서 반복 화학적 시술을 할 경우 손상은 더욱 가속화되어 퍼머넌트 시술 시 컬의 탄력성이 떨어지고 염색 시 색상의 유지력이 짧으며 염착력이 저하된다. 또한 환경 오염에서 오는 공해와 스타일링 제품 속 화학약품의 잔류 는 모발을 오염시켜 큐티클을 들뜨게 하고 윤기를 상실시 키며 질감을 거칠게 하는 문제를 발생시킨다 [16]. 또한 정 상모발이라 할지라도 오구가 붙어있으면 매끄럽지 못하다. 이러한 모발의 문제점을 해결하기 위하여 keratinase를 모발 에 처리하면 오구가 제거되며, 이때 모피질까지는 손상시 키지 않으면서 모발 표피부분을 부분 분해함으로 퍼머넌트 시술의 효율을 높이는 것을 예비실험에서 확인하였다. 따라 서 모발을 매끄럽게 하거나 퍼머넌트와 같은 모발 시술 전 처리제로 keratinase를 사용하여 모표피를 부분 분해할 경우 모발의 손상을 줄이면서 원하는 퍼머넌트 시술을 효과적으 로 수행할 수 있겠다. 본 연구에서는 whole chicken feather를 분해할 수 있는 높은 keratinolytic protease를 생산하는 균주를 screening 하고 keratinase의 생산을 최적화하고 모발의 개선효과 및 모발 화장품으로 응용 가능성을 보고자 모발과 배양 시 모발 이 분해되는 것을 확인하였다.