생명화학공학 : Industrial & Environmental Biotechnology - 유전자로부터 생물공정까지 -

1. Introduction to Biotechnology 생명화학공학: Industrial & Environmental Biotechnology-유전자로부터 생물공정까지- 2008. 10. 28 윤 영 상 교수 연구영역: 환경생물공학

9. 생명공학이란? 생명공학은 생체나 생체유래물질 또는 생물학적 시스템을 이용하여 산업적으로 유용한 제품을 제조하거나 또는 공정을 개선하기 위한 기술이다.

14. 생명공학기술의 특징 • 기술의 특징 • 고부가가치형 /두뇌기술집약형 / 탈공해형 / 자원에너지 절약형 • R&D 과정에서 보이는 주요한 특징 • 기초 연구의 성과가 비교적 쉽게 실용화에 연결 전통적 생명공학에서는 생체메커니즘이 Black Box였으나 기초연구의 성과로 그 기능이 해명 되면서 상당부분 생산기술로 발전 • 타분야의 기술과 융합 발전 전자 및 정보처리기술 , 기계 등과 융합발전하며 동시에 타분야의 기술진보에 기여 • 광범위한 연구다양성 내재 연구대상이 되는 생물의 종(약 1.400만종), 학문분야 ( 의학 , 약학 , 이학 , 공학 , 농학 ) , 응용분야 (보건 , 의료 , 농업 , 환경 , 에너지 )등

15. 생명공정의 장단점 장점 단점 • Mild reaction conditions • Specificity • Effectiveness • Renewable resources • Enormous potentials • Complex product mixture • Dilute aqueous environment • Contamination • Variability Overcoming problems 생명공학/생물화공 (화학공학부) Realizing potentials

16. 생명공학기술 페러다임의 변화 • Genomics (유전체학) • Transciptomics (전사체학) • Proteomics (단백질체학) • Bioinformatics (생물정보학) • Metabolic Eng. (대사공학)

17. 생명공학기술의 응용분야

18. 생명공학의 연구 및 응용 Biological Sciences / Recombinant DNA Technology / Cell Fusion Technology / Engineering Sciences Basic Research Applied Research Metabolic Engineering / Bioreactor Design and Analysis / Down-process Engineering Applications Food Ind.: New and improved products and processes Pharmaceutical Ind.: Medical diagnostics, therapeutics Agriculture: Superior crops, pest control, herbicide resistance Environment: Wastewater treatment, bioremediation Energy/Mining: Bioleaching, secondary oil recovery Livestock Ind.: Embryo transplants, superior animals Forest: Superior and detoxification trees Electronics Ind.: Biochips, biosensors

26. Scales of Action CELL1 mm PROCESS1 acre REACTOR1 m Bioreactor Design & Analysis (Ch 9) Instrument & Control (Ch 10) Bioprocess Economics (Ch 12) Cell Chem (Ch 2) Enzyme Eng (Ch 3,4) Metabolism Biochemistry (Ch 5) Transport Phenomena (Ch 8) Product Recovery (Ch 11) Molecular Biology Genetics (Ch 6) Cell Kinetics (Ch 7)

27. Size Scale

28. Cell (세포) • 세포는 모든 생명체 구성의 기본단위이며, 인간은 수십조 개의 세포로 구성 • 세포는 핵, 막, 세포 내 소기관 들로 구성되어 있으며 • 핵 (nucleus)은 세포증식과 유전현상을 담당하는 생명 활동의 중심

29. 염색체(chromosome)

30. 유전자(Gene) Plasmid DNA: An autonomous self-replicating extrachromosomal DNA Chromosomal DNA • After • Francis Crick and • James Watson • (1953)

31. 유전정보의 흐름

32. DNA to RNA to Protein (단백질) to Metabolite (대사물질) Genomics 유전체학 Proteomics 단백질체학 Metabolomics 대사체학 Transciptomics 전사체학

33. 단백질의 합성 과정

34. 효소의 구조 • Enzymes (효소): • Biological catalysts that are protein molecules in nature • General name: - ase • e.g., hydrolase, • isomerase, etc. • Enzymes have wide applications in medicine and industry cf. Structural Biology

35. 유전자 재조합 기술 Bioreactor Culture & Mass Production Working volume = ~10 mL = ~100 mL > 1000 L

36. 생물반응기 Stirred Tank Bioreactor • Fluidized bed • Biofilm • Trickling biofilter • Stirred tank • Bubble column • Packed bed

37. X biomass S substrate P product m maintenance 세포성장 속도론 (an ideal case) • Cell growth • Substrate consumption • Product formation where Kinetics Microbial Physiology Reactor Design & Scale-up Performance Prediction Process Optimization Transport Phenomena

38. 생산물의 회수 정제 Culture Harvest Filtration/Centrifugation/Sedimentation Cell Broth Cell Disruption Osmotic shock/Lysozyme treatment/ultrasonication Primary SeparationExtraction/Sorption/Precipitation PurificationChromatography/Ion exchange/(Immuno)affinity chromatography Final Product FormationCrystallization/Stabilization PRODUCTS

39. 생명공학자는 무엇을 할 수 있나 ? Bioprocess Engineering Bioseparation BIOCHEMICAL ENGINEERING BIOCHEMICAL ENGINEERS Environmental Biotechnology Biochip & Bioelectronics Recombinant DNA Technology Bioinformatics Metabolic Engineering

40. 생물공학자는 어디에서 일하나? • 대기업군: LG생명과학, 대상, 한국BASF, CJ, SK, 태평양, 포스코, 금호석유화학, 삼성정밀화학, • 이수화학, 한화석유화학, 대한제당 등 30여개 •   중견기업군: 녹십자, 종근당, 동아제약, 풀무원, 대웅제약, 한국야쿠르트, 유한양행 등 70여개 •   중소 및 벤처기업군: 500여 개인데, 2001년도 8월 현재 약 490개의 생물  벤처기업에서 • 코스닥 등록벤처기업은 9개

41. 자동차 · 기계, 생물 · 생명, 문화영상 등 전라북도 3 대 전략산업으로 집중 육성 전라북도는 한국BT산업의 메카 • “전북 생물산업 육성방안” (2000): 전략분야로 생물화학, 생물식품분야 선정 • “(재)전북 생물벤처기업지원센터”: 생물벤처보육, 기술지원 • “생물대사물질연구센터” (2004): 바이오 핵심기반기술 연구개발 • “전북 생물산업 특화방안” (2003-2010): 생물화학 등 분야에 8천억규모 투자 • “생명공학연구원 전북분소” 유치 (2004) • “전북 바이오파크 조성계획”

42. 바이오 산업기술 국내수준 유전자재조합 기술 85% 세포융합 기술 80% 단백질공학 기술 70% 발효 기술 90% 세포배양 기술 65% 생물공정기술 65% 생물엔지니어링 기술 35% 신물질탄생 기술 25% 안정성평가 기술 30% 전 체 평 균 60% 기초 기술 대상㈜ 한국BASF 생산 기술 LG생명과학 신물질 기술 자료: 산자부(2001) 전라북도 소재 생명공학 대기업

43. 생명공학자가 되기 위한 교과목 • 생 물 학 • 일반생물학 • 생화학 • 미생물학 • 분자생물학 • 화 학 • 일반화학 • 유기화학 • 물리화학 • 기기분석 • 공 학 • 화공양론 • 열역학 • 전달현상 • 반응공학 • 화공학부 개설 BT과목 • 2학년: 응용생화학(보충: 생화학 I, II) • 3학년: 응용미생물학(보충: 미생물학, 분자생물학) • 4학년: 생물화학공학, 생물공정공학 기업체/연구소 취업 대학원 진학 생물공학기사 취득 LG생명공학경시대회 참가 영어 컴퓨터 교양 인성 경쟁력 있는 생명공학자로 발전 가능

44. 대상㈜ 한국BASF LG생명과학 숙제 (시험출제 예정) 1. 전라북도에 소재하고 있는 생명공학 산업체의 홈페이지를 방문하여, 각 기업체의 주요 기술 및 주요 생산품을 정리하시오. (참조) 홈페이지 주소 * 대상㈜ http://daesang.co.kr/ * 한국BASF http://www.basf-korea.co.kr * LG생명과학http://lgls.co.kr/ 2. 생물정보의 흐름과정을 그림을 그려서 설명하시오. (DNARNAProteinMetabolite) 3. White Biotechnology가 무엇인지 설명하시오. 4. White Biotechnology를 이용한 성공적인 상용화 사례를 2가지 이상 쓰시오.

45. 꿈꾸는 자만이 꿈을 이룰 수 있다.미쳐야 미친다. 관심 공부 성실 미치자 건강 의지 지식 꿈은 이루어진다 꿈 도전