항균력과 보습력을 동시에 가지고 있는 화장품용 첨가제인 1, 2-octanediol (OD)의 피부 문제점을 개선하기 위하여 galactoside 유도체인 1, 2-octanediol galactoside (OD-gal)를 대장균 β -galactosidase (β-gal)을 이용하여 합성하였다. 이 때, β-gal은 4.5 U/ml, OD 농도는 150 mM, pH 는 7.0, 그리고, 온도는 37℃가 OD로부터 OD-gal을 합성하는 최적 조건이었다. 이 조건에 24 시간 동 안 150 mM의 OD로부터 약 55.9 mM의 OD-gal이 합성되었고, 이 때, conversion 수율(mole 기준)은 약 37.2% 였다. 또한, 9 ml의 반응액에서 67.4 mg의 순수한 OD-gal을 정제할 수 있었으며, 반응액에 들어 있는 OD에서부터 정제를 포함하는 전체 합성수율은 weight 기준으로는 약 34.1% 이고, mole 기 준으로는 약 16.2% 정도였다. 이러한 연구결과는 보다 안전한 화장품용 첨가제로서 OD-gal의 산업화 에 기초자료로서 도움을 줄 것으로 생각된다.

Compound K (20-O-β-(D-glucopyranosyl)-20(S)-protopanaxadiol)는 진세노사이드의 활 성성분이다. Compound K는 경구 투여 후 Rb1, Rb2 및 Rc가 사람의 장내 미생물의 β-glucosidase에 의 해 생물전환 과정을 거쳐 생성된다고 알려져 있다. 본 연구는 생물전환된 인삼농축액에서 얻은 compound K를 이용해 항염증 및 독성을 조사하였다. 세포독성평가 결과, compound K는 0.001∼1 μg/mL의 농도 범위에서 유의적인 세포독성은 나타나지 않았으며, LPS로 염증이 유발된 RAW 264.7 세포에서 TNF-α, MCP-1, IL-6 및 NO의 생성을 억제하는 것으로 확인되었다. 동일 농도범위에서 TNF-α 및 IFN-γ로 염증이 유발된 HaCaT 세포는 compound K의 처리로 인해 IL-8의 생성을 감소시키는 것으로 나타났지만, IL-6의 경우 일부 농도에서 생성을 감소시켰으나, 통계적인 유의성은 나타나지 않았다. Brine shrimp를 이 용한 치사율 검정법에서 compound K의 LC50는 0.37mg/mL로 다소의 독성을 함유하고 있는 것으로 나타 났으나 compound K가 35% 고함유된 생물전환물은 LC50가 0.87mg/mL로 나타나 상대적으로 낮은 독성 을 보였다. 따라서 이 생성물은 향후 여드름 완화용 화장품 개발에 사용할 수 있는 매우 우수한 기능성 소 재가 될 수 있을 것으로 기대된다.

진세노사이드 Compound K는 트라이터펜계 사포닌으로써 인삼의 잎, 줄기, 뿌리등에서 발견된다. 본 연구는 효소 Plantase를 이용하여 인삼 추출물로부터 고부가가치의 진세노사이드인 Compound K를 생산하는 연구를 하였다. Plantase는 인삼추출물에서 Compound K를 매우 효율적으로 생산함을 보여 주었다. 또한 다양한 온도와 pH에서 Compound K 생산에 대한 최적의 반응을 조사한 결과 pH 5, 50 ℃에서 가장 높은 효율을 보였다. 최적 조건에서 Compound K는 전체 추출물의 35%이상 농축될 수 있음을 확인 하였다. 생물전환된 Compound K 농축물의 항균효과를 검정한 결과 여드름균인 Cutibacterium acnes KCTC 3314에 선택적인 활성을 보였다. Compound K (35% 함유) 인삼 생물전환물의 C. acnes KCTC 3314 균주에 대한 최소저해농도 측정 결과 31.25ug/mL로 확인되었다. 따라서 향후 여드름균 완화용 화장품의 잠재적 소재로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

안전한 화장품용 방부제에 대한 연구를 위하여 1, 2-octanediol (OD)에 galactose 한 분자가 결합된 1, 2-octanediol galactoside (OD-gal)의 합성을 시도하였다. 이를 위하여, 재조합 대장균의 β-galactosidase (β-gal)를 이용하여 transgalactosylation 반응을 수행하였으며, OD-gal 합성을 확인하기 위하여 mass spectrometry 분석과 NMR (1H- and 13C-) spectroscopy 분석을 실시하였다. 합성 반응물에서 m/z=331.1732의 sodium adduct ion 형태로 OD-gal 분자의 합성을 확인하였고, 정제된 OD-gal의 NMR 분석을 통하여 OD-gal의 1H NMR 스펙트럼에서 OD에 갈락토실화가 되었음을 보여주는 다양한 피크를 확인하였다. 1H NMR 스펙트럼의 다운필드인 δH 4.39 ppm과 δH 3.98~3.55 ppm에서 나타나는 다양한 피크들은 이들이 OD에 갈락토실화가 되었다는 것을 잘 암시하고 있으며, 또한 1H NMR 스펙트럼의 업필드에서 나타나는 δH 1.52~1.26 ppm과 0.89 ppm의 피크는 OD의 CH2 와 CH3 작용기로 부터 나타나는 피크로써 OD가 본 물질에 존재함을 알 수 있었다. 13C NMR 스펙트럼에서는 OD-gal의 알파-아노머와 베타-아노머의 구조에서 기인하는 총 24개의 탄소피크가 나타났고, 각 아노머 마다 14개의 탄소가 존재하는데 이중 δc 31.4, 29.0, 22.3 그리고 13.7 ppm에 보이는 OD 4개의 탄소는 지방족 사슬의 끝부분에 해당하며 화학적 구조의 유사성으로 인하여 탄소 피크가 겹쳐서 나타난 것으로 보인다. 따라서 총 28개의 탄소 피크 중 24개가 나타났다. 마지막으로, 합성된 OD-gal 의 β-gal을 이용한 가수분해 반응을 통하여 OD-gal에 gal이 결합되어 있다는 것을 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 세포독성이 감소된 첨가물 개발을 기대하고 있으며, 추가적인 후속연구를 진행할 예정이다.

안전성이 강화된 화장품용 방부제 소재를 개발하기 위하여, 대장균 β-gal을 이용하여 OD 로부터 합성된 OD-gal의 성능을 기존의 OD와 비교하는 연구를 수행하였다. 먼저, mass spectrometry 분석을 통하여 OD-gal의 sodium adduct ion (m/z=331.1731)과 protonated ion (m/z=309.1926)으로 OD-gal 합성을 확인하였다. 새롭게 합성된 OD-gal과 OD의 항균력 비교를 위하여 E. coli, S. aureus, C. albicans, A. niger에 대한 MIC 값을 측정하였다. 그 결과, OD-gal과 OD의 MIC 값 사이에 그렇게 큰 차이를 관찰할 수 없었다. 또한, OD-gal과 OD의 세포독성을 비교하기 위하여, HaCaT 세포에 OD 또는 OD-gal을 처리한 후, 세포 생존율을 EZ-Cytox assay를 이용하여 정량 하였다. 1.5% OD의 경우에는 24 시간에서 세포생존율이 대조군과 비교하여 64%, 48 시간에서는 42%로 나타났고, 1.5% OD-gal을 처리한 세포의 세포생존율은 24 시간에서 유의적인 변화가 없었지만, 48 시간에서는 85%로 나타났다. 결국 OD-gal은 OD와 비교해서 약 40% 이상의 세포독성 감소효과가 있는 것으로 확인되 었다. 이러한 결과로부터 OD에 한 분자의 galactose를 결합시킴으로 인하여 항균력은 어느 정도 유지하 면서 피부 세포에 대한 독성이 감소된 OD-gal의 특성을 확인할 수 있었다. 앞으로 후속 연구를 진행하여 보다 안전한 화장품용 방부제 소재로서 OD-gal의 실용화 기반을 구축할 예정이다.

Phenylethanol (PhE)에서 야기되는 피부 부작용 문제를 극복하기 위한 대안으로 phenylethanol galactoside (PhE-gal)에 대하여 연구하였다. 그 중에서도 대장균 효소 β-galalactosidase (β-gal)을 이용하여 PhE로부터 PhE-gal를 합성하는 반응의 최적 조건에 대하여 조사하였다. 그리고, 용매 분획연구를 수행하여 PhE-gal의 특성도 조사하였다. 반응조건 중에서 반응액의 β-gal 농도, PhE 농도, 반응액의 pH, 그리고 온도에 대하여 조사한 결과, 최적 β-gal의 농도는 0.45 U/ml, 최적 반응물 PhE의 농도는 1.0%, 최적 반응액의 pH는 8.0, 최적 반응온도는 40℃ 였다. 그리고, 최적 반응조건에서 48 시간까지의 반응을 관찰하였는데, 약 81.9 mM의 PhE로부터 약 47.4 mM의 PhE-gal이 합성되었고, PhE로부터 PhE-gal로의 전환수율은 약 57.9% 정도였다. 또한, PhE와 PhE-gal이 포함된 반응물을 용매 EA와 MC로 분획한 결과, 물 층으로 대부분의 PhE-gal이 분획 되었고, 용매 층으로는 PhE가 분획 되었다. 그러나, 물 층으로의 PhE-gal의 분획이 용매 MC를 사용할 때, 더 분명하고 명확하게 나타났으며, 용매 EA를 이용한 분획에서는 명확히 물 층으로 PhE-gal이 분획 되지 않았다. 앞으로, PhE-gal을 화장품에 사용할 수 있는 첨가물(방부제)로 개발하기 위한 후속연구를 계속 진행할 예정이다.

자연에서도 생합성이 되는 테트라하이드로-β-카볼린 화합물은 Pictet-Spengler반응을 통해서 화학적으로도 합성된다. 본 연구에서는 β-카볼린 화합물을 쉽고 효과적으로 합성할 수 있는 친환경 합성법을 개발하여 유기용매가 아닌 물을 사용하여 합성하였다. 이 화합물은 투명한 결정형의 생성물로 얻어지므로 복잡한 분리과정이 필요하지 않다. 합성된 화합물은 NMR 및 UPLC/MS를 이용하여 구조를 확인하 였다. 화합물 1의 이론적 분자량(C17H17N2 249.1392), 화합물 2 (C17H23N2 255.1861), 화합물 3(C19H21N2O3 325.1552), 화합물 4(C19H19N2O 279.1497)과 측정된 화합물들의 질량과 비교하였다. 그 결과 측정된 화합물 1의 분자량 ([M+H]+m/z detected 249.1315), 2 (detected 255.1789), 3 (detected 325.1460) 그리고 4 (detected 279.1364)와 거의 일치함으로써 생성된 화합물이 1~4의 구조를 가지고 있음을 확인하였다. 합성된 화합물들을 그람 음성균인 E. coli DH5α를 대상으로 항균효과를 조사한 결과 강한 저해효과를 확인할 수 있었다.

최근에 화장품, 식품, 그리고 의약용품의 첨가제로 사용되어지는 benzyl alcohol (BzOH)에 대한 독성 문제와 피부 알러지 문제가 보고되고 있다. 그래서, 본 연구에서는 이러한 첨가제의 문제점을 해결하기 위하여 galactose 한 분자를 BzOH 분자에 결합시킨 benzyl alcohol galactoside (BzO-gal)를 합성하여 이러한 문제를 해결하려는 시도를 수행하였다. 이미 선행연구에서 대장균의 β-galactosidase (β-gal)를 이용하여 BzOH로부터 BzO-gal이 transgalactosylation 반응으로 합성된다는 것을 확인하였다. 본 연구에서는 먼저 대장균의 β-gal을 이용하여 BzOH로부터 BzO-gal의 합성을 반응액의 액체 크 로마토그래피/질량 분석을 이용하여 BzO-gal-sodium adduct ion (m/z=293.1004)과 BzO-gal의 protonated ion (m/z=271.1180)의 검출로 확인할 수 있었다. 그리고, BzOH로부터 BzO-gal로의 합성 반응을 실시 할 때, 최적의 β-gal 양, BzOH 양, 반응 온도, 반응 pH, lactose 농도 등 반응의 최적 조건을 확인하는 실험을 수행하였다. 그 결과 0.75 U/ml β-gal, 185 mM BzOH, 온도 40℃, pH 7.5, 350 g/l lactose의 조건이 가장 많은 양의 BzO-gal이 합성되는 최적의 조건을 확인하였다. 또한, BzO-gal의 최적 합성 조건에서 36시간 동안 β-gal에 의하여 185 mM BzOH로부터 약 131 mM BzO-gal이 합성되었고, 이 때, 전환 수율(conversion, %)은 약 72%로 확인되었다. 본 연구를 통하여 보다 안전한 식품, 화장품, 그리고 의약품용 첨가제의 개발을 기대하고 있으며, BzO-gal의 특성 분석 등 추가적인 연구를 계획하고 있다.

대장균 효소 β-gal를 이용하여 합성된 BzO-gal의 분자구조를 NMR (1H-와 13C-)과 고성능 mass spectrometry를 이용하여 분석하였다. BzO-gal은 1H NMR에서 14개의 proton으로부터 12개의 피크를 나타내었다. 방향족 고리에서 오는 5개의 proton 피크와 벤질기의 CH2에서 오는 2개의 proton 피크는 벤질알코올이 존재함을 나타낸다. 지방족 사슬 영역인 dH 4.32 ~ 3.46 ppm에서 나타나는 7개의 proton 피크로부터 단당류가 도입되었음을 확인할 수 있었다. 13C NMR 스팩트럼에서 나타난 11개의 carbon 피크도 또한 벤질알코올에 단당이 도입되었음을 나타낸다. BzO-gal의 분자량을 확인하기 위하여 mass spectrometry 로 분석한 결과 m/z가 293.0994인 BzO-gal의 sodium adduct ion ([M+Na]+)을 확인할 수 있었다. 이러한 결과를 바탕으로 세포독성이 감소된 첨가물 개발을 기대하고 있으며, 추가적인 후속연구를 진행할 예정이다.

재조합 β-galactosidase (β-gal) 을 이용하여 transgalactosylation 반응으로 합성된 2-phenoxyethanol galactoside (PE-gal)과 chlorphenesin galactoside (CPN-gal)의 정제를 실시하였다. 먼저 PE와 PE-gal이 포함된 반응물에 ethyl acetate (EA)를 넣고, EA/water 이상계 시스템에서 PE와 PE-gal을 분획하였다. 이 시스템에서 PE는 EA층으로 PE-gal은 water층으로 분획되었다. 그리고, 물층을 모아서 silica gel chromatography를 실시하였다. 최종적으로, silica gel chromatography만 실시하여 PE-gal을 정제한 경우와, EA 처리 후 silica gel chromatography를 실시하여 PE-gal을 정제한 경우의 정제 PE-gal에 대하여 HPLC (High performance liquid chromatography)와 TLC (thin-layer chromatography) 분석을 수행하였다. 그 결과 EA를 처리하여 분획한 후, silica gel chromatography를 수행한 시료에서 잔여 PE가 완전히 제거되는 것을 관찰하였고, silica gel chromatography만 실시하여 PE-gal을 정제한 경우에는 상당량의 잔여 PE가 관찰되었다. 이 때, mole 기준으로 약 21%의 정제 수율을 확인할 수 있었다. 마찬가지로 CPN-gal의 정제에서도 EA 분획 처리 후, silica gel chromatography를 수행하였더니, 잔여 CPN이 거의 없는 순수한 CPN-gal을 얻을 수 있었다.

선행연구에서 화장품 소재로서 보습력과 방부력을 가지고 있는 1, 2-hexanediol (HD)의 transgalactosylation 반응을 통하여 galactose한 분자가 HD에 결합한 1, 2-hexanediol galactoside (HD-gal)의 합성을 확인하였다. 본 연구에서 재조합 β-galactosidase (β-gal)가 발현된 Escherichia coli (E. coli) 세포를 이용하여 약 94%의 수율로 HD-gal가 합성되는 것을 관찰하였고, HD-gal을 합 성한 후, 보다 효과적인 HD-gal의 정제 방법에 대하여서도 연구하였다. 먼저 고농도의 lactose (300 g/l) 존재 하에서 β-gal을 함유한 E. coli 세포를 이용하여, 48 시간 동안 75 mM의 HD로 부터 HD-gal이 합성되는 것을 TLC 분석으로 확인하였고, 반응액에서 E. coli β-gal의 존재를 Western blotting으로 확인할 수 있었다. HD-gal을 효과적으로 순수 정제하기 위하여, 용매를 사용하여 transgalactosylation 반응이 끝난 후 잔여 HD를 우선 제거하고, 이어서 silica gel chromatography를 수 행하는 방법을 실시하였다. 물에 녹지 않는 용매로는 methylene chloride와 ethyl acetate를 선택하여 비 교 실험하였는데, ethyl acetate를 사용하여 4회 물층을 분획하여, 잔여 HD를 효과적으로 제거할 수 있 었다. 그 후, 이어서 silica gel chromatography 수행하여, 순수한 HD-gal을 효과적으로 정제하였다. 반 응에 첨가된 75 mM의 HD를 기준으로 최종 정제된 HD-gal의 생산 수율은 mole 기준으로는 약 8.9±0.6% (n=3), weight 기준으로 약 21.1±1.4% (n=3) 정도였다. 앞으로 이러한 정제 방법을 이용하 여 얻은 HD-gal의 항균력 변화를 HD와 비교하여 평가할 예정이고, 피부세포에 대한 독성 변화를 역시 HD와 비교하여 분석할 예정이다.

화장품용 방부제로 사용하고 있는 1, 2-hexanediol (HD)에 높은 농도의 lactose (300 g/l)를 넣고, 재조합 대장균 β-galactosidase (β-gal)를 이용하여 galactose 한 분자를 결합시키는 transgalactosylation 반응을 시켜서, 1, 2-hexanediol galactoside (HD-gal)을 합성하였다. 그리고, 합성 된 HD-gal 분자를 확인하기 위하여, HD-gal에 대한 NMR (1H- and 13C-) 스펙트럼 분석과 mass 스 펙트럼 분석을 실시하였다. HD-gal의 1H NMR 스펙트럼에서 HD에 갈락토실화가 되었음을 보여주는 다양한 피크를 확인하였다. 1H NMR 스펙트럼의 다운필드인 δH 4.44 ppm과 δH 3.96~3.58 ppm에서 나타나는 다양한 피크들은 HD에 갈락토실화가 되었다는 것을 잘 암시하고 있으며, 또한 1H NMR 스 펙트럼의 업필드에서 나타나는 δH 1.60~1.35 ppm과 0.92 ppm의 피크는 HD의 CH2와 CH3 작용기로 부터 나타나는 피크로써 HD가 본 물질에 존재한다는 것을 나타내고 있다. 13C NMR 스펙트럼에서는 HD-gal의 알파-아노머와 베타-아노머의 구조에서 기인하는 총 21의 카본피크가 나타났고, 각 아노머 마다 12개의 카본이 존재하는데 이중 δC 68.6, 60.9 and 13.2 ppm에 보이는 3개의 카본은 겹쳐서 나 타나 총 24개의 피크 중 21개가 나타났다. 또한, 질량스펙트럼 분석에서는 protonated HD-gal인 281.1601 (m/z)의 peak를 확인할 수 있었다. 이를 종합하면, NMR (1H- and 13C-) 스펙트럼 분석 결 과와 질량분석 결과들은 우리가 기대했던 HD-gal의 구조와 매우 잘 일치하고 있다는 것을 알 수 있었 다. 앞으로 추가적으로, 세균에 대한 minimum inhibitory concentrations (MICs) 조사와 human skin cell에 대한 독성연구를 추가적으로 진행할 예정이며, 이러한 결과를 근거로 항균력을 유지하면서 피부세 포에 대한 독성이 감소된 화장품용 방부제의 연구/개발이 계속되기를 기대하고 있다.

EtOH 추출법과 열수 추출법을 사용하여 빈카민 등의 빈카 알칼로이드 화합물을 함유한 빈카 마이너 추출물을 얻었다. 이들 추출물을 사용하여 비듬균, 효모, 그람양성 및 음성세균에 대한 항균활성을 측정 하였다. 비듬균(Malassezia furfur)에 대하여 표준물질인 빈카민과 EtOH 추출물은 항균활성을 보이 지 않은 반면 열수 추출물은 항균활성을 나타내었다. 또한 열수 추출물은 그람양성 및 음성세균에 속하는 바실러스(Bacillus sp.)와 대장균(Escherichia coli)에 대해서도 항균활성을 나타내었다. 추출물의 세포독성 은 HaCaT 세포(인간 케라티노사이트 세포), HT-29 세포(인간 결직장 선종암 세포), Raw 세포(인간 대 식세포)를 대상으로 측정하였으며, 해당 세포들에 대해 특별한 세포독성은 발견 되지 않았다. 또한 형광 기반의 탐색물질인 디클로로플루오신 디아세테이트(DCFDA)를 이용한 활성산소종을 측정하였다. 그 결과 HaCaT 세포와 HT-29 세포군에서 활성산소종의 형성이 약 20% 정도 증가하는 것을 알 수 있었다.

빈카마이너 L.의 알칼로이드는 HPLC의 PDA 검출기를 이용하여 측정하고 이를 표준시료인 빈카민의 자외선/가시광선 흡수 스펙트럼과 비교하여 분석하였다. 플라보노이드류를 포함하여 추출물에서 9개 이상의 화합물에 대한 자외선/가시광선 흡수 스펙트럼을 얻었다. 추출방법에 따라 에탄올 추출물과 열수 추출물을 얻고 이를 DPPH 라디칼 소거법에 의해 항산화 효과를 조사하였다. 그 결과 에탄올 추출 물과 열수 추출물 모두 비교군인 케르세틴과 비타민 C 대비 약 14~15%의 항산화 효과를 보여 추출법에 상관없이 유사한 결과를 보였다.