목차
1. 세포의 구조와 구성 요소
1.1 세포의 구조 ... 1
1.1.1 바이러스(virus) ... 2
1.1.2 원핵세포(procaryote) ... 2
1.1.3 진핵세포(eucaryote) ... 4
1.2 세포의 구성요소 ... 6
1.2.1 아미노산과 단백질 ... 6
1.2.2 탄수화물(carbohydrate) ... 12
1.2.3 지질, 지방, 스테로이드 ... 16
1.2.4 핵산, DNA, RNA ... 18
1.3 세포 영양소 ... 21
1.3.1 정량 영양소(macronutrient) ... 22
1.3.2 미량 영양소(micronutrient) ... 23
2. 세포의 작용
2.1 세포막을 통한 물질이동 및 외부환경 감지 ... 26
2.1.1 세포막을 통한 물질이동 ... 26
2.1.2 세포의 외부 환경 감지 ... 28
2.2 DNA 복제 ... 28
2.2.1 자기복제 ... 29
2.2.2 전사 ... 30
2.2.3 번역 ... 31
2.3 대사조절 ... 33
2.3.1 유전적 수준 ... 34
2.3.2 대사경로의 제어 ... 36
3. 효소
3.1 효소의 특성 ... 39
3.2 효소의 구조 ... 40
3.3 효소의 분류 ... 40
3.3.1 산화환원 효소(oxidoreductase) ... 40
3.3.2 전이효소(transferase) ... 40
3.3.3 가수분해효소(hydrolase) ... 40
3.3.4 탈이효소(lyase) ... 41
3.3.5 이성화효소(isomerase) ... 41
3.3.6 합성효소(synthetase) ... 41
3.4 효소의 작용 ... 41
3.5 의학 및 산업적으로 활용되는 효소의 종류 ... 43
3.5.1 산업적으로 사용되는 효소 ... 43
3.5.2 효소의 의학적 응용 ... 46
3.6 효소의 대규모생산 ... 47
3.7 효소의 고정화 ... 48
3.7.1 포괄법(가두기) ... 48
3.7.2 흡착법 ... 49
3.7.3 공유결합법 ... 49
3.7.4 가교화법 ... 49
3.8 고정화 효소 응용 예 ... 49
3.9 효소 센서 ... 51
3.9.1 효소 센서의 제작 ... 51
3.9.2 효소 센서의 측정원리와 응답 ... 55
3.9.3 효소 센서의 예 ... 56
4. 세포 생화학 반응
4.1 개요 ... 59
4.2 생체 에너지론(bioenergetics) ... 60
4.3 포도당 대사 ... 63
4.3.1 해당과정(glycolysis) ... 64
4.3.2 TCA 회로(Kerbs 회로) ... 66
4.3.3 전자전달체인 ... 68
4.3.4 주요 대사경로의 제어부위 ... 70
4.4 생합성(Biosynthesis) ... 71
4.5 혐기성대사 ... 73
4.6 아미노산 합성 ... 77
4.7 이차 대사산물 합성 ... 79
4.8 독립영양대사 개관 ... 79
4.8.1 명반응(light phase) ... 80
4.8.2 암반응(dark phase) ... 81
5. 발효공학
5.1 미생물 이용의 역사 ... 85
5.2 미생물 이용의 장단점 ... 86
5.2.1 미생물 이용의 장점 ... 86
5.2.2 미생물 이용의 단점 ... 86
5.3 미생물을 이용한 산업분야 ... 87
5.4 미생물의 생육속도론 ... 87
5.4.1 증식속도(growth rate) ... 87
5.4.2 비증식속도(specific growth rate) ... 88
5.4.3 증배시간(doubling time) ... 89
5.5 미생물의 영양과 배지 ... 90
5.6 미생물의 생장온도와 pH ... 90
5.6.1 온도 ... 90
5.6.2 pH ... 91
5.7 기본 발효공정 ... 91
5.7.1 발효시 고려사항 ... 92
5.8 발효공정 종류 ... 93
5.8.1 균체의 생산 ... 93
5.8.2 효소 ... 93
5.8.3 미생물 대사산물 ... 93
5.9 미생물배양법 ... 94
5.9.1 액체배양 ... 94
5.9.2 고체배양 ... 94
5.9.3 기질의 공급방법에 따른 배양법 ... 95
5.10 배지 ... 98
5.11 발효조 ... 99
5.11.1 발효조의 종류 ... 99
5.12 미생물 공업의 전망 ... 101
5.13 식물세포 배양 ... 102
5.13.1 식물세포 캘러스배양 ... 102
5.13.2 식물세포 현탁배양 ... 103
5.13.3 식물세포 고정화 배양 ... 103
5.14 동물세포 배양 ... 104
6. 유전정보의 변경 및 그 응용
6.1 돌연변이 ... 108
6.1.1 돌연변이 과정 ... 108
6.1.2 원하는 돌연변이주(mutant)의 선별 ... 109
6.1.3 Replica-plating법에 의한 영양요구성 돌연변이주(auxotroph)의 분리 ... 109
6.2 유전자 전달 및 재배열 메커니즘 ... 110
6.2.1 유전자 재조합 ... 110
6.2.2 형질변환 ... 112
6.2.3 형질도입 ... 113
6.2.4 접합 ... 113
6.3 세포의 유전공학적 처리 ... 115
6.3.1 유전공학의 기본요소 ... 115
6.3.2 동·식물세포의 유전공학적 처리 ... 118
6.4 생성물의 종류가 공정에 미치는 영향 ... 119
6.5 숙주(host)-운반체(vector) 시스템 선정 ... 119
6.5.1 대장균 ... 120
6.5.2 그람양성 박테리아 ... 120
6.5.3 효모 및 곰팡이 ... 121
6.5.4 곤충 및 동물세포 ... 121
6.6 재조합 세포 배양의 불안정성 ... 122
6.7 운반체로서 고려되어야 할 점 ... 123
6.8 대사공학 ... 123
6.9 단백질공학 ... 124
7. 동물세포 배양 및 그 생산물
7.1 세포 배양을 위한 동물세포의 처리 ... 128
7.2 배양 대상의 선택 ... 128
7.3 배양세포의 균일성 ... 129
7.4 동물세포 배양에 사용되는 배지 ... 129
7.5 동물세포의 대사 ... 131
7.6 포유동물세포의 배양 조건 ... 131
7.7 포유동물세포의 배양 도구 ... 132
7.8 동물세포 배양의 종류 ... 133
7.8.1 초대배양 ... 133
7.8.2 계대배양 ... 134
7.9 동물세포 배양용 장치 ... 134
7.10 동물세포 배양용 반응기의 종류 ... 135
7.10.1 미세담체 ... 135
7.10.2 실관 ... 135
7.10.3 세라믹 메트릭스 ... 136
7.10.4 겔 비드 ... 136
7.10.5 미세 캡슐화 ... 136
7.11 동물세포 배양의 생산물 ... 136
7.11.1 바이러스 백신 ... 137
7.11.2 단가항체 ... 137
7.11.3 면역조절 인자 ... 138
7.11.4 호르몬 ... 138
7.11.5 효소 ... 139
7.11.6 조직 및 장기 배양 ... 139
8. 효소반응속도론
8.1 반응속도의 정의 ... 141
8.2 반응차수(reaction order) ... 142
8.3 반응속도 상수(reaction rate constant) ... 143
8.4 단순 정용반응계의 반응속도식(reaction rate expression for a simple constant volume reaction system) ... 143
8.4.1 비가역 1차 반응(irreversible first order reaction kinetics) ... 143
8.4.2 0차 반응(zero order reaction kinetics) ... 144
8.4.3 비가역 연속반응(irreversible serial reaction) ... 145
8.4.4 반응차수가 변동되는 반응속도식 ... 148
8.5 효소 반응속도론(enzyme reaction kinetics) ... 149
8.5.1 단순 효소속도론의 수학적 모형(Michealis-Menten Kinetics) ... 150
8.5.2 Michaelis-Menten 속도식의 속도상수의 결정 ... 152
8.5.3 알로스테릭 효소(allosteric enzyme) 속도론 ... 153
8.5.4 저해반응에서의 효소 속도론 ... 154
8.5.5 기질 저해 작용이 있을 때의 효소 속도식 ... 158
8.6 반응속도의 온도 의존성 ... 159
8.6.1 활성화 에너지 구하는 방법 ... 159
8.6.2 효소반응의 온도의존성 ... 161
8.7 효소 반응속도의 pH 의존성 ... 162
9. 생물 반응기
9.1 회분식 배양기 ... 166
9.2 연속식 배양기 ... 168
9.2.1 연속교반 배양기 ... 169
9.2.2 키모스텟 배양기의 물질수지 ... 170
9.3 유가식 반응기 ... 177
9.3.1 준정상상태 ... 177
9.3.2 유가식 배양에서의 생성물의 형성 ... 180
9.3.3 반복형 유가식 배양(repeated fed-batch culture) ... 181
10. 고정화 효소 및 세포반응
10.1 고체 촉매반응 속도식과 물질전달에 대한 저항 ... 184
10.2 기공확산저항이 지배할 경우 반응속도식 ... 186
10.2.1 단일원통형 기공에서 확산-반응이 일어날 때(1차 반응의 경우) ... 186
10.2.2 구형 지지입자 내에서 확산-반응이 일어날 때(Michaelis-Menton 속도식의 경우) ... 190
10.3 경막저항 및 기공 확산저항이 동시에 지배할 경우의 반응속도식 ... 195
11. 생성물의 회수와 정제
11.1 생성물의 회수와 정제 전략 ... 197
11.2 불용성 입자의 분리 ... 199
11.2.1 여과 ... 199
11.2.2 원심분리 ... 200
11.2.3 응고와 응집 ... 201
11.3 세포파쇄 ... 202
11.3.1 기계적 방법 ... 202
11.3.2 비기계적 방법 ... 202
11.4 가용성 생성물의 회수 및 정제 ... 202
11.4.1 액-액 추출(용매추출) ... 203
11.4.2 침전 ... 205
11.4.3 흡착 ... 206
11.4.4 한외여과 ... 210
11.4.5 역삼투 ... 212
11.4.6 투석 ... 214
11.4.7 크로마토그래피 ... 214
11.4.8 전기영동 ... 220
11.5 정제의 마무리 단계 ... 222
11.5.1 결정화 ... 222
11.5.2 건조 ... 225
12. 환경 미생물 및 그 응용
12.1 환경 미생물의 종류 ... 229
12.1.1 바이러스(virus) ... 229
12.2.2 원생생물(protists) ... 230
12.2 혼합배양 ... 233
12.2.1 공생 ... 234
12.2.2 경쟁 및 편해 ... 236
12.2.3 기생 및 포식 ... 236
12.2.4 혼합배양의 산업적 이용 ... 237
12.3 환경 미생물의 응용 ... 238
12.3.1. 수질오염, 대기오염 및 고체폐기물의 처리 ... 238
12.3.2 미생물에 의한 생분해성 플라스틱 생성 ... 238
12.3.3 미생물에 의한 연료생산 ... 244
12.3.4 미생물을 이용한 원유회수 및 탈황 ... 246
12.3.5 미생물에 의한 금속회수 ... 248
13. 생물학적 수질오염 처리
13.1 생물학적 폐수처리 ... 251
13.1.1 폐수의 종류와 성분 ... 251
13.1.2 생물학적 처리의 종류 ... 254
13.2 호기성 폐수처리 ... 254
13.2.1 활성 슬러지 공정 ... 254
13.2.2 생물막 처리법 ... 261
13.3 혐기성 폐수처리 ... 263
13.3.1 혐기성 슬러지 소화 ... 264
13.3.2 기타 혐기성 폐수 처리방법 ... 266
13.4 생물학적 고도 처리 ... 266
14. 퇴비화, 토양처리법 및 생물학적 대기오염 처리
14.1 퇴비화 ... 269
14.1.1 퇴비화 공정 ... 269
14.1.2 퇴비화 공정의 환경변화 ... 270
14.1.3 퇴비화 공정의 주요 환경인자 ... 274
14.2 토양처리법 ... 275
14.2.1 폐기물 처리 도구로서 토양의 특성 ... 276
14.2.2 처리 가능한 폐기물의 종류 ... 276
14.2.3 유류 슬러지의 토양처리 ... 277
14.3 생물학적 대기오염 처리 ... 277
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