AOT-역미셀계의 미셀상호작용에 미치는 Thiols의 소수성의 영향

최진성, 이은주, 전성균*, 박윤열**, 이성식

동아대학교 화학공학과

양산대학 산업안전공학과*

부산정보대학 환경화학계열**

Effect of Hydrophobicity of Thiol derivatives on micellar-micellar interaction

in AOT-Reverse Micellar Systems

Jin-Sung Choi, Eun-Joo Lee, Sung-Gyun Jeon*, Yun-Yul Park**, Sung-Sik Lee

Dept. of Chem. Eng., Dong-A Univ., 840 Hadan-dong, Pusan

Dept. of Industrial Safety, Yang-San College*

Group Dept. of Environ. & Chem., Pusan College of Information Technology**

1. 서  론

최근 바이오테크놀리지의 발전은 유용한 생화학물질의 대량생산의 가능성을 보이며, 정밀화학, 식품, 의학, 약학, 농업 그리고 유전공학 등과 같은 다양한 분야에 대하여 많은 연구가 진행중이다. 단백질이 역미셀내에 가용화될 수 있다는 사실은 역미셀계를 이용한 단백질의 추출과 효소 반응에 대해 많은 연구를 진행시켜왔다. 역미셀에 의한 단백질의 분리는 일반적으로 수상의 pH, 이온 강도 그리고 염의 종류 등과 유기상의 계면활성제의 종류와 농도, 보조 계면활성제의 유, 무, 용매의 종류 등에 영향을 받는다. 특히, pH와 이온 강도는 역미셀 추출 공정에 있어서 지배적인 인자이며, 단백질과 미셀간의 정전기적, 소수적 그리고 구조적 상호작용 등이 역추출율에 영향을 미친다. 이들 상호작용 중에서 정전기적 상호작용은 정추출 과정에서 주된 추진력으로 받아들여지고 있다. 그러나 역추출 공정에서는 그 상대적 효율이 매우 낮다. 그 원인으로는 단백질 또는 효소가 AOT-역미셀과의 불특정 상호작용으로 인해 비가역적으로 변성하거나 활성을 잃기 때문이다. 이러한 불특정 상호작용에 의한 효소의 변성 및 단백질의 구조 변화는 역미셀 추출 공정에서 역추출율과 역추출 속도를 현저히 감소시킨다. 그러므로 역미셀을 이용한 단백질의 고순도 분리 시, 앞에서 열거한 역추출 공정의 문제점들 중에서 역추출율과 활성 수율에 결정적인 영향을 미치는 미셀-단백질 및 미셀-미셀간 상호작용의 감소를 위한 많은 연구가 필요하다. Dungan 등은 미셀-미셀간 상호작용에 의한 미셀 클러스터(micellar cluster) 형성이 역추출율 감소의 중요한 인자임을 밝혔다. Yamada 등은 미셀-단백질, 미셀-미셀간 상호작용의 제어를 위하여 합성 비이온성 계면활성제(예, Triton, Tween) 또는 생체 계면활성제인 lecithin을 첨가한 혼합 역미셀이 효소와 단백질의 높은 안정성과 선택적인 추출을 나타냄을 발표하였다. 즉 역미셀을 이용한 단백질의 역추출 공정시 역미셀 계면의 특성을 개량하기 위해 간단한 보조 계면활성제(cosurfactant)를 이용한다면 목적 단백질을 고순도, 고활성을 유지할 뿐만 아니라, 선택적인 대량 생산이 가능함을 알 수 있다.

본 연구에서는 역추출 프로세스의 개선을 위해 양친매성을 가지고 있는 thiol 분자가 역미셀과 같은 나노 자기 집합체의 구조변화에 미치는 영향과 소수성과의 관계를 실험 조사하였다.

2. 실  험

2.1 시 료

Waco Pure Chemical Industries, Ltd. (Osaka, Japan)로부터 95）의 AOT(sodium di[2-ethylhexyl] sulfosuccinate)를 구입하여 정제 없이 그대로 사용하였고, ethanethiol (EtSH), 1-propanethiol (PrSH), 1-butanethiol (BuSH), 1-pentanethiol (PenSH), 1-hexanethiol (HexSH), 1-Heptanethiol (HepSH), 1,2-ethanedithiol (Et(SH)2), 1,3-propanedithiol (Pr(SH)2), 1,4-butanedithiol (Bu(SH)2), 1,5-pentanedithiol (Pen(SH)2), 1,6-hexanedithiol (Hex(SH)2)는 Aldrich Chemical Company, Inc. (Milwaukee, WI, USA)로부터 구입하였다.

2.2 방 법

Fig. 1. Schematic diagram of a) experimental method and b) measurement of percolation threshold.

역미셀계의 전기 전도도는 TOA Electronic Ltd.의 전기전도계 CM-40V와 백금 전극으로 함수량(Wo)의 함수로 측정하였다. 전극은 역미셀 용액이 든 시험관 안에 넣어지고 시험관은 항온조(25±0.1℃) 내에 위치한다. 전기 전도도 측정법은 AOT/isooctane 또는 AOT-Thiols/isooctane 용액에 Figure 1(a)와 같이 일정한 pH의 완충용액을 injection법으로 주입하여 퍼콜레이션 현상이 일어날 때까지 그 변화를 관찰하였다. 전체 용액의 부피에 대한 주입된 완충용액의 부피비는 수성의 부피비 □aq(=Vaq/(Vorg+Vaq))로 결정하였다. 퍼콜레이션 시발점은 전도도가 급격히 증가하기 시작하는 지점으로 정의하며, thiol 분자를 첨가한 경우와 첨가하지 않은 경우의 퍼콜레이션 시발점은 □t와 □p로 정의한다. □t와 □p 값은 Figure 1(b)과 같이 외삽법에 의하여 결정하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 퍼콜레이션 프로세스에 대한 Thiols의 효과

Figure 2는 AOT 역미셀에 가용화된 수상의 부피분율 □aq에 대한 전기 전도도 (□)의 변화를 나타낸 것이다. 퍼콜레이션 시발점에 해당하는 부피 분율 □p가 첨가된 thiol의 종류와 농도에 따라 변했다. thiol을 첨가하였을 때, thiol의 농도가 높아질수록 퍼콜레이션 시발점 (□t)은 증가하였다. 이 결과는 역미셀계에 첨가한 Thiol의 농도의 증가에 따라 미셀간의 인력적인 상호작용이 감소함을 의미한다.

Fig. 3. Analysis of thiol affecting percolation process of RVMS.

Fig. 2. Effect of thiol addition on the percolation processes of RVMS

□t와 □p의 차이 □□t는 퍼콜레이션 프로세스에 대한 thiol의 농도 효과를 나타내고 있다. 여기에서 □t와 □p는 thiol을 첨가 또는 첨가하지 않았을 때 각각의 퍼콜레이션 시발점이다. 상대적인 퍼콜레이션 시발점과 첨가된 thiol의 농도와의 상관 관계를 밝히기 위해 Figure 3에 나타낸 것처럼 thiol의 농도에 대해 □□t를 그래프로 그렸다. □□t와 각 thiol의 농도 사이에는 선형적인 상관관계가 있었다. 여기에서의 기울기를 □t로 정의하며, □t는 미셀간의 인력적인 상호작용에 대한 각 thiol의 첨가 효과를 나타낸다. 플러스 값의 □t는 역미셀계에의 thiol의 첨가에 따른 역미셀계의 안정화 또는 미셀-미셀간 상호작용의 감소를 의미한다. 실험에 사용된 모든 thiol류의 첨가가 역미셀계의 안정화에 영향을 주는 것을 알 수 있다.

3.2 □t 값에 대한 Thiol의 소수성(log P) 효과

실험으로 구한 n-thiol, dithiol 등의 □t 값과 탄소수와의 관계를 플롯트한 결과는 Figure 4와 같다. 이 경우, 탄소수와 □t 값 사이에는 선형적인 상관관계가 있었다.

Fig. 4. Dependencies of the □t value of thiol of carbon atoms per thiol molecule.

이러한 결과는 thiol의 소수성 부분 (hydrocarbon site)이 미셀-미셀간 상호작용 의 감소에 기여하고 있음을 알 수 있다. 그리고 dithiol의 □t 값은 n-thiol의 값보다 작음을 알 수 있다. 이러한 결과는 또한, thiol의 SH 그룹은 □t 값을 감소시키고 있다는 것을 알 수 있다. 그러므로 thiol의 소수성 부분 (CH 그룹)은 그들의 수에 비례해서 미셀간 상호작용을 감소시키고, 친수성 부분 (SH 그룹)은 미셀간 상호작용을 증가시킴을 알 수 있다.

다양한 thiol의 □t값과 소수성과의 상관 관계를 Figure 5에 나타내었다. thiol의 소수성 값인 log P값이 증가함에 따라 □t값도 증가함을 알 수 있다. 이 결과는 thiol의 소수성이 미셀-미셀간 상호작용으로 인한 미셀 클러스터의 형성을 억제하는 주된 인자임을 알 수 있다. 그러나, log P값이 너무 큰 경우에는 미셀 클러스터 형성을 억제하는데 오히려 역효과가 나타나므로 적당한 log P 값을 가지는 thiol을 이용한다면 미셀-미셀간 상호작용에 의한 미셀 클러스터 형성 및 미셀 계면의 특성을 제어할 수 있다.

Fig. 5. The correlation between the value of log P and □t of each thiol.

4. 결  론

AOT-역미셀계에서 다양한 thiol에 의한 미셀-미셀간 상호작용의 변화를 퍼콜레이션 프로세스를 이용하여 검토하였다. 역미셀계에서의 미셀 계면의 구조 및 특성 변화의 측정에 간편하고 유용한 퍼콜레이션 프로세스는 미셀-미셀간 상호작용에 미치는 다양한 thiol의 첨가 효과를 아주 명확하게 나타내고 있다. 역미셀계의 퍼콜레이션 프로세스는 첨가된 thiol의 종류와 농도에 크게 의존하였다. 첨가된 thiol의 농도에 따른 퍼콜레이션 시발점의 변화로 정의된 □t값은 thiol의 종류에 의존하여 역미셀계의 안정성 또는 미셀-미셀간 상호작용을 반영한다. Thiol 분자를 구성하는 각 그룹의 정량적인 분석에 의하면, 소수성 부분 (CH 그룹)은 사슬 길이의 증가와 비례하여 미셀간 상호작용을 억제시키지만, 친수성 부분 (SH 그룹)은 미셀간 상호작용을 감소시킨다. 그리고 첨가된 thiol의 소수성 (log P)이 미셀-미셀간 상호작용으로 인한 미셀 클러스터의 형성을 억제하는 주된 인자이다.

참고문헌

1) Hong, D. -P., Lee S. -S., R. Kuboi, J. Chro. Chem. B, 743, 203-213 (2000)

2) Lee, S. -S., Lee E. -J., HWAHAK KONGHAK, Vol. 38, No. 5, 615-619 (2000)

3) Alexandridis, P., Holzwarth, J. F., Hatton, T. A., J. Phys. Chem., 99, 8222, (1991)

4) Hong, D. -P., R. Kuboi and I. Komasawa, Korean J. Chem. Eng., 14(5), 334-340 (1997)

5) Hong, D. -P. and Kuboi, R., Biochem. Eng. J. 4, 23-29 (1999)