미생물의 증식 원리
미생물은 환경 속에서 끊임없이 성장하고 분열하며, 이러한 증식 과정은 미생물의 생리적 특성과 환경 적응 능력을 이해하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 세균·효모·사상균 등은 각각 고유한 방식으로 증식하며, 이를 통해 세포 수를 늘리고 에너지를 확보합니다.
본 글에서는 미생물의 세포 증식 과정, 단세포 미생물의 성장 곡선, 그리고 바이러스 복제 과정까지 살펴보며, 미생물 생육의 기본 원리를 이해하고자 합니다. 미생물이 세포 구성 성분을 합성하고, 그 질량과 크기가 증가하는 과정을 증식이라고 합니다. 이 과정에서 단백질과 핵산 같은 고분자가 합성되어 세포 구조를 형성합니다. 세균과 일부 분열 효모들의 증식은 모세포가 질량과 크기가 증가한 다음 2개의 새로운 딸세포로 분열하며 이루어집니다. 정상적인 배양 조건에서 성숙한 세포들은 일정한 크기를 유지하며, 새로운 딸세포들이 성숙한 세포가 되기 위해 2배의 크기가 됩니다. 세균을 포함한 단세포 미생물은 세포의 크기가 아주 작기 때문에 세포 하나로 생육을 연구하기가 어렵습니다. 효모는 단세포의 건조 중량에 대한 측정이 가능하여 성장량을 정량화할 수 있습니다. 대부분의 효모는 출아에 의해 증식하고 이분법에 의해 증식하는 효모도 있는데 Schizosaccharomyces 속이 그것입니다. 출아 시 세포벽의 약한 부위가 팽창압에 의해 돌출되어 새 세포가 형성됩니다.
단세포 미생물의 증식과 세대시간
회분배양이란 미생물의 증식이 일어나는 동안 배지에서 가해지거나 빠지는 것이 없이 미생물을 배양하는 것을 말합니다. 시간별로 배양액을 채취해 미생물량을 측정하면, 집단의 성장 양상을 파악할 수 있습니다.
- 건조 중량 측정: 생성물의 양이 적은 미생물에는 적용이 어렵습니다.
- 총 생균 수 측정법: 시료 중의 살아있는 미생물의 총수를 측정합니다.
- 현미경 직접 계수: 미생물의 수를 직접 관찰합니다.
- 세포 성분 측정: ATP량, 단백질 함량 등을 지표로 사용합니다.
세대시간은 세포 집단의 수가 두 배로 증가하는 데 걸리는 시간을 의미합니다. 동조배양이란 배지에 있는 모든 세포가 동시에 분열하도록 조작하는 방법인데, 실험실의 일반적인 배양 환경에서는 활용할 수 없습니다. 생물의 세대시간은 몇 분에서 몇 시간까지 다양합니다. 세대시간은 수분 활성, 영양, 온도, 산화환원 전위, pH 등의 최적 조건에서 배양될 때 일정하게 나타나는 경향이 있습니다. 시간에 따른 미생물 수의 변화를 그래프로 그리면 기울기가 증가하는 곡선 그래프이며 지수적으로 증가합니다. 이는 이분법으로 증식하는 단세포 미생물 집단의 증식 형태의 특징입니다. 액체 배양에서 세균은 10^12개 세포/ml, 효모는 10^10개 세포/ml에서 가득 차게 됩니다. 미생물 생육에서는 그 수치보다 훨씬 낮은데, 세균은 10^9개 세포/ml, 효모는 10^6개 세포/ml에서 증식이 멈추게 됩니다. 회분배양에서 단세포 미생물집단의 증식은 유도기→ 대수기→ 정지기→ 사멸기의 단계로 나타낼 수 있습니다.
단세포 미생물의 생장 곡선
유도기: 유도기란 미생물이 처음 액체 배지에 접종됐을 때 거의 증식하지 않고 수적인 감소가 나타날 수도 있는 단계입니다. 이 단계에서는 미생물이 새로운 환경에 적응하는 시기입니다. 세포는 세포분열이 일어나기 전에 크기가 커지고, 배지에 있는 영양소를 이용하기 위해 필요한 효소가 합성되어야 합니다. 세균 포자의 접종이라면 증식 전에 발아가 먼저 일어나야 합니다. 미생물 접종 전의 배지 조건, 접종된 미생물 수, 배양에 사용된 배지와 배양 조건에 따라 유도기가 달라집니다.
대수기: 대수기는 지수기라고도 불리며 단위 시간별로 미생물의 집단이 두 배로 증가하는 증식 단계입니다. 이 증식 속도는 배양 온도, 배지의 pH 등에 의해 달라집니다.
정지기: 미생물의 증식은 여러 가지 요인으로 인해 정지합니다. 생장에 필요한 필수 영양분들이 전부 소모되었을 때 증식이 더 이상 일어나지 않습니다. 또한, 세포 대사와 관련해 배양액의 pH 변화가 일어난다면 미생물의 증식에 방해가 될 수 있습니다. 그리고 세포 대사의 부산물로 독성물질이 생성되는데, 예를 들어 Saccharomyces 속은 배양액에서 포도당 발효를 통해 이산화탄소와 에탄올을 만들어냅니다. 에탄올은 세포에 독성을 나타내어 미생물이 더 이상 증식하지 못하게 합니다. 정지기에는 일부 세균이 생존을 위해 포자를 형성합니다.
사멸기: 미생물이 정지기 상태에 있다면 결국 사멸기로 들어가 죽게 됩니다. 단세포 미생물 집단의 사멸은 지수적이고 결국 세포 분해를 일으킵니다. 사멸은 세포의 에너지 고갈, 배지에서의 pH 변화, 독성이 있는 대사 부산물의 축적 등으로 발생합니다.