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자연환경에서 미생물 분리

샘플

자연환경에서 산업용 미생물을 분리하기 위한 두가지 전략적 접근방식이 있다.

1. 샷건(shotgun) 방식

무작위적인 샷건 방식은 동물, 식물, 토양, 하수, 개울물 등의 특이한 인공적 장소나 자연적 미생물 서식지 등에서 미생물군(microbial community)의 샘플을 수집하는 것이다.

이렇게 수집한 분리균주를 대상으로 원하는 특성을 가진 미생물을 선별하는 방식이다.

2. 목표(objective) 지향적 접근법

원하는 특성을 갖는 미생물이 있을 법한 장소에서 샘플링하는 것이다.

배양

일단 샘플을 채취하고 나면 목적하는 미생물을 분리할 때 사용하는 생육배지와 배양조건을 결정해야 한다.

초기 단계에는 일반적인 미생물의 증식을 억제시키거나 사멸시키고, 목적하는 미생물이 잘 생장할 수 있는 조건을 만들어준다.

분리

적절한 생육조건과 선택배지를 이용해  고체배지 상에서 단일 균주 상태로 순수분리한다.

단일균주의 순수 배양체로 분리하고 난 뒤, 각각의 미생물을 특정효소나 저해 화합물 생산 등의 특정 목적을 위해 분리해야 한다.

미생물의 특징

생육이 빠르며 대량배양이 쉽다.

대부분 폐기물로 취급될 수 있는 값싼 기질을 이용해 다양한 산물을 생산한다.

유전자 조작이 쉽기 때문에 미생물을 이용해 새로운 생산물을 제공하는 발효산업에 유리하다.

미생물을 산업적으로 이용할 경우에 법적 규제에 대한 여러가지 사항들을 반드시 고려해야 한다.

발효산업에서는 이미 공인되어 '일반적으로 안전하다고 인정되는(Generally rearded as safe,GRAS)' 미생물의 사용을 선호한다.

새로운 미생물을 사용할 경우, 이에 수반하는 공정과 제품승인에 대한 요구조건이 까다롭고 비용도 많이 들기 때문이다.

때때로 병원성 미생물이나 유전자조작미생물(Genetically Manupulated Microorganism, GMM)을 이용할 경우, 추가적인 안전장치를 고려해야 한다.

1-2 균류(fungi)

다양한 진핵세포 미생물 그룹들을 포함한다.

대부분 실모양의 균사(사상균)로 되어있기 때문에 곰팡이라고 불리기도 한다. 단, 효모는 단세포로 된 균류이다.

사상균은 광합성을 하지 않고 영양소를 흡수해야 하기에, 다양한 가수분해 효소를 분비한다.

사상균은 균사(hyphae) 단편이나 적절한 환경에서 발아하는 포자(spore)에서 발생한다.

빠른 속도로 자라지만 굵기는 변함이 없어 표면적을 최대로 유지해 영양소 흡수를 돕는다.

1-2-1 조균류

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1-2-2 자낭균류

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1-1 원시핵생물(prokaryote,프로캐리오트)

원시핵생물은 고세균(archaebacteria 또는 archaea), 진정세균(eubacteria) 두 그룹으로 분류할 수 있다.

1-1-1 고세균(archaebacteria)

대부분의 고세균은 매우 극단적인 환경에서 서식한다.

높은 염농도에 적응한 호염균(halophile), 메탄을 생성시키는 메탄균(methanogen), 고온에 적응한 고온균(thermophile), 고압에 적응한 호압균(barophile)

고세균들은 상대적으로 작은 유전체(genome,지놈/게놈)를 갖는데, 이는 진정세균에 비하면 1/2 수준이다.

그람염색(gram staining)에 따라 원시핵세포를 더 세분화할 수 있다.

세포벽이나 외막 구조에 따라 염색결과가 달라지는데, 고세균의 세포벽 조성은 현저하게 달라서 구분하기 쉽다.

진정세균의 세포벽 조성과 상당히 다르고, 특이한 세포막 지질도 포함한다.

1-1-2 진정세균(eubacteria)

진정세균은 대부분의 산업용 원시핵세포 생물을 포함한다. 

원시핵세포 생물은 진정세균과 상당히 다른데, 특히 전사와 단백질합성 관련된 해독기구에서 진핵세포와 비슷한 특징을 보인다.

형태적 다양성(크기와 모양: 간균,구균,나선균 등), 구조적 다양성(그람양성과 그람음성 / 세포벽,외막 / 편모나 섬모) 등 여러가지 다양성이 존재한다.

산업적으로 가치있는 그람양성균과 그람음성균의 특성을 살펴보자.

1. 대장균, 그람음성균

대장균(Escherichia coli,에스체리치아 콜라이)은 사람의 대장과 온혈동물들의 장하부에 서식하는 세균이다.

20분 정도의 짧은 배가속도로 빠른 증식률을 보인다. 이로인해 산업적으로 유용하게 사용되는 미생물이다.

다른 생물의 이종단백질을 생산하는데 유용하지만, 세포의 외막구조 때문에 그람양성균에 비해 단백질을 분비하는 데 어려움이 있다.

  ※ 그람음성균의 세포외막

  그람음성균 세포의 바깥은 세포벽이 아니라 세포 외막(envelope)으로 둘러싸여 있으며, 그람양성균의 세포벽(cell wall)보다 더 복잡한 구조를 갖는다.

  세포의 가장 바깥 부분인 세포외막은 이중 막으로 당지질(lipoplysa-ccharude)과 뮤코펩타이드(mucopeptide)를 포함한다.

  이 구조는 작은 분자들의 이동을 방해하지 않지만, 소수성 분자나 단백질의 이동에는 장애가 된다.

  세포외막은 포린(porin) 단백질을 포함하고 있어 작은 분자들이 지나다니는 통로가 된다.

  그리고 당지질은 세제나 다른 항미생물제에서 세포를 보호하는 효과가 있다

  ※ 펩티도글리칸과 주변세포질 공간

  펩티도글리칸은 그람음성균의 외막 안에 지단백질(lipoprotein)로 공유결합되어있는 얇은 층을 가리킨다.

  그람양성균은 20-25개 층의 펩티도글리칸을 갖는 반면, 그람음성균은 1-3개 층으로 구성되어 있다.

  펩티도글리칸 아래쪽에는 주변세포질 공간(periplasmic space)가 있다. 여기에 다양한 단백질, receptor, 여러 효소가 위치한다.

  ※ 세포(세포질)막

  주변세포질 공간의 아래쪽에는 세포막(세포질막)이 있다. 이 막은 세포질기질(cytoplasmic matrix)을 둘러싸고 있다.

  이를 통해 선택적으로 영양소의 출입과 분비가 이루어진다.

  ※ 세포질기질과 세포함유물

  세포질기질은 pH 7.6-7.8을 유지하고, 세포 안팎의 산도 차이는 주로 전자전달과 호흡에 관련된 양자펌프(proton pump)들에 의해 조절된다.

  세포질에는 대사 중간산물과 동화작용, 이화작용에 필요한 효소와 조효소들이 있다.

  전사 및 해독과 단백질 합성에 필요한 기구들도 이곳에 위치한다.

  플라스미드도 세포질에 존재하는데, 사대적으로 작은 구형의 염색체 외 DNA분자이다.

  다당류인 글리코겐은 중요한 탄소와 에너지의 저장 형태이며, 세포질 내에서 봉입체로 관찰되기도 한다.

  특정환경에서는 삼투압조절물질인 비테인 등의 물질들이 축적되기도 한다.

2. 고초균, 그람양성균

Bacillus 속은 다양한 화학종속영양균(chemoheterotroph)으로, 간균의 형태를 한 그람양성균을 포함한다.

이 세포들은 보통 대장균보다 크고, 어떤 종은 편성혐기성(strict aerobe), 다른 종은 통성혐기성 또는 미호기성(microaerophile)이다.

Bacillus 속은 타원형이면서 원통형인 내생포자(endospore)를 형성하는데, 이는 저항성이 높아 나쁜 환경에서도 살아남는다.

고초균(B. subtilis)은 토양미생물로, 다양한 효소들을 생산한다.

특히, 전분분해효소(amylase)와 단백질분해효소처럼 산업용 효소를 생산하는 데 널리 이용된다.

   ※ 그람양성균의 세포외막

  고초균의 세포벽은 그람양성균 세포벽의 대표적인 예이다.

  단순한 구조로 20-25층의 펩티도글리칸으로 되어 있다.

  세포벽 바깥쪽에 폴리펩타이드로 된 캡슐을 만들기도 한다.

  편모를 가질 수도 있으며 편모를 통해서 주향성을 나타내기도 한다.

제 1장 미생물 세포의 구조와 기능

세포

세포(cell)는 단세포생물과 세포분화를 일으킬 수 있는 다세포생물 등 모든 생물의 기본단위이다.

세포들은 액체로 채워져 있고 주로 지질과 단백질로 구성된 세포막(cytoplasmic membrane)으로 둘러싸여 있다.

세포에는 유전정보를 보유하는 핵산(nucleic acid)과 단백질을 합성하는 데 필요한 리보솜(ribosome)이 있다.

원시핵세포(prokaryotic cell)와 진핵세포(eukaryotic cell)로 나눌 수 있다.

원시핵세포(prokaryotic cell)는 막으로 둘러싸인 소기구들을 갖지 않고, 세포내에 거대구조물도 거의 관찰되지 않는다.

주로 DNA로 된 1개의 염색체(chromosome,크로모좀)을 갖는데, 이는 세포질 내에 핵양체(nucleoid) 부위에 위치한다.

염색체 DNA는 보통 원형이나 선형이다.

세포질막 바깥쪽에 세포벽(cell wall)이나 세포외막(cell envelope)을 지니며 일종의 펩티도글리칸을 함유한다.

세포벽 바깥으로는 캡슐이나 점액질의 막, 편모를 갖기도 한다.

이분법(binary fission)에 의해 세포분열을 한다.

진핵세포(eukaryotic cell)

크기는 원시핵세포(prokaryotic cell)보다 크고,

미토콘드리아(mitochondria), 리소좀(lysosome), 골지체(golgi body), 소포체(endolplasmic reticulum), 엽록체(chloroplast) 등 소기관들을 포함한다.

DNA는 여러 개의 선형 염색체로 이루어져 있으며, 히스톤단백질과 결합한다.

이들은 이중막으로 둘러싸인 핵(nucleus) 안에 위치한다.

세포벽으로 둘러싸인 경우, 세포벽은 섬유질 및 그와 유사한 베타-글루칸, 키틴, 실리카 등의 펩티도글리칸과는 구성물질이 다르다.

유사분열(mitosis)이라는 복잡한 과정을 거쳐 세포분열을 일으키고, 대부분 감수분열(meiosis) 과정을 포함하는 유성생식을 한다.