16. 미생물 반응의 특징과 선발 방법

미생물 반응은 경우에 따라 유익한 생화학 물질을 분비하거나 산업화의 재료로 분비를 유도하여 돌연변이 균주를 비교적 쉽게 얻을 수 있습니다. 미생물은 고등 생물에 비해 매우 빠르게 성장하며 전통 농업에 비해 생산성이 매우 높습니다. 이러한 미생물 반응의 장단점을 분석하고 향후 미생물을 선별하고 번식시키는 방법에 대해 알아봅시다.

A. 미생물 반응의 장점

① 미생물 반응은 생화학적 반응으로서 보통 상압에서 이루어지므로 물리화학적 반응에 비하여 폭발 등의 위험성이 없다.
② 발효 원료는 보통 당밀. 녹말 등 농산물에서 얻어질 수 있는 탄수화물이 주로 이용되며, 이외로 여러 가지의 유기물 및 무기물을 소량 첨가하여 배양이 이루어진다. 광합성 작용에 의하여 얻어지는 유기물을 소재로 하기 때문에 원료 고갈이 문제가 되지 않는다. 또한 탄소원으로서 탄화수소, 메탄올, 에탄올 등도 이용할 수 있다.
③ 반응은 생체의 자동제어 방식에 의해 진행되므로 여러 단계의 반응이라고 할 지라도 단일 반응과 같은 방식에 의해 진행된다. 따라서 화학합성에 비하여 반공정을 단순화시킬 수 있다. 
④ 복잡한 고분자 화합물이나 광학 활성체도 쉽게 생산할 수 있다. 또한 생체 특유의 반응 기구에 의해 복잡한 화합물이 있는 특정 부위에 산화 환원, 관능기의 도입 등 고도의 선택반응이 가능하다. 
⑤ 반응 생산물을 만들기 위해 이용되는 균주의 종류가 다양하고, 그 대사산물로서 비타민·단백질·효소 등 매우 다양한 유용 물질이 생산된다.
⑥ 미생물의 육종에 의해 같은 생산설비를 가지고 비약적인 생산성의 향상을 이룰 수 있어서 그 잠재력이 매우 크다.

 

B. 미생물 반응의 단점

미생물 반응은 앞에서의 여러 가지 장점과 더불어 높은 산업적 활용 전망에도 불구하고 다음과 같은 단점이 있다. 
① 미생물은 내적 요인인 균주에 따른 생리적인 특성과 외적 요인인 배양 조건에 따라 생리적 또는 형태적으로 매우 복잡하게 변한다. 따라서 목적하는 대사산물을 다량 얻기 위해서는 미생물에 대한 제어인자를 이해하고 그 요인을 제어하는 데 필요한 최적 조건을 설정하여야 한다. 
② 배양 중에 변이가 발생하는 등 균주의 활성을 장기간 유지하기 어렵고, 새로운 균주를 개발하는 데 비용이 많이 든다.
③ 목적하는 생산물의 합성에 이용되어야 할 기질의 상당 부분이 미생물 균체의 증식에 이용되므로 원료에 대한 수율이 떨어진다. 더욱이 균체를 이용할 수 없는 경우는 폐기물 처리를 해야 하는 부수적인 문제가 발생한다.
④ 배지로 사용하는 원료가 대부분 농산물에서 유래되므로 원료에 따라서는 가격과 품질의 변동 폭이 크다.
⑤ 많은 공업적 미생물 반응은 호기적 반응이므로 통기와 교반을 위한 운전 비용이 많이 든다.
⑥ 산업적 생산단계 전에 종균배양(seed culture) 단계가 필요하며, 순수배양을 전제로 하는 경우 잡균 오염방지를 위한 생물반응기의 제작과 조작에 많은 자본과 운전비가 요구된다.
⑦ 미생물 배양액에는 잔존하는 영양성분과 목적 생성물 이외의 대사 부산물이 존재한다. 따라서 목적 생성물을 분리하고 정제하는 데 비용이 많이 소요될 뿐만 아니라 대부분의 부산물은 이용 가치가 없는 경우가 많다.
⑧ 미생물 반응의 용매는 거의 물이며, 원료 성분의 농도는 보통 화학반응에 비해 매우 묽다. 반응기는 용량이 크나 생산물은 비교적 적어 분리 능률이 떨어지고 분리 비용이 많이 소요된다.
⑨ 발효 후에 발생하는 폐수는 일반적으로 높은 BOD를 가지고 있을 뿐만 아니라 폐수량이 많아 처리비용이 많이 든다.

 

C. 미생물의 선발방법

미생물이 생산하는 새롭고 유용한 대사산물(metabolites)을 얻기 위하여 지금까지 계속하여 자연계에서 새로운 미생물을 분리하고, 이를 검정(검색, screening)하여 우수 균주를 선발하고 있다. 이를 위하여 첫 단계로서 자연계에서 분리한 균주의 최적 배양 조건을 찾아내거나 생산성을 향상하기 위하여 각종 물리적 또는 화학적 방법에 의하여 변이주를 얻는다.
경우에 따라서는 세포융합 또는 유전자조작에 의한 우수 균주를 육종하고, 이를 이용하여 우리가 필요로 하는 대사산물을 얻게 된다. 분리 균주가 산업적으로 이용되는 데까지는 여러 단계의 평가와 검정 과정을 거치게 된다. 분리 균주는 선발 및 육종 과정을 거쳐 유용 물질의 생산에 사용될 수 있으며, 유용 물질 생산을 위한 전략으로 크게 다음 5가지 방법을 활용한다.
① 자연계에서 미생물을 검정(screening)함으로써 새로운 미생물을 분리하거나, 또는 새로운 검정 방법을 이용하여 유용한 물질을 찾아내는 방법이다. 이는 지금까지 알려지지 않은 새로운 물질의 생산에 있어서 가장 유력한 방법으로 이용하고 있다.
② 기존에 분리된 미생물에 의해 생산된 물질을 전구물질(precursor)로 사용하여, 이를 화학적으로 변형(chemical modification)시켜 필요로 하는 유용 물질을 생산한다.
③ 기존에 생산되고 있는 여러 가지 화학물질을 기질로 하여 효소반응 등 생화학적 반응을 통하여 화학물질의 구조를 변화(biotransformation)시킴으로써 유용 물질을 생산한다. 
④ 유전정보를 알고 있는 유사한 종간(間)의 세포융합(protoplast fusion)에 의하여 새로운 균주를 얻는 방법으로써 주로 항생제 생산공업에 많이 이용된다. 
⑤ 서로 다른 종 간에 유전자조작(gene manipulation)에 의하여 생산성이 높거나 새로운 물질생산을 위한 균주를 얻는 방법이다.

 

다음 포스팅부터는 우선 유용한 미생물을 분리 선발하는 과정과 더불어 분리 균주의 생리적 기능을 향상하기 위한 돌연변이 유발 물질(mutagen)의 처리에 의한 균주 육종에 대하여 살펴보도록 하겠습니다.