혁신적인 생합성, 인공지능

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 21851(2022) 이 기사 인용

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나노기술의 미생물 기반 전략은 전통적인 화학적, 물리적 프로토콜에 비해 경제적이고 친환경적이며 생물안전성 이점을 제공합니다. 현재 연구에서는 선구적인 Streptomyces sp.를 사용하여 키토산 나노입자(CNP)에 대한 새로운 생합성 프로토콜을 설명합니다. CNP 생합성에 상당한 잠재력을 보인 균주 NEAE-83. 이는 형태학적, 생리학적 특성과 16S rRNA 서열(GenBank 접근 번호: MG384964)을 기반으로 Streptomyces microflavus 균주 NEAE-83으로 식별되었습니다. CNP는 SEM, TEM, EDXS, 제타 전위, FTIR, XRD, TGA 및 DSC로 특성화되었습니다. CNPs 생합성은 수학적 모델인 CCFCD(면 중심 중심 복합 설계)를 사용하여 극대화되었습니다. 가장 높은 CNP 수율(9.41 mg/mL)이 실행 번호 2에서 얻어졌습니다. 27, 초기 pH 5.5, 1% 키토산, 40°C, 12시간 배양 기간을 사용했습니다. 혁신적으로 인공 신경망(ANN)은 CCFCD의 시험 데이터를 기반으로 CNP 생합성을 검증하고 예측하는 데 사용되었습니다. 두 모델의 높은 정밀도에도 불구하고 ANN은 CCFCD에 비해 CNP 생합성 예측에서 최고였습니다. ANN은 예측 효율성이 더 높았고 오류 값(RMSE, MDA 및 SSE)이 더 낮았습니다. Streptomyces microflavus 균주 NEAE-83에 의해 생합성된 CNP는 감자 무름병을 유발하는 Pectobacterium carotovorum에 대해 시험관 내 항균 활성을 나타냈습니다. 이러한 결과는 파괴적인 감자 부패병을 통제하기 위한 잠재적인 적용을 시사했습니다. 이는 새로 분리된 CNP를 이용한 CNP 생합성에 관한 첫 번째 보고서입니다. Streptomyces microflavus 균주 NEAE-83은 인공 지능에 의한 생합성 과정의 친환경적 접근 및 최적화입니다.

방선균은 게놈에서 높은 GC 함량(69-73%)을 갖는 그람 양성 및 호기성 방선균의 광범위하고 독특한 그룹으로 구성됩니다. 방선균은 다핵 공중 필라멘트에 교차벽을 형성하여 포자 사슬로 발달하는 가지 기질과 공중 균사체를 생성합니다. 이 박테리아 그룹은 토양에 광범위하게 분포하며 풍부한 색소 패턴을 가지고 있습니다1,2. 수많은 부가가치가 있는 2차 대사산물을 생산할 수 있는 능력과 생물학적 과정에서의 여러 응용으로 인해 Streptomyces 종은 방선균 중에서 산업적으로 가장 중요합니다3,4,5. 방선균의 새롭게 떠오르고 유망한 응용 분야 중 하나는 나노입자의 생합성에 대한 응용입니다.

최근 몇 년 동안 나노입자는 그 매혹적인 특성으로 인해 상당한 주목을 받았습니다7. 벌크 물질과 비교하여 나노입자는 표면적 대 부피 비율이 더 크기 때문에 반응 활성이 높습니다8. 일반적으로 나노입자는 화학적, 물리적, 기계적 또는 생물학적 경로를 통해 생성될 수 있습니다9.

키토산이나 트리폴리인산나트륨(TPP)10,11,12이 포함된 알부민과 같은 유해하거나 고가의 물질을 사용하지 않고 생체 적합성 나노구조 시스템을 제공하는 비생물학적 방법이 있습니다. 그럼에도 불구하고 높은 비용, 고압, 에너지, 온도, 유해 화합물 및 큰 입자 크기의 활용을 포함하여 비생물학적 기반 방법의 한계에 많은 장애물이 기여합니다. 유해 화학물질은 의료 및 임상 분야에서 나노입자의 사용을 제한합니다. 결과적으로, 나노입자를 합성하기 위한 친환경적인 대체 방법을 확립하는 것이 시급합니다9. 게다가 친환경적이고 경제적인 미생물 기반 나노입자 합성은 청결성, 안전성, 견뢰도를 제공하며, 더욱이 미생물 대사산물의 환원 능력으로 단분산 나노입자를 쉽게 생성할 수 있다9.

키토산은 N-아세틸-2 아미노-2-데옥시-d-글루코스(글루코사민)와 2-아미노-2-데옥시-d의 연결된(β1 → 4) 잔기의 선형 다당류로 구성된 키틴의 탈아세틸화된 유도체입니다. -글루코스(N-아세틸-글루코사민). 이는 생분해성이고 1차 아민 양성자화를 통해 산성 수성 매질에 용해되며 유리 아미노 그룹은 중합체 사슬에 양전하를 생성합니다14,15.