생장 요인에 따른 미생물 종류

미생물의 활동에 영향을 끼치는 요인들은 크게 4가지, 온도, pH, 수분 가용성, 산소가 있다

온도는 미생물의 분류에 있어 가장 큰 영향을 끼치는 요인이다

최적 생장 온도에 따라 4가지 그룹이 있다

저온균(Psychrophile)은 낮은 온도에서 최적의 생장 온도를 보여주는 그룹이다

중온균(Mesophile)은 중간 온도에서 최적의 생장 온도를 보여주는 그룹이며 대부분의 미생물이 중온균에 해당된다

고온균(Thermophile)은 높은 온도에서 최적의 생장 온도를 보여주는 그룹이다

초고온균(Hyperthermophile)은 고온균보다 더 높은 온도에서 최적의 생장 온도를 보여주는 그룹이다

(이미지 출처 : http://classes.midlandstech.edu/carterp/courses/bio225/chap06/06-01_GrowthRates_1.jpg)

저온에서의 미생물 생장은 3가지가 있다

극한 생물(Extremophiles)은 매우 뜨겁거나 추운 환경에서 자라는 생물이다

저온균은 위에서 언급한 대로 추운 온도가 최적인 생물이다

내냉성 미생물(Psychrotolerant)은 0℃ 이하에서도 자랄 수 있지만 최적은 20℃ ~ 40℃ 인 생물이다

초저온성 생물보다 자연에서 널리 분포된 그룹이다

이들은 변형된 세포막과 높은 불포화 지방산을 함유하고 있어 수송 과정도 낮은 온도에서 최적을 보여줘 분자 수준으로 적응한 존재들이다

저온에서 가장 활성화되는 효소의 생산과 더 큰 유동성을 제공하는 특성을 가지고 있다

(이미지 출처 : https://hashtagbcbg.files.wordpress.com/2014/02/mga2-03-25.jpg)

단백질의 특징으로 B-sheet(베타 시트, β-Sheet) 병풍구조보다 a-helix (알파 헬릭스, α-Helix) 나선 구조를 더 많이 보여주며 이는 저온에서 단백질의 3차 구조는 나선형처럼 유연한 구조가 필요한 것이다

더 많은 극성 아미노산을 가지며 적은 소수성 아미노산을 가지고 더 적은 약한 결합을 가지므로써 단백질 도메인간 상호작용을 줄여 최소한의 대사 에너지를 보여준다

고온에서의 미생물 생장은 다음과 같다

고온균(Thermophiles)은 최적의 생장온도가 45℃ ~ 80℃인 개체이다

초고온균(Hyperthermophiles)은 최적의 생장온도가 80℃ 이상인 개체들이다

이의 예시로 끓고 있는 온천, 혹은 해저의 열수 분출공 등 100℃ 이상인 곳에서 서식할 수 도 있다

이곳에서는 화학유기영양체, 화학무기영양체가 존재하며 높은 원핵생물(고세균, 세균)의 다양성을 보여준다

높은 온도에서는 진핵 생물보다 원핵 생물이 더 높은 온도에서 살 수 있으며 광영양보다 비광영양이 더 높은 온도에서 생존이 가능하다

고세균이 가장 높은 온도에서 살 수 있으며 분자적 적응으로 효소와 단백질이 안정성을 제공한다

중요 아미노산이 열에 강한 접힘으로 제공되어지며 염기와 산선 아미노산 간의 이온화 결합 수 증가로 수용성 세포질에서 집힘이 풀리는 것을 방지한다

용질 생산의 예시로 Di-inositol phosphate, diglycerol phosphate들으로 단백질이 안정화를 제공하며 세균의 포화 지방산으로 만들어진 지질을 통한 열 안정성 확보로 세포막 변형을 방지한다

추가로 고온 미생물들은 미생물학에 유용한 효소를 만드는데 Taq polymerase가 대표적 예시이며 이는 PCR에서 반복적인 단계 내에 자동화로 널리 쓰여진다

pH, 즉 산성과 염기성은 미생물 생장에 엄청난 영향을 끼치는데 대부분이 6~8pH으로 중성균(Neutrophiles)에 속한다

호산성균(Acidophiles)는 낮은 pH(<6) 에서 가장 잘 자라는 그룹이며 일부는 절대 호산성균(Obligate acidophiles)으로 중성 pH에서 세포막이 파괴되는 그룹도 있어 세포막 안정성이 중요하다

호염기성균(Alkaliphiles)은 높은 pH(>9)에서 가장 잘 자라는 그룹이다

일부는 수소 이온 농도가 낮은 이유로 양성자 동력을 사용하지 않고 Sodium 이온 동력으로 사용하는 균들이 있다

이들은 외부는 매우 산성, 염기성이여도 세포 내 pH는 상대적으로 중성에 가깝다

극호산성균들도 4.6 pH를, 극호염기성균도 9.5 pH를 가지는데 미생물 배양 배지는 일반적으로 일정한 pH를 위해 버퍼(Buffer)을 포함하게 된다

삼투압의 영향으로 수분 활성도(Water activity, aw)가 있는데 이는 수분 이용능이라고도 부린다

수분 활성도에 따라 미생물의 대사량이 좌우되며, 미생물의 장기 보존시에 수분 활성도는 거의 0에 도달하게 된다

일반적으로 세포질은 주변 환경보다 높은 용질의 농도를 가지게 되는데 이는 양성 수분 균형(Positive water balance)로 물이 세포 안으로 이동하는 경향에 따라 세포가 더 높은 용질을 가진 환경에 있을 시(예시로 소금물)에 세포 밖으로 물이 빠져나오는 것을 막기 위해서이다

추가로 달팽이에게 소금을 뿌리면 죽는 이유도 이 때문이다

달팽이의 세포가 높은 용질을 가진 환경에 존재하게 되어 달팽이 내에 있던 수분기가 모두 빠져나와 죽게 되는 것이다

호염균(Halophiles)은 낮은 수분 포텐셜에서 가장 잘 자라는 그룹으로 특별히 NaCl(염화 나트륨, 소금)을 필요로 하는 그룹이다

극호염균(Extreme halophiles)은 그것보다 더 높은 농도인 15 ~ 30%의 NaCl에서 생장할 수 있는 그룹이다

내염성 미생물(Halotolerant)은 환경에서의 수분 활성 감소를 견딜 수 있는 그룹이다

호삼투 미생물(Osmophiles)은 당이 용질로써 높은 농도로 존재하는 환경에서 살 수 있는 생물이다

내건성 미생물(Xerophiles)은 매우 건조한 환경에서 자랄 수 있는 세포이다

세포 내 수분이 외부로 빠질 수 있으니 주변 환경의 낮은 수분 활성에 대처하기 위해 내부 용질의 농도를 높인다

환경에서 무기물 이온을 세포로 가져오는 방법으로 유기 용질의 합성과 농축을 할 수 있게 되며 삼투화합성 용질(Compatible solutes)로 세포 주변 환경의 낮은 수분 활성 상쇄의 화합물을 합성할 수 있다

산소에 영향을 받는 그룹은 다음과 같다

호기성균(Aerobes)은 생존을 위해 산소를 필요로 하는 그룹이다

혐기성균(Anaerobes)은 산소를 필요하지 않으며 SOD 결여시 산소에 노출될 때 사멸할 수 있다

조건성 생물(Facultative organisms)은 산소가 있거나 없거나 살 수 있는 그룹이다

내기혐기성균(Aerotolerant anaerobes)은 비록 사용할 수 없지만 산소가 있는 환경에서 견디며 생존 가능한 그룹이다

미호기성균(Microaerophiles)은 공기 중에서보다 적은 양의 산소가 존재할 때만 사용할 수 있는 그룹이며 대표적으로 Helicobacter, 헬리코박터균이 있다

산소에 영향을 받는 미생물을 배양하기 위해 사용하는 것으로 환원제(Reducing agents)를 사용할 수 있는데 이는 산소를 줄이기 위해 배지게 첨가될 수 있는 화학 시료로 대표적으로 Thioglycolate 배양액이 있다

이는 산소를 줄이기 위해 배지에 첨가되며 산소 필요도에 기초해 미생물을 분리해내는 복합 배지로 산소와 반응하여 산소가 튜브 윗부분을 통과할 수 있게 한다

독성을 갖는 산소형태(ROS)로 세포 내에서 독성을 가진 산소를 몇 가지 만들어질 수 있다

단일항 산소(Single oxygen), Superoxide 음이온(Superoxide anion), 과산화수소(Hydrogen peroxide), 수산라디칼(Hydroxyl radical) 이 있다

이들의 독성 산소 종들의 대부분을 중성화하기 위한 효소들도 존재한다

카탈라아제(Catalase), 페록시다아제(Peroxidase), 과산화물 불균등화 효소(Superoxide dismutase), 과산화물 환원효소(Superoxide reductase)가 있다