13. 균체의 구성성분

균체는 화학적으로 수분의 약 80%를 함유하고 있습니다. 또한 단백질, 탄수화물, 지질, 핵산, 비타민 및 무기 물질로 구성되어 있습니다. 균체의 화학 성분은 미생물의 종류에 따라 다르며, 같은 균주라도 배양액의 생성, 배양 시간, 성장 속도에 따라 달라집니다. 균체의 성분을 분석하여 배양할 때 주의해야 할 점을 알아보겠습니다.

 

A. 수분

액체 형태로 미생물을 배양한 후 여과 또는 원심분리를 통해 얻은 습윤 세포 덩어리(wet cell mass)를 건조기에서 항량 건조해 건조 세포 덩어리(dry cell mass)를 만듭니다. 습윤 곰팡이 체내의 세포와 세포 공간 사이에도 수분이 존재합니다. 따라서 습윤 박테리아를 얻었을 때 배양액을 원심분리하거나 여과하여 미생물의 수분 함량을 얻으므로 작동 과정에 따라 약간의 차이가 있습니다. 일반적으로 대부분의 박테리아는 수분이 80%, 효모는 수분이 75%, 곰팡이는 수분이 약 85%입니다.

 

B. 단백질

건조된 균체는 단백질, 탄수화물, 지질, 핵산, 회분으로 구성되어 있습니다. 일반적으로 박테리아, 효모, 단세포로 구성된 조류(藻類)의 단백질 함량은 건물 부피의 약 50%로 비슷하며, 대부분의 단백질은 효소 성분으로 알려져 있습니다.
예를 들어 대장균의 경우 약 2,000개의 다양한 효소를 가지고 있으며 환경 조건에 적응할 수 있는 유전적 잠재력을 가진 것으로 알려져 있습니다. 박테리아와 효모는 빠른 성장 속도와 높은 단백질 함량을 가지고 있으며, 단세포 단백질(single cell protein, SCP) 생산을 위한 균주로 많은 연구가 진행되어 왔습니다. 그러나 생리적 특성으로 비교적 잘 알려진 Saccharomyces cerevisiae와 Chlorella와 같은 조류와 비교해 핵산 함량이 높아 실용화에 일부 장애물로 사용되고 있습니다. 그중 효모 자가분해(autolysis) 또는 효소 분해로 생산되어 식품, 사료, 미생물 배지 등에 사용되는 효모 추출물(yeast extract)은 미생물이 생산하는 단백질 자원을 활용하는 대표적인 예입니다.

 

C. 탄수화물

다당류는 건조된 균체량의 약 5%를 차지하고 저분자 단당류는 약 2%를 함유하고 있습니다. 다당류는 단백질과 지질에 결합하는 복합체로 세포벽의 주성분으로 존재합니다. 구조적으로 복잡한 사상균과 해조류(海藻類)는 대사 과정에 관여하는 생리 활성을 가진 단백질과 핵산 함량이 낮고, 세포벽을 구성하는 다당류 성분은 건물 부피의 대부분을 차지합니다. 세포벽을 구성하는 다당류 성분은 미생물의 종류에 따라 다릅니다. 효모는 chitin, mannan 등으로 구성되며 곰팡이는 β -glucan, chitin 등의 다당류로 구성됩니다. 세균은 murein, teichoic acid, 또는 lipopolysaccharide로 되어 있습니다.

 

D. 지질

일부 박테리아는 지질이 매우 풍부한 균주입니다. Mycobacterium에는 30%의 mycolic acid가 포함되어 있으며, Rhodospirillum rubrum은 아세트산을 기질로 사용할 때 건물 부피의 약 20%에 해당하는 β-hydroxybutyric acid 중합물을 합성합니다.
특정 Aspergillus, Penicillium, Rhodotorula, Candida 균은 특수 조건에서 건물 부피의 약 50%를 지질 합성하여 미생물 유지(single cell oil, SCO)를 생산에 사용할 수도 있습니다. 대부분의 미생물은 지질 성분으로 팔미트산(palmitic acid), 올레산(oleic acid), 스테아르산(stearic acid)을 많이 함유하고 있습니다. 전 세계적으로 식용 유지를 위한 유량작물(油糧作物) 생산량이 많기 때문에 최근 석유 디젤을 대체할 청정 연료로 바이오디젤(bio diesel)에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 이에 따라 박테리아, 조류 등 미생물이 생산하는 SCO나 식물에서 생산하는 유지를 활용하기 위한 연구가 진행 중입니다. 바이오디젤에서는 식물성 또는 동물성 지방을 메탄올, 산, 염기 촉매를 사용하여 에스터화하고, 그 결과 생성된 지방산 메틸 에스터(바이오디젤)를 경유와 혼합하여 사용합니다. 석유 디젤을 연료로 사용하는 버스 및 기타 자동차는 도시 대기와 스모그의 주요 오염원으로 평가받고 있습니다. 바이오디젤은 재생 특성을 가진 바이오매스에서 생산되기 때문에 에너지 자원 고갈 없이 디젤 차량의 연료로 사용하면 지구 온난화의 주범으로 지목되는 CO2 배출량을 디젤에 비해 78% 줄일 수 있습니다. 또한 발암물질로 논란이 되는 미세먼지를 약 70% 감소시킵니다. 미생물을 이용한 기름과 지방 생산은 아직 실용화되지 않았습니다. 하지만 자연에 널리 분포하지 않는 특수 지방산 생산을 위한 SCO는 큰 잠재력을 가지고 있습니다.

E. 구성 요소 및 무기 물질

균체 성분은 미생물의 종류, 배양액 조성 및 성장 조건에 따라 달라집니다. 미생물 실험에 자주 사용되는 대표적인 미생물인 대장균의 건조 균 성분을 원소 분석한 결과, 탄소는 건물 부피의 50%를 차지하며 질소는 14%, 무기질은 16%를 차지합니다.
미생물의 종류에 따른 무기물 성분 중 P•K가 가장 흔하며 Ca•Mg•S•Na•Cl•Fe•Zn•Si 순으로 구성되어 있습니다. 기타 미량 원소로는 Al•Cu•Mn•Co가 있습니다.
철 박테리아(菌)에는 다량의 Fe와 Mn이 포함되어 있고, 유황 박테리아에는 다량의 S, 해양 미생물에는 다량의 Na, Cl 및 I가 포함되어 있습니다. 이러한 균주의 구성은 재배 환경 조건에 따라 다르며, 사용된 균주를 배양한 후 원소 분석(C, H, N, S, O) 및 무기 분석을 통해 얻을 수 있습니다. 또한 배양할 미생물의 박테리아 성분을 분석하고 배양 중에 발생하는 물질 균형을 계산하는 데 사용되며, 이는 결과에 따라 최소 및 최적 배지 생성을 위한 데이터(material balance)로 사용됩니다.

 

박테리아의 성분 분석을 통해 특정 박테리아가 예외적 생산물을 합성하여 인류의 환경과 생명에 유용할 수 있다는 것을 다시 한번 알 수 있었습니다. 생산물을 합성하는 데 사용되는 전구물질을 통해 배양할 때 추가해야 하는 무기 물질과 배양 환경을 계산할 수 있을 것으로 기대됩니다. 다음 글에서는 미생물의 분류에 따른 배양 환경의 차이를 살펴보겠습니다.