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pISSN 1225-7117 eISSN 2288-8268
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Korean Society for Biotechnology and Bioengineering Journal 2022; 37(1): 1-10

Published online March 31, 2022 https://doi.org/10.7841/ksbbj.2022.37.1.1

Copyright © Korean Society for Biotechnology and Bioengineering.

미생물을 통한 케라티네이즈의 생산과 산업적 활용

Microbial Production and Industrial Applications of Keratinase

Min-Sung Kim1,&dagger,, Jong-beom Park1,&dagger,, Jong Nam Kim2*, and Soo Rin Kim1,3*

1School of Food Science and Biotechnology, Kyungpook National University, Daegu 41566, Korea
2Department of Food Science and Nutrition, Dongseo University, Busan 47011, Korea
3Research Institute of Tailored Food Technology, Kyungpook National University, Daegu 41566, Korea

Correspondence to:Tel: +82-51-320-4878 Fax: +82-51-320-1781
E-mail: yorker20@gdsu.dongseo.ac.kr

Tel: +82-53-950-7769 Fax: +82-53-950-7762
E-mail: soorinkim@knu.ac.kr

Received: December 17, 2021; Revised: February 18, 2022; Accepted: February 24, 2022

Abstract

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Keratin, which is the hard and insoluble structural protein found in many parts of birds, reptiles, and tissues such as feathers, hair, horns, wool. Some keratinaceous materials such as feathers known as industrial wastes, hard to degrade naturally because of their complex structure. To date, several bacteria and fungi have been discovered that have keratinase activity, which breaks down keratin into amino acids. In addition, various studies are being conducted to increase the activity of this enzyme through of recombinant keratinase or to facilitate purification. This potential enzyme can be used not only for the degradation of keratinaceous industrial wastes but also for the leather and healthcare industries. In this review, keratin degradation mechanisms, keratinase production, and their industrial applications will be discussed.

Keywords: keratinase, microbial keratinase, feather degradation, keratinaceous substrate, alkaline protease.

1. INTRODUCTION

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세계 육류 소비의 증가와 함께 가금육 시장도 꾸준히 성장세를 나타내고 있다 [1]. 2019년에는 2018년도 보다 3.7 배 증가한 1억 3천만톤의 가금육이 생산되고 있으며, 이와 더불어 가금육에서 비롯되는 폐기물의 양도 함께 증가하고 있다[2]. 깃털은 닭 체중의 10%를 차지하는 가금류 폐기물로, 매년 약 850만톤이 생성되며, 이는 가금육의 소비와 비례해서 점차 증가하는 추세이다 [3].

현재 깃털은 다른 폐기물과 함께 주로 소각 및 매립을 통해 전력 생산 및 비료로 이용되고 있지만, 소각으로 인해 발생하는 일산화탄소, 이산화탄소, 다이옥신 및 기타 중금속 등이 포함된 매연은 인체 건강 및 환경에 심각한 문제를 야기하고 있다 [4,5]. 매립 또한 깃털의 구조 성분 중 하나인 이산화황 등으로 인해 토양 및 지하수의 오염에 관여할 수 있으며 [6], 소각 및 매립 과정에서 다량의 유용 아미노산의 손실은 깃털의 비료로서의 이용가치를 낮게 만드는 원인으로 작용하고 있어 [7,8], 친환경적으로 깃털을 활용할 수 있는 방법이 강구되고 있다 [9].

Alkaline protease의 한 종류인 keratinase는 깃털을 효과적으로 분해할 수 있는 친환경적인 효소로써, keratin으로 이루어진 깃털 및 발톱, 비늘, 동물의 털과 같은 keratinaceous 폐기물을 아미노산 단위로 분해 시킨다 [10-12]. Keratinase는 다양한 곰팡이와 박테리아에서 천연적으로 생산되며[13,14], 많은 연구에서 유전자 재조합 기술을 이용하여 상업적으로 생산하고자 하고 있다 [15].

본 총설에서는 keratin의 구조, keratin의 분해 방식에 따른 keratinase의 종류, keratinase를 생산하는 천연 및 재조합 미생물의 최근 연구 동향을 살펴보고, keratinase의 다양한 활용 전망에 대해 고찰해보고자 한다.

2. Keratin의 구조

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Keratin은 2차 단백질 구조에 따라 α-helix 구조의 α-keratin과 β-sheet 구조의 β-keratin으로 나뉘며 [16], 높은 함량의 cysteine으로 인한 이황화 결합이 자주 나타난다. 모든 keratinaceous 소재 (머리카락, 깃털, 부리, 등)에는 α-keratin과 β-keratin이 각각 일정량 함유되어 있는데, α-keratin의 경우 포유류의 상피세포, 뿔, 양털, 머리카락, 손톱에 많이 함유되어 있고, β-keratin의 경우 조류의 깃털, 발톱, 부리, 또는 파충류의 비늘에서 상당량 발견된다 [16]. 깃털의 경우 약 41%의 α-keratin과 38%의 β-keratin이 함유되어 있지만, 양모처럼 α-keratin이 풍부한 keratinaceous 소재의 경우 α-keratin 50-60%, matrix proteins (keratin의 intermediate filaments 관련 단백질) 20-30%와 소량의 β-keratin만이 함유되어 있다 [17,18]. 깃털을 이루는 keratin의 구조를 분석한 결과 (Fig. 1), α-keratin의 경우, type I(산성)과 type II(중성 또는 염기성) α-helix coil의 이황화 및 수소 결합을 통해 기본적인 구조인 heterodimer 형태를 갖추게 된다 [18]. 이후 heterodimer 끼리 결합하여 tetramer를 형성하고, tetramer는 다시 결합하여, 깃털 barb, barbules, rachis의 중심을 이루는 α-keratin intermediate filaments (IFs)가 형성된다 [8,16]. 반면, β-keratin은 4개의 열로 이루어진 β-keratin 단량체와 역평행의 다른 β-keratin 단량체가 수소 결합 및 이황화 결합을 통해 dimetric structure(β-sandwich)를 형성시키고, 이후 다량의 dimetric structure는 서로 결합하여 matrix proteins와 함께 barb, barbules, rachis 외부 및 내부를 감싸는 β-keratin filaments를 형성한다 [8,16].

Figure 1. Simple composition of the feather’s keratin structure and enzymatic keratin degradation. Two types of keratins (α, β) and matrix proteins form the feather's keratin structure.

Keratinaceous 소재의 아미노산 시퀀싱 결과, α-keratin의 비율이 높은 포유류의 keratinaceous 소재 (양모, 머리털, 우모)에서는 산성 및 염기성 아미노산의 함량이 β-keratinaceous 소재보다 높게 나타났고, β-keratin이 상당량 존재하는 조류나 파충류의 keratinaceous 소재 (깃털, 발톱, 부리)에서는 비극성 아미노산의 함량이 높은 것으로 나타났다 [8,19-24].

3. Keratinase의 분류

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현재까지 keratinase 작용을 통한 keratinaceous 소재의 분해 메커니즘에 대해서 완벽하게 밝혀지지는 않았지만, 관련 연구에서 여러 종류의 keratinase 효소의 작용을 통해 keratinaceous 소재를 peptide 단위로 분해할 수 있는 것으로 나타났다 (Fig. 1)[8]. 이러한 keratinase는 크게 serine proteases와 metalloproteases로 나뉘며, 작용 방식에 따라 endo-keratinolytic protease (S1, S8, S16, M4, M16, M36), exo-keratinolytic protease (S9, S10, M14, M28, M38, M55), oligo-keratinolytic protease (M3, M32)로 세분화 된다 [8].

3.1. Endo-keratinolytic proteases

Endo-keratinolytic protease는 keratin 내부의 polypeptide 결합에서 peptide bond를 끊어내는 protease로, serine protease family에 속하는 S1, S8, S16과 metalloprotease family에 속하는 M4, M16, M36로 나뉜다 [8]. 그 중 S8 계열은 현재까지 가장 많이 연구되고 있는 Endo-keratinolytic protease로 Bacillus 속, Thermoactinomyces 속, Trichophyton 속, Aspergillus 속, Onygena corvina, Fervidobacterium pennivorans 등에서 발견되며 keratin의 내 aspartate, serine, histidine 잔기의 수소결합을 끊는 역할을 한다 [25].

3.2. Exo-keratinolytic proteases

Exo-keratinolytic protease는 polypeptide 사슬의 N-말단 또는 C-말단 자리에 작용하여 하는 protease로, serine protease family에 속하는 S9, S10과 metalloprotease family에 속하는 M14, M28, M38, M55로 나뉜다 [8]. 또한, endo-keratinolytic protease의 작용을 받아 먼저 분해된 polypeptide 사슬에 exokeratinolytic protease가 작용할 경우, keratin 분해 효과가 더욱 증가하는 것으로 나타났다. 대표적으로 S9 계열은 polypeptide 사슬의 끝에서 N-말단기의 2번째 아미노산 잔기가 prolin일 경우, polypeptide의 N-말단 dipeptides를 끊어서 방출하는 역할을 한다 [26]. 반면 S10 계열은 polypeptide 사슬의 끝에서 C-말단기의 2번째 아미노산 잔기가 proline 일 경우, polypeptide의 C-말단 dipeptides를 끊어서 방출하는 역할을 하는 것으로 나타났다 [26,27]. M28 계열은 가장 많이 연구된 exo-keratinolytic protease로, Zn2+를 보조인자로 사용하여 N-말단의 X-pro 또는 X-Ala motif에 도달할 때까지 polypeptide를 가수분해 하는 것으로 나타났다 [8,26].

3.3. Oligo-keratinolytic proteases

Oligo-keratinolytic protease는 peptide를 가수분해하는 효소로 exo 및 endo-keratinolytic protease의 작용을 받은 작은 peptide 단위에만 작용할 수 있다. Oligo-keratinolytic protease인 M3와 M32는 다른 keratinolytic metalloproteases 처럼, Zn2+을 보조인자로 이용, peptide bond를 가수분해한다 [8].

3.4 Other enzymes

Keratin에 존재하는 황(S)은 이황화결합을 통해 keratin의 결합을 더욱 견고하게 만드는데, 이는 keratin을 효소적으로 분해하기 어렵게 만드는 주요 원인이다. Alkyl hydroperoxide reductase, cysteine dioxygenase, dihydrolipoyl dehydrogenase, glutathione reductase, peptide methionine sulfoxide reductase, phosphoadenosine phosphosulfate reductase, ribonucleosidediphosphate reductase, thioredoxin reductase 등이 이황화결합을 분해하며 [28], 그 중에서도 cysteine dioxygenase, disulfide reductase, dithiothreitol (DTT) 등이 효과적으로 이황화결합을 환원시켜 분해할 수 있는 것으로 나타났다 [26,29-33].

4. 미생물을 이용한 keratinase의 발현

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4.1. Natural Keratinolytic Microorganism

Keratinase에 대한 연구가 활발하게 이루어지면서, 박테리아 및 곰팡이에서 keratinase의 발현이 확인되었다 (Table 1)[34-44]. 많은 연구자들은 keratinase 활성을 가진 미생물을 가금류 폐기물 처리장의 깃털과 흙으로부터 분리하였으며, skim milk agar medium 또는 깃털을 함유한 배지에서의 깃털 분해, azo-keratin과 keratin azure의 분해시험을 통해 keratinase 활성이 우수한 균주를 선별하는 방법을 이용하였다 [45,46].

Table 1 Native bacteria and fungi with keratinase activity

StrainsSource of isolationFermentation conditionsOptimal enzyme activityReferences
Feather (g/L)Other substrates (g/L) 2)Time (days)Degradation (%)pHTemp (°C)Time (days)Enzyme activity3) (U/mL)
Bacillus spp.B. licheniformis ALW1Keratinous wastes2Glu 10 Pep 10 YE 31648.065?472.2[34]
B. licheniformis NS-3Poultry farm soilUnknown-71007.060710.76[35]
B. subtilis AMRFeather agro-industrial residues10YE 0.1698.938.0376360.6[36]
B. subtilis 8Feather disposal site10-2.583.7--221.6[37]
Other bacteriaArthrobacter sp. NFH5Soil----8.040326.57[38]
Pseudomonas sp. LM19Feather dumping site0.1YE 0.012.586--2.5127[39]
Thermoactinomy ces sp. RM4Soil from waste yard site10-410010.080-30-40[40]
Aspergillus spp.A. nidulans K7Poultry soil15--53.48.540555.8[41]
Aspergillus sp. DHE7Soil from poultry farmUnknown-4100--4298[42]
A. oryzae NRRL-447-10YE 251007.0705111.64)[43]
Other fungiFusarium oxysporumChicken feathers10-736.11--6149[44]
101)-659.20--6243.25

1)Swine hair was used.

2)Glu; glucose, Pep; peptone, YE; yeast extract.

3)Enzyme activity was measured using keratinaceous substrates such as azokeratin, keratin azure, and feather powders.

4)Specific enzyme activity (U/mg).

Table 1에서 설명된 keratinolytic microorganism 외에도 Acremonium hyalinulum [47], Aspergillus flavipes [48], Aspergillus flavus K-03 [49], Aspergillus fumigatus TKF1 [50], Bacillus altitudinis GVC11 [51], Bacillus cereus Wu2 [52], Bacillus pumilus A1 [53], Bacillus sp. SH-517 [54], Bacillus subtilis DP1 [55], B. subtilis KD-N2 [12], B. subtilis NRC 3 [56], B. licheniformis KI8102 [57], B. licheniformis K-19 [58], Cochliobolus hawaiiensis AUMC 8606 [59], Fervidobacterium islandicum AW-1 [60], Penicillium chrysogenum [61], Penicillium spp. Morsy1 [62], Pseudomonas mendocina PM2 [63], Pseudomonas stutzeri K4 [64], Streptomyces sp. SCUT-3[65], Talaromyces sayulitensis GF11 [66]과 같은 다양한 종류의 미생물에서 keratinase 생성이 확인되었다. 특히 B. licheniformis 와 B. subtilis는 Bacillus 속 중에서도 가장 연구가 활발하게 이루어지고 있는 균주이며, B. licheniformis PWD1의 keratinase는 현재 산업적으로도 활용되고 있다 [67].

4.2. Expressing Recombinant Keratinase in Microorganisms

Keratinase를 산업적으로 활용하기 위해서는 배양액에서 keratinase만을 분리 및 정제하는 과정을 거쳐야 한다. 일반적인 keratinolytic organism의 경우, keratinase 외에 다른 효소와 발효 부산물, 곰팡이 독 등을 함유하고 있어 정제 과정에 많은 비용이 들어가지만, 유전자 재조합 기술을 활용하면 keratinase를 단시간에 고농도로 생성할 수 있다 [15].

현재 keratinase 생성에 사용되고 있는 유전자 재조합 host 균주는 B. subtilis, Bacillus megaterium, Escherichia coli, Pichia pastoris가 있으며 많은 연구에서 기존의 natural keratinolytic microorganism보다 효율적으로 keratinase를 생성시키는 것이 확인되었다 (Table 2). 또한 P. pastoris에서 발현되는 단백질의 glycosylation은 keratinase의 구조적 안정성에 기여하는 것으로 나타났다.

Table 2 Keratinase expression in engineered host

Expression hostGene (origin)Keratinase typeSubstratesOptimal conditionsEnzyme activity (U/mL)Specific activity (U/mg protein)References
pHTemp (°C)Time (days)
BacteriaBacillus megaterium ATCC 14945Bacillus licheniformis ker-Keratin azure--0.75166.2133.25[68]
Bacillus subtilis WB600Bacillus licheniformis ker-Keratin powder10.5400.75323-[69]
Escherichia coli BL21Bacillus licheniformis kerA-Keratin azure7.550-26.89.8[70]
Escherichia coli BL21Thermoactinomyces sp. kerT1Endo1)Soluble keratin8.5650.5-20.3[71]
Escherichia coli HB101Bacillus licheniformis ker BLEndoKeratin azure9-10.0601.511.2575[72]
YeastPichia pastoris GS115Aspergillus oryzae alp-Casein9.030-40547.5440.94[73]
Pichia pastoris SMD1168HPseudomonas aeruginosa apr-Azokeratin8.060310301800[74]
Pichia pastoris X33Bacillus licheniformis kerAEndoAzokeratin8.5-9.555-606285-[75]

1)Endo-keratinolytic protease (S8 family).

4.2.1. Expressing Recombinant keratinase in bacteria

클로닝(cloning)에 자주 사용되는 keratinolytic microorganism은 B. subtilis와 B. licheniformis 등으로 최근에도 관련 연구가 지속되고 있으며, Pseudomonas 속, Thermoactinomyces 속 등 다양한 균주를 활용하여 keratinase를 생성하려는 연구도 이루어지고 있다 (Table 2) [68-75].

대표적인 host 균주인 E. coli는 형질전환이 쉽고 성장이 빨라 다량의 단백질을 단시간에 만들 수 있는 것이 장점이다. 하지만, keratinase 생성 중 세포 안에서 keratinase가 세포 독성 및 부정확한 단백질 폴딩을 유발하여 세포자살 (apoptosis)이 진행될 수 있고, 다른 cloning host 균주 (B. megaterium, B. subtilis WB600, P. pastoris)에 비해 생성된 효소의 안정성이 떨어진다는 단점이 있다 [15].

Bacillus 속은 재조합 단백질을 세포 밖으로 분비시키는 기능을 가지고 있어, 원하는 단백질의 생산에 유용한 균주이다. B. licheniformis MKU3유래의 keratinase gene (ker)을 B. megaterium 균주에 도입 한 후 최적의 조건으로 배양시킨 결과, 18시간만에 wild-type에 비해 3배 높은 166.21 U/mL의 keratinase 활성을 나타내었고 [68], B. licheniformis BBE11-1유래의 keratinase gene (kerA)을 multi copy로 도입한 B. subtilis 균주는 18 시간동안 323 U/mL의 높은 keratinase 활성을 나타내었다 [69]. 또한 keratinase 생성을 위한 host 균주로 E. coli 및 B. megaterium 비교 결과, B. megaterium 균주가 단시간에 더 많은 양의 keratinase를 생성하였다 [68,76]. 하지만, Bacillus속의 경우, 내인성 protease의 발현으로 재조합 단백질이 분해되거나 세포 내 플라스미드의 불안정성 및 eukaryotic keratinase 발현의 어려움 등의 문제가 있어 [15], 개선을 위한 추가적인 연구가 요구된다.

4.2.2. Expressing Recombinant keratinase in P. pastoris

P. pastoris를 host 균주로 이용한 keratinase 생산 연구는 E. coli와 Bacillus속 만큼 활발하게 이루어지지는 않았다. 하지만, P. pastoris의 inducible promoter를 이용하여 Bacillus속과 비슷한 양의 keratinase를 생성할 수 있는 것이 확인되었고[76], 전사 후 변형 과정을 통해 발현된 keratinase에 글리코실기를 붙여 줌으로써, 고온 및 고알칼리 상태에서의 안정성에 기여하는 것으로 나타났다 [15,61,76]. P. pastoris에서 발현되는 N-glycosylation은 단백질의 아스파라긴 잔기에 탄수화물 사슬이 연결되는 것으로 P. pastoris의 경우 N-acetyl기에 연결된 mannose 사슬이 대부분을 차지한다 [77]. 이러한 N-glycosylation은 효소의 발현 및 안전성에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있으며, 실제로 다른 유전자 재조합 host 균주에서 생성된 keratinase에 비해 열 및 pH에 대한 안정성이 크게 증가하였다 [78]. B. licheniformis BBE11-1 유래의 keratinase gene을 E. coli, B. subtilis 및 P. pastoris에 각각 발현시켜 keratinase의 특징을 비교한 결과 P. pastoris의 keratinase (kerP)가 가장 높은 열 안전성을 나타내었고, DTT와 β-mercaptoethanol을 각각 혼합 사용 할 경우 활성이 향상(134%, 121%)될 수 있음을 확인하였다 [76]. 또 다른 연구에서 B. licheniformis MKU3 유래의 keratinase gene을 B. megaterium과 P. pastoris에 발현시켜 서로 비교한 결과, P. pastoris에서 발현된 keratinase가 pH 8-10 사이에서 더 높은 안전성을 나타내었고, 열 안전성 측면에서도 B. megaterium의 keratinase는 60°C부터 급격하게 활성이 낮아지는 반면, P. pastoris의 keratinase는 80°C에서도 75%의 효소 활성이 나타났다 [78].

Bacterial keratinase가 eukaryote인 P. pastoris에서 발현이 낮을 경우에는 코돈 최적화(codon optimization)와 같은 전략을 통해서 keratinase 생성을 증가시킬 수 있다. 이전 연구에서 codon optimization을 통해 발효 96시간에 keratinase 활성이 195 U/mL에서 324 U/mL로 증가했으며 [79], 다른 연구에 따르면, wild-type keratinase는 α-keratin을 분해하지 못했지만 codon optimization을 한 경우 α-keratin에서도 높은 활성을 나타냈고, β-keratin의 활성 또한 285 U/mL에서 590 U/mL으로 증가하였다 [61].

5. Industrial applications of keratinase

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5.1. Fertilizer and feed industry

축산업계에서 폐기물로 처리되는 깃털, 우모, 발톱, 가죽 등과 같은 keratinaceous 소재는 영양분이 많이 함유되어 있으나 불용성이므로 특정 처리과정을 거쳐 비료 및 사료 산업에 적용될 수 있다 [9]. Keratinaceous 소재는 불용성 성질을 가지고 있고 특정 처리과정을 거치지 않으면 가축들이 소화하기 어렵기 때문에, 가압 처리 또는 화학적 처리를 통해 가루로 형태로 만들어 사용 된다[9]. 화학적 처리 방법은 산 처리와 알칼리 처리 방법으로 나뉘는데, 산 처리의 경우 serine, threonine, tyrosine, cysteine의 손실이 발생하고 [80], 양모를 72시간 동안 95°C에서 4 M 염산(HCl)으로 가수 분해 했는데도 33%의 keratin만 분해되었으므로, 산 처리는 keratin에 바람직하지 않은 것으로 사료된다 [81]. 알칼리 처리도 고온에서 처리되기 때문에 asparagine, glutamine, arginine, serine, threonine, cysteine의 소실이 발생했고, 라세미화 (racemization)를 통해 L-amino acid가 D-amino acid로 변형되어 유해한 성분이 생성될 수 있다 [80]. 또한 고농도의 산과 알칼리에 의한 환경오염 문제와 낮은 에너지 효율 등의 문제가 있어 최근에는 keratinase를 이용한 keratinaceous 폐기물의 분해 연구가 지속적으로 이루어지고 있다. 효소 처리를 통한 keratinaceous 폐기물 분해는 화학적 처리보다 keratin 분해율은 낮지만, 비용이 적게 들고, 보다 환경적이라는 장점이 있다 [82]. 또한 다른 연구에서는 keratinase의 효소 촉매 주기를 최대한 짧게 하고 열 안전성을 높여 고온에서 처리한다면 화학적 처리와 유사한 결과를 얻을 수 있을 것으로 나타났다 [83].

Keratin 분해물에는 아미노산 뿐 아니라 칼슘, 마그네슘, 인, 칼륨 등의 무기염류가 포함되어 있어 비료로 사용하게 되면 토양 내 미생물 활동을 촉진시키고, 토양구조 및 물리화학적 특성을 개선하여 작물의 성장 및 생산성을 증가시킬 수 있다[84,85]. 여러 연구를 통해 식물의 엽록소 증가 및 과채류의 수확량 증가 [86,87], 홍조류의 바이오매스 증가 [88] 등의 결과가 보고된 바 있다. 또한 keratin 분해물 속 황 함유 아미노산의 경우 동물의 적절한 성장과 발달에 중요한 역할을 하며[89], keratinaceous 폐기물의 대부분이 단백질로 구성되어 있기 때문에 [90] 사료 보충제로서 훌륭한 에너지원이 될 수 있다. 실제로 돼지에게 B. licheniformis PWD-1에서 생성되는 keratinase를 보충한 사료를 먹인 결과 회장(ileum)의 아미노산 소화율이 증가된 연구가 있었으며 [91], 가축 사료 내 단백질의 약 7% 대체할 수 있었다 [92].

5.2. Leather industry

가죽 가공에 있어서 제모 과정은 가장 중요한 작업으로, 이과정에서 석회, lime sulfur, 황화 수소, 황화 나트륨 등 75개 이상의 화학 물질이 사용된다 [93]. 이러한 화학물질은 공기 및 폐수로 스며들어 심각한 수질오염을 야기시키고 공장 근로자들의 건강을 악화시키는 요인으로 작용했다 [94,95]. 이러한 문제를 해결하기 위해, 가죽의 털을 친환경적인 방법으로 제거할 수 있는 keratinase는 오래 전부터 다양한 연구가 이루어지고 있었다. Keratinase의 가장 큰 장점은 가죽의 콜라겐 성분을 손상시키지 않아 가죽에 손상을 최소화 시킬 수 있는 것과 화학적 처리 보다 친환경적인 특성을 가진다는 것이다 [96]. 우수한 제모 능력을 나타내는 B. subtilis S14의 keratinase는 가죽 가공과정에서 독성 황화물의 잠재적인 대체 물질로 제시되었으며 [97], Brevibacillus brevis US575에서 분리된 keratinase (KERUS)를 이용, 토끼, 염소, 양 및 소가죽의 털을 제거하는데 사용되는 기존 화학물질에 대한 친환경적인 대안으로 활용될 수 있다 [98]. 또한 화학적 처리방법보다 같은 시간 동안 더 많은 양의 털을 분해할 수 있으므로 새로운 제모 방법으로 활용하기에 충분한 가치가 있는 것으로 사료된다 [55,93,99].

5.3. Prion degradation

프리온(prion)은 단백질성 감염성 입자로, 정상 단백질 구조인 PrPC 구조의 경우 무해하지만, 프리온 단백질이 변형되어 PrPSC 형태로 체내에 축적 될 경우 스크래피, 광우병, 크로이츠펠트-야콥병, 게르스트만-슈트로이슬러-샤인커병 등을 유발시키는 것으로 나타났다 [100,101]. PrPSC는 높은 함량의 β-sheet 구조를 가지고 있어, 효소 및 열 처리로도 분해하기 어려울 뿐만 아니라, 숙주의 체액, 소변, 대변, 등 다양한 경로를 통해 주변으로 전파된다고 밝혀졌다 [102]. 관련 연구에서 크로이츠펠트-야콥병에 걸린 사슴의 시체 및 대소변으로부터 유출된 PrPSC가 환경을 통해 다른 사슴에게 전파되었다고 나타나, 인간에게도 충분히 전파될 수 있는 가능성을 시사하고 있다 [70,103,104]. B. licheniformis PWD-1 keratinase의 PrPSC에 대한 분해능력이 밝혀져, B. licheniformis PWD-1의 alkaline protease를 이용한 Prionzyme™ (Genencor International and Health Protection Agency, UK) 프리온 제거효소 기술이 만들어 졌으며 [9,105], Nocardiopsis sp. TOA-1, 재조합 Streptomyces sp. alkaline protease에서는 PrPSC를 각각 화학적, 물리적 전처리 없이 최적의 조건에서 완전히 분해할 수 있었다 [106,107]. PrPSC를 물리적 및 화학적으로 완전히 분해 할 경우 소각 (132oC 이상, 18 분), 강알칼리 처리, 고압멸균법 등 높은 비용이 요구되므로 [102], keratinase와 같은 효소 처리를 통해 경제적이면서 친환경적으로 프리온병을 예방할 수 있다.

5.4. Healthcare industry

Keratinase에 의한 피부 각질 제거 효과는 의약품으로도 활용되기도 한다. 진균류에 의한 손발톱 질환(trans-ungual)에 Paecilomyces marquandi 에서 생성된 keratinase와 약물을 함께 병행하여 사용한 결과, keratinase는 약물의 침투성을 증가시켰고 각질 질환으로 인해 손발톱이 분리된 것을 다시 붙여주는데 도움을 준다고 나타났다 [108].

미용산업에서 keratinase를 함유한 화장품 (Keratoclean® HYDRA PB, Keratopeel® PB, Keratoclean® PB, Kernail-Soft® PB, Keratoclean® Sensitive PB)은 피부의 항노화, 주름개선, 각질 제거, 탄력 증가, 여드름 예방 등 다양한 효과를 가지고 있는 것으로 나타났다. 또한 B. subtilis DP1에서 생성된 keratinase를 함유한 제모 크림은 시판되는 제모 크림에 비해 높은 효과를 나타냈으며, keratinase가 37°C의 온도에서 최적의 활성을 나타냈기 때문에, 인간을 대상으로 한 제품에도 적용될 수 있을 것으로 사료된다[55].

6. Conclusion and perspectives

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Keratinase는 자연분해에 시간이 오래 걸리는 깃털, 모발, 동물의 털 등의 다양한 keratinaceous 소재를 효과적으로 분해할 수 있으며 현재까지도 keratinaceous 폐기물에서 높은 keratinase 활성을 지닌 균주를 선별하여 산업적으로 활용할 수 있는 방법이 연구되고 있다. Keratinase를 산업적으로 활용하기 위해서는 현재 이용되고 있는 물리적 및 화학적 방법보다 적은 처리비용이 들거나, 더 많은 양의 keratinaceous 폐기물을 빠르게 분해할 수 있어야 한다. 지금까지의 keratinase 관련 연구는 bacterial keratinase 위주였지만, 몇몇 곰팡이에서도 높은 keratinase 활성이 발견되었다. 그러나 곰팡이의 경우, 독소 생성 문제, 생육 조건 및 keratinase 정제의 어려움 등의 문제점이 있으므로, fungal keratinase에 대한 많은 연구가 필요하다. Keratinase의 이종발현은 keratinase를 산업적으로 쉽게 이용할 수 있는 가능성을 보여주고 있으며, keratinase 활성이 높은 균주를 발굴하고, 그 균주의 keratinase gene을 host strain에 형질전환하는 연구를 통해 keratinase 산업의 발전에 기여할 것으로 예상된다. 특히 P. pastoris를 통한 안정성이 높은 keratinase의 생성은 농업뿐만 아니라 가공, 미용, 의학, 축산업 등 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것이다. 결론적으로, keratinase 의 산업적 적용을 위해서는 효율적인 keratinase 생산뿐 아니라 유전자 재조합 기술을 keratinase 연구에 접목시키는 등, 다방면에서 keratinase에 대한 연구가 이루어져야 할 것으로 사료된다.

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