제8장 미생물의 생장

8.1 서론

 

생장(growth)은 모든 살아있는 생물체들의 특성이다. 고등생물에서 개체의 생장은 크기의 증가로 나타나며 그것은 세포 분화(cell differentiation)를 포함한 복잡한 생리학적 성숙 과정을 동반하게 된다. 생장은 또한 개체군(population)의 수준에서 도 고려될 수 있는데 동물에서는 생장이 여러 가지 요인 중에서 유성 생식 (sexual re production)의 복잡한 기작에 의해 지배된다. 개별적인 생물체의 생장은 물론 세포 분열(cell division)의 결과이다.

 

그러나 세균에서는 이분법 (binary fission)에 의한 세포 분열이 직접적으로 개체군의 크기에 영향을 미치게 되는데 그 이유는 각각의 새로운 세포가 새로운 개체를 형성하기 때문이다. 개별적인 세포의 생장은 물론 일 어나지만 세균에 대한 많은 연구에 의하면 개체군 수준에서의 현상이 일반적으로 가장 흥미있는 것이다. 이번 장은 이분법에 의해 증식하는 미생물 개체군의 생장에 주로 국한될 것이다.

 

런 개체군의 생장에 대한 대부분의 실험적 연구는 세균을 이용한 것이며 다음에 나올 내용들도 일반적으로 세균에 대한 것들이다.

 

8.2 생장의 수학적 표시

 

호조건 하에 탄소와 에너지원 및 필수 영양물질들이 존재할 때 세포는 이분법으로 분열하여 개체군내의 세포의 수는 1, 2, 4, 8, 16, 32.....으로 증가해 나간다. 상당 기 간에 걸쳐 생장에 유리한 배양 조건이 유지된다면 세포 분열은 주기적으로 일어나 고 개체군은 일정한 간격마다 크기가 2 배로 된다. 만일 세포가 모두 같은 방식으로 증식한다면 개체군 크기의 불연속적인 단계적 증가가 일어날 것이나 실제로는 많은 수의 세포를 포함하고 있는 배양의 경우 신속하게 동일성이 깨져서 그림 8.1에 나타난 것과 같은 세포수(N)나 생체량(X)의 시간에 따른 급진적 증가를 관찰할 수 있다.

 

그림 8.1에 보이는 생장의 종류는 지수적 (exponential) 또는 대수적 (logarithmic) 이라 하는데 1, 2, 4, 8, 16, 32 등의 연속은 2, 2', 2, 2, 24, 25....로 나타낼 수 있다. 따라서 만일 logN을 시간에 따라 나타내면 그림 8.2에 있는 직선 관계를 얻을 수 있다. 이것은 보다 편리한 결과 표시 방법이 되는데 그 이유는 직선의 기울기가 지수 생장률, K가 되기 때문이다: 생장률(growth rate)은 또한 평균 배가 시간(doubling time, 1/K)으로 표시할 수도 있다. 배가 시간은 세포수가 2 배로 되는데 걸리는 시간으로 세대 시간(generation time)이라고도 부른다. 그림 8.2에 있는 예에서 지수 생장률은 0.67 h'이며 평균 배가 시간은 1.5 시간이다.

 

8.3 생장곡선 회분식

 

배양(batch culture)에서는 지수 생장이 일어나는데 필요한 조건들을 분명 히 영원히 유지하지 못하게 된다. 따라서 그림 8.1과 8.2의 곡선들은 적당한 배지에 의 접종 후 일어나는 현상의 일부분만을 나타내는 것이다.

 

접종 후에 생장이 일어나지 않는 분명한 불활성의 기간이 존재할 수도 있다. 이 것은 유도기(lag phase)라고 부르며 이 기간의 발생과 지속 시간은 여러 가지 요인에 의해 조절된다. 유도기는 일반적으로 접종 물(inoculum)이 다른 조성의 배지로 부 터 온 경우에 일어나거나 또는 이미 생장이 정지된 세포들은 경우에 일어날 수 있다. 이때 생장의 지연은 세포가 새로운 기질을 대사 하는데 필요한 효소를 합 성하 는데 걸리는 시간 때문에 생긴다.

 

세포에 항상 존재하지 않고 기질이 존재할 때만 합성되는 효소를 유도효소(inducible enzyme)라 하며 일반적으로 항상 존재하는 효소는 구성 효소(constitutive enzyme)라고 부른다. 만일 새로운 기질이 구성 효소에 의해 대사 된다면 유도 기는 지속 기간이 매우 단축되거나 또는 전혀 없을 수도 있다. 유도 기는 동일한 배지에서 지수 생장을 하는 개체군을 접종했을 때 매우 짧거 나 없을 수 있다. 그러나 지수 생장을 멈춘 개체군으로부터의 접종 물은 새로운 배 양에서 생장의 개시까지 상당한 유도 기를 요구하게 된다.

 

세포들이 자라기 시작함에 따라 개체군은 대수기(exponential phase)로 접어들며 일정한 속도로 분열한다. 대수기의 길이는 기질의 양에 의해 제한되는데 생장은 생 물체가 요구하는 모든 필수적인 영양 물질이 존재할 때에만 일어나며 그중 하나라 도 고갈되면 생장이 정지한다. 다른 것보다 먼저 고갈되는 특정한 성분을 생장 제한 영양물질(growth-limiting nutrient)이라 부른다.

 

따라서 배양은, 예를 들면 탄소, 질소 또는 인의 부족에 의해 심지어는 철이나 마그네슘같은 미량 원소에 의해서도 제한받을 수 있다. 제한된 기질이 고갈됨에 따라 생장률은 감소하고 개체군은 생장률이 0인 최대정 지기 (maximum stationary phase)에 들어가게 된다.

 

이 기간 동안 개체군은 생존력 을 잃지 않고 상당 기간 유지되는데 만일 고갈된 영양물질이 보충되거나 접종 물이 새로운 배지로 옮겨지면 세포들은 또다시 분열하기 시작한다(가끔 짧은 유도기가 존재할 수도 있다). 비록 실질적인 생장은 최대 정지기 동안 일어나지 않지만 일부의 세포 활성은 생존력의 유지를 위해 세포 내 저장물을 이용하여 지속된다. 이런 현상 은 8.5.2절에서 자세히 설명되어 있다. 생존력은 제한된 기간 동안만 유지되며 일부 세포 기능이 완전히 소실됨에 따라 죽기 시작한다. 궁극적으로 세포들은 또한 구조 적 완전성을 잃으며 분해되기 시작하는데 이 과정을 용해(lysis)라 한다. 정지기 후 의 생존력과 세포 물질량의 감소가 일어나는 시기를 사멸기(death phase)라고 부른 다. 전형적인 세균 배양의 모든 생장의 단계를 보여주는 완전한 곡선이 그림 8.3에 나와 있다.

 

8.4 생장에 영향을 미치는 요인들

 

8. 4.1 기질 농도

 

(a) 생장율에 미치는 영향 Batch culture에서 기질 농도가 높을 때 지수 성장이 일어나며 기질 농도가 매우 낮아지면 성장률이 감소한다. 실제로 노는 [S]가 낮을 때 뚜렷하게 영향을 받으나 [S]가 높을 때에는 이런 효과가 감소하며 [S]가 계속 증가하더라도 는 최댓값(max)을 그대로 유지한다. 세포의 거의 모든 대사 과정은 효소에 의해 조절되기 때문 기질 이용률, 세포 성분의 합성률과 이들로 인한 생장률은 효소 촉매 반응의 반응 속도론과 관련될 것으로 추측할 수 있다. 실제로 batch culture에서 생장률에 미치는 기질 농도의 영향은 위의 사실들과 일 치하며 다음과 같이 나타낼 수 있다.

 

여기서 K는 가 max의 1/2일 때의 기질 농도이다. 효소촉매 반응속도와 기질 농도의 관계를 나타내는 미카엘리스-멘 텐 공식 (Michaelis-Menten equation)과 방정식 (8.8) 은 매우 유사하다. [S]와 의 관계로부터 얻어지는 곡선은 효소 반응속도에서의 Vo와 [S]의 곡선과 유사하다. 그러나 세균 배양에서의 지수 성장과 효소 촉매 반응속도는 직접적으로 유사한 것이 아니며 각 경우에 속도에 미치는 [S]의 정확한 효과도 다르다.

 

미카엘리스-멘 텐 공식은 초기 기질 농도의 측면에서 나타낸 것으로 Vo 값은 효소 반응의 초기에 얻을 수 있는 값인데 그 이유는 효소 농도는 보통 기질 농도에 비해 매우 낮으며 실제 기질 농도는 초기 기질 농도와 거의 같기 때문이다. 그러나 성장하고 있는 세균 배양에 서 가 일정하다고 생각되는 대수기 동안 [S]에 매우 큰 변화가 일어난다. 방정식 (8.8)이 맞기 위해서는 만일 [S]가 초기 농도라면 따라서 생장률이 이 초기 기질. 농도에 따라 어떻게든 고정되어야 하고 기질의 상당 부분이 이용된 뒤에도 유지돼 어야 하는 것이 필요하다.

 

이것은 실제로 많은 세균 배양에서의 경우이며 방정식 (8.8)은 따라서 초기 기질 농도로 표시될 수 있다. 그러나 어떤 조건에서는 가 [S]의 작은 변화에 의해서도 영향을 받는데 그런 경우는 기질 농도가 초기에 낮으며 상당 기간에 걸친 일정한 값의 1로 특징 지워지는 진정한 지수 생장이 일어나지 않는다. (b) 세포 수율에 미치는 영향 Batch culture에서는 기질 이용율이 0에 이를 때 최대 정지기에 들어간다. 이 지 점에 도달할 때 기질의 세포로의 최대 전환이 얻어진다. 이것은 세포 수율 계수(cell yield coefficient, Y)라는 용어로 나타낼 수 있다. (8.9) | X-X. - [S]-[S] 여기서 생체량 농도(biomass concentration)를 나타내는 X는 N대신 사용되는데 그 이유는 세포 수율을 보통 세포량(cell mass)으로 나타내기 때문이며 [S]는 기질의 성질과 결과의 응용에 따라 gram, gram mole, BOD, COD 또는 다른 단위로 나타 8.4 생장에 영향을 미치는 요인들 183 사실들과 일낸다.

 

많은 세균과 기질들을 대상으로 하여 Heijnen과 Roels(1981)는 탄소에 기준 한 전형적인 수율이 0.4-0.6의 범위라고 보고하였는데 이 수치는 0.8까지도 올라갈 수 있으며 낮을 때는 0.1을 나타내기도 한다. 분명히 Y는 생물체의 종류, 기질 그리 고 배양조건에 따라 결정된다. 그러나 주어진 배양에서 그것은 그림 8.4에 보이는 것과 같이 전체 기질 이용 기간을 통해 일정하다.

 

8.4.2 온도

 

미생물의 성장이 일어날 수 있는 온도 범위는 물이 어는 온도에서 약 80°C 사이 인데 이 범위의 상당히 바깥에서도 생존이 가능하다. 그러나 어떤 단일 종도 이 범위 내의 모든 온도에서 자라지는 못한다. 성장할 수 있는 온도에 기준해서 세균을 3 개의 주요한 종류로 나눌 수 있는데 이것은 표 8.1에 나와 있다.

 

최저와 최대로 견딜 수 있는 온도 사이의 범위에서 생장에 미치는 온도의 전형적 인 영향은 그림 8.5에서 보는 바와 같다. 낮은 온도에서는 온도 증가에 따른 생장률 의 점진적인 증가가 많은 화학반응이 가열에 의해 가속화되는 것과 같은 방식으로 대사 반응의 일반적 증진에 의해 일어난다.

 

온도 범위의 상한에서 생장율의 급격한 감소는 일반적으로 단백질의 열변성(thermal denaturation)에 의한 것이다. 이 수준에서 온도는 활성도의 중요한 손실을 가져오는 효소 구조의 입체적 변화를 유도할 수 있다. 급격한 성장률 감소는 세포 내에 존재하는 많은 효소들 중에서 불과 몇 개의 필수적인 효소 활성의 손실 때문에 나타날 수도 있다.

 

8.4.3 pH

 

효소 활성에 미치는 pH의 영향은 일반적으로 제 6장에 나온 방식을 따른다. 단 백질의 3차 구조에 작용하는 활성 부위와 작용기들은 흔히 이온기들을 함유하고 있는데 이것들의 해리(dissociation)는 특별히 pH의 변화에 민감하다. 그러나 온도와 달리 세포질의 pH는 특정한 무기 이온에 대한 막의 선택적 투과성 (selective permeability)을 통해 세포 밖의 pH와 거의 무관하게 많은 생물종들에 의해 조절될 수 있다. 따라서 일부 세균들 특히 Thiobacillus는 2 또는 그 이하 pH의 산성 배지에서도 자랄 수 있으며 또 다른 세균 종류들은 상당히 알칼리성 조건에서 견디는 것들도 있다. 그러나 많은 종들은 생장의 최적 pH가 6에서 8 정도이다.

 

8.5 연속 배양

 

이 수준 화를 유도할 에서 불과 그림 8.3의 곡선은 회분식 배양(batch culture)에서의 미생물 생장을 나타낸 것이 며 자연적인 개체군의 동태를 이해하는 데에는 여러 가지 면에서 제한적인 가치만 을 가지고 있다. 실제로 많은 체제에서 개체군의 생장은 회분식 생장 또는 연속적인 회분식 생장으로 일어나지 않는다. 그런 개방된 체제에서 생장은 다소 연속 적으 로 진행될 수 있으며 그때 기질의 투여와 기질 이용 사이에, 사멸, 포식, 체제로 부터의 이동 등에 의한 세포의 감소와 세포의 생장과의 사이에 균형이 존재하게 된 다. 실험실의 회분식 배양과 개방된 자연적 체제 사이의 또 다른 중요한 차이는 전장에서의 기질 농도가 종종 후자에서 보다 훨씬 높다는 것이다.

 

자연적 체제와 매우 유사한 배양은 chemostat를 사용하면 얻어질 수 있다. 그것 은 그 이름이 암시하듯이 안정 상태(steady state)에서 배양 조건을 조절할 수 있는 장치로 미생물 개체군의 연속적 생장을 가능하게 하며 또한 불안정 상태 조건의 효 과를 연구하는 데에도 효율적으로 이용된다. 간단한 chemostat의 형태는 교반기 (stirrer)가 있는 용기에서 성장하고 있는 배양에 조절될 수 있는 속도로 배지가 투여되고 배양액의 부피와 생물량 농도는 넘침 장치(overflow device)로 일정하게 유지되는 것으로 구성되어 있다.

 

용기에 투입되는 새 배지의 양만큼 배양액이 chemostat를 떠난다. 안정 상태의 생물량 농도, X는 개체군의 생장율이 유출 배양 액으로의 계속적인 세포 유출을 상쇄할 수 있어야만 유지될 수 있다. 간단한 chemostat의 형태가 그림 8.6에 나타나 있다. 만일 생물량이 증가한다면 그것은 [S]의 농도를 갖고 있는 공급되는 기질을 이용하기 때문이다. 연속 배양은 보통 완전 혼합의 조건하에서 실행된다. 이것은 공급된 생장 배지가 모두 즉각적으로 전체 배양액으로 분산되어서 반응 조네의 기질 농도가 [S]로 표기되는 반응조로부터의 유출액과 같다는 것을 의미한다.

 

방정식 (8.8)에 따 르면 배양의 생장은 이 경우 기질 농도 [S]에 달려 있다. 만일 초기에 I> D 이면 X는 증가할 것이고 [S]이 일정하게 유지되면 이용되는 기질의 양은 증가하게 된 다. 이것은 반응 조네의 [S]를 낮은 값으로 만들게 된다. 그러나 낮은 값의 [S]는 의 감소를 일으키게 되며 높은 X와 낮은 노는 점차 D에 가깝게 만든다.

 

유사하게 만일 <D 이면 X가 감소하고 S가 증가하여 는 다시 D에 가깝게 된다. I=D, dX /dt=0 인 점에서 X와 따라서 [S]는 일정한 안정 상태의 값을 갖게 된다. 안정 상태에서 X, [S], [S], 와 D 사이의 관계는 다음과 같다. L=D 이므로 방정식(8.8)은 다음과 같이 표시될 수 있다: