Metabolic function of CTCZYME

 

1. Carbohydrase

 

 

탄수화물의 특성

단위동물에서 사료내 탄수화물의 이용성은 동물의 성장 및 축산물 생산부분에서 매우 중요하다. 

왜냐하면 배합사료내 주요 에너지 공급원은 탄수화물이며, 체내에서 탄수화물의 화학적 반응에 따라 체내 세포를 위한 에너지를 생성하는데 도움을 줄 수 있기 때문이다.

가축의 탄수화물 이용성은 탄수화물을 이루는 화학구조, 이용가능한 탄수화물의 종류 및 함량에 의해
달라진다.
각 탄수화물을 구성하는 탄수화물의 종류 및 함량은 식물체의 구성부분 (종자, 줄기, 및 잎)에 따라 다르다. 

소당류 (oligosaccharide)는 콩과식물에 다량 존재하고 밀과 보리 같은 곡류에도 약 0.5%정도 존재한다. 

소당류는 단위동물 체내에서 소화되는 동안 하부 소화기관에서 장내 박테리아에 의해 발효되어 휘발성 지방산 (volatile fatty acids), 이산화탄소, 메탄 및 수소가스를 생성한다.

하지만 이러한 발효작용은 숙주동물의 성장이나 영양소 이용성에 큰도움이 되지 않는다. 

특히 동물이 소화 및 흡수하기 어려운 형태인 저장 다당류 (mannans, galactans, 및 xyloglucans)를 섭취할 경우 장관내 소화물의 점성이 증가하여 영양소의 이동과 흡수를 방해 한다. 

저장 다당류가 많이 포함된 원료사료를 배합사료에 사용하는 경우 일반적으로 탄수화물 효소가 첨가된다.

 

탄수화물 분해효소의 기질 특이성

탄수화물 분해효소에 해당하는 대표적인 효소들은 arabinoxylan을 분해하는 xylanase, β-glucan을 분해하는 β-glucanase, 전분을 분해하는 amylase, β-mannan을 분해하는 β- mannanase 등이 있다. 

사료내 효소 첨가에 의한 효과는 배합사료내 특정 기질함량에 영향을 받게 되므로 사료내 원료사료의 조성에 따라 최대활성을내는 효소의 첨가량과 탄수화물 분해율이 달라진다. 

따라서 배합사료내 원료사료의 종류와 기질의 함량에 따라 사료내 첨가할 적절한 탄수화물 효소의 종류와 양을 선택해야한다.

 

사료내 β-mannanase 첨가에 따른 효과

β-mannan은 세포벽 탄수화물 구성성분 중 하나이며, β-1,4-mannose, β-1,6-galactose 및 β-1,6-glucose의 구조가 선형으로 길게 이어진 형태이다.

가축사료의 가격절감을 위해 사용되는 대체원료사료의 대표적인 원료인 팜박 (30~35%)과 야자박 (25~30%)의 경우 기존에 사용되는 원료사료에 비해 높은 β-mannan을 함유하고 있어 β-mannanase에 의해 분해될 기질이 다량 존재한다. 

또한, 대두피 (8%)를 포함하고 있는 대두박은 탈피대두박에 비해 β-mannan 함량이 높다 (Dierick, 1989). 

β-mannan은 저장 탄수화물과 마찬가지로 소화물의 점성을 증가시키고 특히 단위동물에게 항영양인자로 작용한다 (Chauhan et al., 2012). 

이는 장점막층을 두껍게 만들어 상피세포 표면을 통해 영양소를 운반하는 운송체의 효율을 떨어뜨리고 장내 점막벽의 신호 수용체와 면역체계를 과도하게 자극시킨다 (Chauhan et al., 2012). 

결국에는 β-mannan은 소화 과정을 방해할 뿐만 아니라 가축의 이용가능한 에너지 함량과 영양소 이용성에도 부정적인
영향을 미친다.

이전 연구에서 동물사료내 β-mannanase의 첨가는 mannan의 glycosidic 결합을 끊어줌으로써 소장내 소화물의 점성을 감소시키고 에너지 대사의 향상 및 비정상적인 면역계 자극을 감소시켜 사료의 영양적 가치를 향상시킬 수 있다고 발표된 바 있다 (Jackson et al., 2004; Cai et al., 2011). 

이처럼 사료내 β-mannanase의 첨가는 동물이 이용가능한 에너지 함량을 증가시킬 뿐만 아니라, 면역반응을 증진시킨다고 알려져 있다.

 

육계사료내 β-mannanase 첨가에 따른 장내 환경 변화

Zou et al. (2006)은 옥수수-대두박 위주의 육계사료내 β-mannanase를 0.05% 사용했을때, 대조구에 비해육계 혈액내 항체함량이 증가했다고 보고했다.

옥수수-대두박위주의 사료에 β-mannanase를 0.09% 첨가했을 때, 육계의 소장 내의 융모의 높이(villus height)에 대한 융와의 깊이 (crypt depth)의 상대적 비율이 증가했고, 공장내 소화물의 점성(viscosity)를
감소시켰다(Mehri et al., 2010).

소장내의 융모의 높이(villus height)에 대한 융와의 깊이(crypt depth)의 상대적 비율 증가는 육계사료내 0.08% β-mannanase를 첨가했을 때도 관찰되었다(El-Masry et al., 2017). 

육계에 Newcastle disease 백신을 접종했을 때, 대조구에 비해 β-mannanase가 0.04% 첨가된 사료를 먹은 닭에서 더 많은 항체를 생산했다 (Zangiabadi and Torki, 2010). 

육계에 Eimeria sp. 접종 시 대조구에 비해 사료에 β-mannanase가 0.04% 첨가된 사료를 먹은 육계에서 공장 내의 융모의 높이 (villus height) 와 융와의 깊이 (crypt depth)의 상대적 비율이 증가했다 (Scapini et al., 2019).

 

 

 

2. Mannan-Oligosaccharide production

 

 

사료내 β-mannanase의 첨가는 동물의 장내에서 β-mannan 내의 beta-1, 4 결합을 분해하여 mannose 또는 mannan-oligosaccharide (MOS)를 방출시킨다. 

방출된 mannose는 에너지원으로 사용되고, MOS는 항생제 대체제의 역할을 한다.

MOS는 prebiotics의 한종류로서 가축의 장내미생물들이 MOS를 이용하면 장내유해균인 Salmonella, E. coli, Clostridium perfringens, and Campylobacter가 감소하고 Lactobacillus spp. and Bifidobacterium spp.을 비롯한 장내 유익균이 증가한다 (White et al., 2002; Castillo et al., 2008). 

또한 MOS는 세포사이의 결합(tight junction)을 강화하고 type-1 fimbriae를 갖고 있는살모넬라 및 대장균과 같은 그람음성균의 표면에 결합하여 유해균이 장세포에 침투하지 못하도록 한다 (Ofek et al., 1977; Spring et al., 2010). 

가축의 장내에서 MOS는 배상세포 (goblet cell)의 합성을 증가시킨다.

배상세포는 유해균을 점액으로 둘러싸는 mucin을 분비하여 유해균이 가축의 체내로 들어오지 못하도록 한다 (Belly et al.,1999).

MOS는 장내 소화물의 발효를 유도하여 단쇄지방산(short chain fatty acids)를생성한다.

생성된 단쇄지방산은 장내 pH를 낮추어 유해균이 서식하기 어려운 환경으로 장내를 변화시킨
다(Oliveira et al., 2008).

MOS는 다양한 메커니즘을 통해 장내환경을 개선시켜 장세포의 생성과 소멸주기를증가시키고, 결과적으로는 융모의 높이(villus height)와 융와의깊이(crypt depth)의 상대적 비율을 증가시켜 영양소의 흡수를 촉진시킨다 (Iji et al., 2001; Yan et al., 2008). 

가축은 β-mannan을 병원체로 인식하여 선천적 면역을 활성화시킴으로써 성장에 사용될 에너지의 일부를 불필요하게 면역반응에 사용한다 (Zhang and Tizzard,1996; Ross et al., 2002). 

사료에 β-mannanase를 첨가하면 β-mannan을 분해시켜 불필요한 면역반응을 억제할 수 있다. 

또한 가축이 외부 병원체에 감염되어 면역반응이 일어날 때, MOS는 IL-12, IFN-γ, ILR-2, ILR-4 등의
사이토카인 발현을 증가시키고 IgG 및 IgA의 분비를 증가시킨다고 알려져 있다(Chacher et al.,
2017;Teng andKim, 2018).

사료에 β-mannanase를 첨가하면 고온에 노출된 가축의 스트레스를 경감시킬 수 있다. 

섬유소는 영양소의 대사과정에서 발생하는 열(heat increment)이 다른 영양소에 비해 높은데, β-mannanase의 첨가는 섬유소 이용성을 증가시켜 heat increment를 감소시키고, 결과적으로는 고온스트레스 극복에 도움이 된다.