[논문자료]생물반응기를 이용한 수정목 세포배양에서 Rubiadin 대량생산 및 기능성화장품 소재화를 위한 효능평가

출처: 픽사베이

 

수정목(Damnacanthus major Siebold & Zucc)은 꼭두서니과 상록관목 으로서 자생지는 한국의 제주도, 일본 남부지역과 같은 난대 지역이며 내한성이 약하여 내륙지방에서는 월동이 불가능하다. 수정목의 뿌리에는 다양한 종류의 anthraquinone 계열의 화합물(physcion, emodin, citreorosein, rubiadin)과 damnacanthal, damnacanthol, damnidin등이 함유되어 있다. 본 연구에서는 생물반응기를 이용하여 수정목 세포배양 및 rubiadin 대량생산 체계를 확립하고 기능성화장품 소재화를 위한 항산화 및 미백 효능 평가를 실시하고자 하였다.

수정목의 절편체(0.5ⅹ0.5cm)로부터 NAA 3mg∙L-1와 sucrose 3%가 포함된 MS 고체 배지에서 세포를 유도하였다. 유도된 수정목 세포는 2주 간격으로 계대 배양을 하여 증식하였다. 수정목 세포의 생장량에 미치는 MS 배지 농도를 조사한 결과 1.0 MS농도에서 세포의 생장이 우수하였다. 수정목 세포의 생장에 효과적인 NAA농도를 결정하기 위한 실험에서는 NAA 3mg∙L-1 처리구에서 세포의 생장이 양호하였고, 탄소원으로 사용된 sucrose 농도는 3% 처리구에서 수정목 세포의 생장이 우수 하였다.

수정목 세포의 rubiadin의 함량 증진을 위해 다양한 종류의 elicitor (MeJA, SA, YE)를 농도별로 조사하였다. MeJA를 처리한 결과, 50~300μM의 범위로 처리하였을 때 rubiadin의 함량이 증가되었고 300μM처리구에서 가장 높은 rubiadin의 함량을 나타내었다. 반면 수정목 세포의 생체중, 건물중은 MeJA의 농도가 증가될수록 감소하였다. SA를 50~300μM 범위로 처리한 결과, 50μM 처리구에서 가장 높은 rubiadin의 함량이 나타났다. 수정목 세포의 생체중과 건물중은 MeJA 처리와 마찬가지로 SA의 농도를 증가시킬수록 감소하였다. YE를 처리한 결과, 50~300mg∙L-1 의 범위로 처리하였을 때 100 mg∙L-1 처리구에서 가장 높은 rubiadin의 함량을 나타내었다. Elicitor(MeJA, SA, YE)처리시 수정목 세포의 생산성과 rubiadin함량을 고려하여 MeJA 100μM 처리를 최적 처리 농도로 결정하였다.

Pilot-scale 생물반응기를 이용하여 수정목 세포를 2주간 1단계 배양한 후, elicitation port를 이용하여 100μM농도 MeJA를 처리하고 3일간 2단계 배양을 실시 한 결과, 생체중 39kg과 건물중 2.36kg을 얻었다. Rubiadin 함량은 0.13mg∙g-1으로 기외 식물체 대비 약 2.0배가량 증진되어 pilot-scale 생물반응기를 이용하여 수정목 세포의 바이오매스와 유용 생리활성물질(rubiadin)의 대량생산 체계를 확립하였다.

수정목 세포의 항산화 효과를 조사한 결과, 추출물 1% 농도에서 80% 이상의 radical 소거능을 보여 항산화 효과가 우수한 것으로 확인되었다. 한편, 수정목 세포의 미백 효과를 조사한 결과, 6.6% 농도에서 69% 이상의 tyrosinase 활성 저해능을 보였다.

본 연구를 통해 생물반응기(3~1,000L) 내 다양한 화학적인 환경조건을 조절함으로서 수정목 세포의 생산량을 극대화 시킬 수 있었으며, 다양한 종류의 elicitor(MeJA, SA, YE)을 이용하여 고함량의 rubiadin을 함유한 수정목 세포를 안정적으로 생산해 낼 수 있게 되었다. 수정목 세포 추출물은 항산화 및 미백 작용이 우수하여 기능성 화장품 소재로서의 활용 가능성이 높을것으로 생각된다.

 

Damnacanthus major Siebold & Zucc is an evergreen shrub of the Rubiaceae family, where it is native to warm temperate regions such as Jeju Island in Korea and southern Japan. Various kinds of anthraquinone-based compounds (physcion, emodin, citreorosein, rubiadin) and damnacanthal, damnacanthol, damnidin are contained in the root of the Damnacnthus major. In this study, a biomass production system of rubiadin was established in callus of the Damnacnthus major culture using a bioreactor, and antioxidant and whiting efficacy were evaluated for the materialization of functional cosmetics.

Callus was induced in MS semi-solid medium containing 3 mg∙L-1 of NAA and 30 g∙L-1 sucrose from explants (0.5ⅹ0.5cm) of Damnacnthus major. The induced Damnacnthus major callus was proliferated by subculture at intervals of 2 weeks. As a result of examining the concentration of MS medium on the growth from callus of Damnacnthus major, the callus growth was excellent on full strength (1.0x) MS medium. In the experiment to determine the effective NAA concentration for the growth from callus of Damnacnthus major, cell growth was good in the NAA 3 mg∙L-1 treatment group, and the concentration of sucrose used as a carbon source was 30 g∙L-1 treatment group.

Various types of elicitors [Methyl jasmonate (MeJA), salicylic acid (SA), yeast extract (YE)] were investigated by concentration to increase the rubiadin content in Damnacnthus major. As a result of treatment with MeJA, the content of rubiadin was increased when it was treated in the range of 50~300 μM and the 300 μM treatment group showed the highest rubiadin content. On the other hand, the fresh and dry weight from the callus of Damnacnthus major decreased as the concentration

 

of MeJA increased. As a result of SA treatment, the content of rubiadin was decreased when the highest rubiadin content in the 50 μM treatment group was treated over 100 μM concentration. The fresh weight and dry weight from the callus of Damnacnthus major decreased as the concentration of SA increased, similar to the MeJA treatment. As a result of YE treatment, the 100 mg∙L-1 treatment group showed the highest rubiadin content when treated in the range of 50~300 mg∙L-1. When the elicitor (MeJA, SA, YE) was treated, MeJA 100 μM treatment was determined as the optimal treatment concentration by considering the productivity and rubiadin content of Damnacnthus major.

After culturing the callus of Damnacnthus major for 2 weeks in a first stage using a pilot-scale bioreactor, 100 μM concentration of MeJA was treated using an elicitation port and secondary culture was performed for 3 days. As a result, 39 Kg of fresh weight and 2.36 Kg of dry weight was obtained. The rubiadin content was 0.13 mg∙g-1, which was increased by about 2.0 times compared to the explant and a pilot-scale bioreactor was used to establish a mass production system for biomass and useful physiologically active substances (rubiadin) from callus of Damnacnthus major.

As a result of examining the antioxidant effect of Damnacnthus major, it was confirmed that the antioxidant effect was excellent as it showed more than 80%

 

radical scavenging ability at a concentration of 1% of the extract. On the other hand, as a result of examining the whitening effect from callus of Damnacnthus major the tyrosinase activity inhibitory ability was greater than 69% at a concentration of 6.6%.

Through this study, it was possible to maximize the production of Damnacnthus major by controlling various chemical environmental conditions in the bioreactor (3~1,000L), and a high content of rubiadin was used various types of elicitors (MeJA, SA, YE). It is possible to stably produce from the callus of Damnacnthus major containing.

 

출처: http://www.riss.kr/search/detail/DetailView.do?p_mat_type=be54d9b8bc7cdb09&control_no=4788a14a8230c55affe0bdc3ef48d419&keyword=%EB%B0%98%EC%9D%91%EA%B8%B0

 

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