Transcript 생활속의 미생물-2010

2010년 1학기 생활 속의 미생물
미생물로 살아가기:
증식과 대사
Some photos from Google
Some videos from Youtube
1. 서
론
 증식 (growth,생장,성장) : 세포가 다양한 자원(C,H,O,N)을 이용하여
성장하는 것
 대사 (metabolism) : 세포 내에서 일어나는 유기물의 분해와 합성 과정
‘대사를 통한 증식’ = ‘증식을 위한 대사’
 핵심 포인트
(1) 미생물의 개수 또는 농도의 측정방법
(2) 미생물의 생장곡선의 이해
(3) 미생물의 생장과 관련된 요인
(4) 탄소(포도당) 대사를 통한 에너지의 생성과정
(5) 생존을 위한 노력  에탄올의 생산
세포의 정량
1. Cell number density
1) Hemocytometer (Petroff-Hausser Slide)
- Microscopic counting
세포의 정량
2) Plate count (colony count)
- Viable cell counting (bacteria/yeast)
- not for mold
- colony-forming unit (CFU, number/volume)
세포의 정량
2. Cell mass concentration
1) Direct method
A. Cellular dry weight (or dry cell mass)
~ The most commonly used direct method
~ In solids-free medium
~ Cell harvest by centrifugation or filtration
 washing the cells
 drying the washed wet cell at 80oC for 24 hr
 measurement
세포의 정량
Y(DCM,g/L) = slope*OD
Dry cell mass (g/L)
B. Optical density (OD)
~ The absorption of light by suspended cells
at a visible wavelength (600 ~ 700 nm)
~ Fast, inexpensive, simple
slope
Optical density (600nm)
2) Indirect method
- For mold fermentation
- DNA, RNA, protein concentration cell concentration
- Viscosity of culture broth for extracellular polysaccharide
formation (PHB, PHA...)
2. 미생물 생장
(1) 개체군 생장
 생장곡선 (growth curve) : 생명체 개체군의 수(또는 농도)의 변화를 시간의 함수로 표현
한 그래프
- 세균 (이분법), 효모 (출아법), 곰팡이류(균사체 성장, 유사분열),
진핵세포(무성/유성생식)을 통하여 생장
- 모든 생물체의 개체군은 생물체 특유의 생장곡선을 보유함
- 세포의 성장은 수학적으로 예측가능함
A
B
C
지수성장기
세포
농도
시간
그림. 생물체군의 성장 곡선
2. 미생물 생장
(1) 개체군 생장
세포의 증식 단계
(1) 유도기 (lag phase)
- 개체수의 증가가 거의 없음 (생성=소멸)
- 새로운 환경에 대한 적응단계
(온도/산도에 대한 적응,
영양소 분해용 세포 구성성분 및 효소의 생합성)
(2) 지수생장기 (exponential (log) phase)
- 개체수가 최대의 속도로 증가하는 구간 (생성≫소멸)
- 배가 시간(doubling time)으로 생장함
- 각 세포 내의 구성성분의 분포는 거의 동일함
- 세포 생장의 수학적 분석이 가능한 구간
(3) 정지기 (stationary phase)
- 개체수의 증가가 없음 (생성=소멸)
- 원인 : 영양분의 고갈, 환경의 변화, 부산물의 생성
- 대부분의 항생제 생산이 이루어지는 구간
(4) 사멸기 (death phase)
- 개체수가 줄어듬 (생성≪소멸)
- 환경의 악화에 따라 포자 생성
2. 미생물 생장
(2) 물과 온도
 물과 온도의 중요성
- 물 : 세포질의 주요 구성성분, 수용액 상에서 효소반응이 일어남
- 온도 : 효소 활성(activity)에 절대적인 영향을 미침,
* 너무 낮은 경우 : 반응속도가 느림
* 너무 높은 경우 : 반응속도의 급격한 감소 후 열에 의해 영구적으로 변형됨
 온도에 따른 미생물의 분류
(1) 저온성 미생물 (psychrophiles)
- 0℃ ~20℃ 에서 가장 잘 생장
- 남극, 북극, 깊은 바다 표면
- 냉장고(5℃)에 서식  연쇄상구균 (우유 산패),
일부 포도상구균 (독소 생산)
(2) 중온성 미생물 (mesophiles)
- 20℃ ~45℃ 에서 가장 잘 생장
- 대부분의 배양 가능한 미생물
- 대부분의 인체 병원균 (체내(37℃)에서 잘 생장)
(3) 고온성 미생물 (thermophiles)
- 45℃ 이상에서 생장, 100℃ 이상에서도 성장
- 대부분의 고세균 (archaea)
- 퇴비, 온천, 대양의 열구멍
고온성 algae
2. 미생물 생장
(3) 산소와 산도
 산소와 산도의 중요성
- 산소 (oxygen) : 생물체의 종류에 따라 반드시 공급 또는 제거해야 함
- 산도 (acidity, pH) : 효소 활성(activity) 및 반응속도에 영향을 미침
 산소의 필요성에 따른 미생물의 분류
(1) 호기성 (aerobic) 미생물
- 대사를 위해 반드시 산소필요
- 많은 미생물 (인간, 식물)
(2) 혐기성 (anaerobic) 미생물
- 산소결핍 시에만 생장, 산소존재 시 사멸
- 일부 유산균, 파상풍균, 쓰레기 부패균
(3) 통성 혐기성 (facultative) 미생물
- 산소가 존재와 결핍과 관계없이 생장
- 호기적이나 혐기적이나 빠르게 적응하여 생장
- 대부분의 미생물
 산도에 따른 미생물 분류
(1) 대부분의 세균은 약산성/알칼리에서 성장 (pH6~8)
(2) 진균류 (예로 효모)는 pH5.0이 최적
(2) 호산성 (acidophilic) 미생물 : 산성 pH에서 생장
- 유제품 제조에 이용되는 미생물
- Helicobacter pylori : 위점막 내에서 증식, 위괘양의 원인균
Helicobacter pylori
2. 미생물 생장
(3) 기타 요인
 염도와 압력의 중요성
- 염도 : 세포의 삼투압 유지
- 압력 : 세포의 형태관련 요인
 염도에 따른 미생물의 분류
(1) 일반적인 미생물
- 일반 원핵/진핵 생물은 1%의 염도 필요
(2) 호염성 (halophilic) 미생물
- 높은 염의 환경에서 서식하는 미생물
- 바다의 염도(약3.5%) 보다 높은 염도에서 생장
 압력에 따른 미생물 분류
(1) 일반적인 미생물
- 1 기압에서 생장
(2) 호압성 (barophilic )미생물
- 바다 속 6 마일 아래에서도 생장
- 실험실에서 배양하기 어려움
남샌프란시스코 만에 위치한
salt pond의 색변화
3. 미생물 대사
 대사 (metabolism) : 세포의 생육 동안 세포에서 일어나는 모든 화학적 반응
- 인간세포의 대사와 미생물 대사가 유사함
- catabolism : 거대분자  소분자
에너지와 세포구성을 위한 단위성분(아미노산 등), 보효소 생산이 목적
- anabolism : 소분자  거대분자
catabolism에서 제조된 성분을 이용하여 유기물 중합체 생산
- 대사는 다양한 방법에 의해 견고하게 조절됨
그림. Catabolism vs. anabolism
그림. 세포 내 대사경로
3. 미생물 대사
(1) 효소
 효소 (enzyme) : 반응을 활성화시키는 생물학적 촉매, 단백질로 구성됨
- 미생물 대사의 반응을 촉매하는 단백질
- 기질특이성 : 특정 기질에 대해서 반응성을 가짐
- 단백질 변성에 의해서 효소 역가를 상실함
그림. 효소의 작용기전
3. 미생물 대사
(2) 에너지
 대사의 중요목표: 에너지의 일정한 공급을 통한 생명의 유지
 ATP (adenosine triphosphate) : 주요 에너지 저장 수단
- ATP분자는 이동성 건전지와 유사
- 다양한 반응에 이용 : 영양소 수송, 폐기물의 제거, 단백질 합성 등
- 대사과정 중 호흡 (respiration) 또는 광합성 (photosynthesis)를 통하여 생성
- 구성 : 아데닌 + 리보스 + 인산
- 인산기의 분해/결합으로
에너지를 전달/저장 함.
 Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD)
- A storing molecule of electron
erupted in sugar metabolisms
- Moves to electron transport system
and is used for ATP synthesis.
그림. ATP의 구조
및 에너지 전달/저장 메커니즘
3. 미생물 대사
(3) 해당과정
 해당과정 (glycolysis)
- 포도당 분자(C6)가 분해되어 피루빅산(pyruvic acid, C3)가 되는 과정
- 포도당은 주요 화학적 에너지를 보유한 원료
- 세포의 세포질 (cytoplasm)에서 일어남
- 산소를 필요로 하지 않음
- 산화환원(oxidation-reduction) 반응을 통하여 포도당을 분해
- 반응 중 생성된 전자를 NAD(nicotinamide adenine dinucleotide)에 저장
- 최종 반응식
포도당(C6H12O6) + 2NAD+ + 2ADP +2Pi
 2 피루빅산(C3H4O3) + 2ATP + 2NADH +2H+ + 2 물(H2O)
그림. 해당과정 및 호흡, 발효
그림. 포도당/과당 등의 대사
3. 미생물 대사
(4) 발효
 발효 (fermentation)
- 산소결핍 시 일어나는 포도당 분해 반응
- (1) 산소가 풍부할 경우  해당과정에 생성된
NADH는 전자전달계로 이동하여 ATP 생성에
이용. 생성된 NAD는 해당과정에 이용
(2) 산소가 없을 경우  전자전달계 멈춤
 피루빅산을 이용한 부산물 생성으로
NADH를 NAD로 재순환시켜 해당과정에 이용
- 알코올(에탄올), 초산, 젖산 생성 메커니즘
그림. NADH/NAD의 재순환
그림. 산소결핍시 피루빅산의 운명
3. 미생물 대사
(5) 크랩스 회로와 전자전달계
 크랩스 회로 (Krebs cycle)
 전자전달계 (electron transport system)
- 피루빅산을 완전산화시키는 과정
- 해당과정과 크랩스회로에서 생성된
- 1 pyruvic acid  3 이산화탄소
NADH가 보유한 전자에너지를
+ 4NADH + 1ATP
ATP형태로 전환시키는 반응
- 산소가 필요 없음
- 발생한 전자는 산소원자와 결함
- 주요 아미노산 생산 경로
- 산소를 이용하여 물을 생성
- 최종적으로 다량의 ATP 생성
(1분자 포도당  36~38개 ATP)
- 세포막(원핵생물) 또는 미토콘드리아
(진핵생물)에서 일어남
그림. 크랩스 회로를 이용한
피루빅산 분해 및 아미노산 생산
그림. 전자 전달계