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미생물이야기 미생물의 활용과 연구방향
2013-07-30 15:56:49
이엠생명과학연구원

미생물과 생리활성물질

 

 

 항생물질을 포함한 대부분의 의약품, 비타민, 유기산, 핵산, 아미노산, 효소공업 등의 시초는 미생물로부터 출발하였으며 생산물의 구조가 밝혀진 후에 화학적 합성법으로도 합성되거나 여러 가지 유도체의 생산도 가능하게 되어 오늘날 발효에 의한 방법과 비교하여 경제성있는 방법을 택하여 생산하고 있다. 유용한 신물질을 탐색하기 위해서는 화학적 합성법으로 화합물을 먼저 만든 다음 용도를 찾는 것보다, 확실한 Bioassay법으로 생물 배양물로부터 생리 활성 물질을 탐색하는 것이 신물질 탐색의 지름길이 될 것이다. 리활성물질이라 함은 글자 그대로 생물이 생을 영위함에 있어서 생체의 기능을 증진시키거나 혹은 억제시키는 물질을 말하며, 생체 내에서 기능조절에 관여하는 물질의 결핍이나 과도한 분비에 의해 비정상적인 병태를 보일 때 이를 바로잡아 주는 역할을 하는 물질이라 정의할 수 있을 것이다. 대상은 동식물을 비롯하여 인간이 포함되며 이들을 위하여 사용되는 농약과 의약품이 포함된다. 따라서 생리활성물질의 창출은 생물체의 보다 나은 건강한 삶을 영위하기 위하여 대단히 중요하다. 새로운 생리활성물질의 창출은 동식물과 같은 천연물로부터 얻거나 미생물 및 동식물 세포주의 대사산물로부터 추출 정제할 수도 있고 화학합성에 의해서도 얻을 수 있다. 천연에 존재하는 생리활성물질은 처음에는 주로 생체로부터 선도물질을 얻고 이를 골격으로 하여 화학적으로 변형 생산하는 경우가 대부분이다. 생물공업에서의 신물질은 세포의 다양한 대사과정 중에서 생성되는 산물을 우리가 이용하는 것으로서 자연계로부터 다종다양한 미생물을 탐색, 수집하여야 하며 목적에 맞게 개량. 육종하여 경제성 있게 접목해야 한다. 많은 생리활성물질은 세균, 방선균, 곰팡이 등과 같은 미생물로부터 분리되고 있으며, 근래 이들의 분리·동정 기술의 발달로 인하여 신규 발견은 다양한 미생물 균주의 확보에 크게 의존하는 것으로 인식되고 있다. 따라서 각종 생리활성물질의 탐색 효율을 높이기 위해 자연계 미생물의 분포 특성과 이들의 선택 및 효과적 분리 방법, 그리고 미생물 분리주의 배양 방법 등에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
  생리활성물질을 생산하는 미생물을 그 종류별로 조사해 본 결과 방선균류가 64.0%로 가장 많았으며, 그 다음으로는 Aspergillus와 Penicillinm 속을 중심으로 하는 곰팡이류가 25.6% 정도였고, Bacillus와 Pseudomonas 속을 중심으로 하는 세균류가 10.0%를 차지하였다. 마지막으로 screening target과 그에 사용된 미생물 종류와의 상관성을 분석해 보면 신규 생리활성물질 생산균주 1,041주 중 방선균이 61.3%, 진균이 31.6%, 세균이 7.1%를 차지하였다. 이는 각종 생리활성물질을 탐색하고자 할 때에는 screening target에 따라 탐색원인 미생물의 종류를 신중히 선택하여야 함을 암시하고 있다.

 

 

미생물을 유기농업에의 활용

 

 

흙 속에는 많은 생물체들이 존재한다. 세균, 방선균, 효모, 곰팡이, 조류, 프로토조아와 같은 다양한 미생물 종류들과 토양 선충, 지렁이 그 외의 무척추 생물들이 함께 살면서 균형을 이루며 서로 상호 작용을 하고 있다. 유기농업이란 자연과 인간의 상호적인 물질순환을 기본원리로 강조하고 자연생태계의 순환을 강조하는 농업이므로 토양보존을 통한 지속농업의 한 형태라 할 수 있다. 한편, 토양보존과 함께 유기합성 농약과 화학비료의 사용을 줄이고 발효퇴비를 이용하므로 폐기물 처리의 기능까지 담당하는 환경보존형 농업이라 할 수 있다. 유기농업을 통해 환경을 보존하면서 안전한 고품질의 농산물을 생산하는 것은 우루과이 라운드 이후의 전면적인 농산물 개방에도 대비할 수 있는 대응 방안이라 할 수 있을 것이다.
  유기농업을 이끌어갈 다양한 미생물의 농업적 활용 방안은 크게 나누어 토양 미생물제 및 미생물 비료 분야와 미생물 농약 분야로 나누어 설명할 수 있다. 미생물을 이용하여 기존의 화학비료와 농약을 적게 쓰고도 농사를 지을 수 있다면 토양환경을 지속적으로 보존하여 장기적인 생산성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 저공해 농산물을 생산할 수 있게 되어 농산물의 안전성을 확보할 수 있을 것이며 화학비료와 농약에 의해 야기되는 생산자의 건강 문제와 환경오염 문제를 해결할 수 있게 될 것이다. 이는 자연 생태계와 조화를 이루는 지속적인 농업기술과 관련된 것으로 발효 부숙 퇴비를 이용하여 흙을 살리고 길항 미생물 등을 이용한 생물학적 방제를 기본으로 하는 유기농업의 방법에 접목할 수 있다. 토양 중의 유기물은 토양의 물리·화학적 성질을 개선해 주는 한편 유기물 중의 미생물이 잘 자랄 수 있게 하고 뿌리 주변의 미생물 군을 다양하게 한다. 미생물은 각종 유기물을 분해하여 작물에 직접 흡수되도록 하고 서로의 상호작용으로 지력을 유지하는데 도움을 준다. 이러한 유기물과 함께 각종 유용 미생물이 투여될 수 있다면 뿌리주변의 다양한 미생물 군에 의한 완충 효과를 높일 수 있다. 이와 같은 효과를 통해 뿌리의 활력을 증대시켜 식물체에 도움을 주게된다. 이것은 퇴비 부숙용 미생물 종균제와 토양개량용 미생물 종균제의 활용으로 가능하다. 한편, 토양중의 유용한 방선균을 포함한 토양중의 여러 미생물 가운데는 생육조절물질을 포함하는 각종 생리활성물질을 생산하는 유용 미생물들이 많이 존재한다.

 

 미생물을 이용한 증진연구

 

 

고농도 유기물의 적정처리 없이 방류시 토양과 수질환경을 크게 오염시키고 있는데 가축분뇨를 퇴비 자원화하거나 정화 처리할 수 있는 미생물 종균제 등이 개발되어 이용되고 있다. 미생물 발효 중 발생하는 메탄가스의 에너지 자원화도 많이 연구되고 있다. 농약과 중금속을 분해할 수 있는 미생물도 발견되고 있어 일부는 실용화되고 있다. 이와 같이 미생물을 이용하여 폐기물을 처리하여 농업환경의 정화에 활용할 수 있다. 또한 인의 이용형태를 변화시켜 토양의 인축척을 예방하고 및 작물의 인 이용성을 증진시키는 미생물 연구가 진행되고 있다.
  인은 식물체에서 핵산, 인지질, phytates 등의 중요구성성분이며, 식물성장에 필요한 에너지 대사에서도 중요한 역할을 하는 원소이다. 식물에 충분한 양의 인을 공급하기 위해서 인산염 형태의 비료를 공급하고 있다. 그러나 토양에 처리된 인산비료 중에서 실제 식물이 이용하는 인산의 양은 극히 적으며 대부분은 화학적 생물학적 반응을 거쳐 비료성분의 불용화나 유실현상이 일어나게 된다. 특히 인산은 산성토양에서는 철 및 알루미늄이온과 그리고 알카리성 토양에서는 칼슘이온과 쉽게 결합하여 불용화 됨으로서 토양중에는 식물이 이용할 수 있는 유리인산의 양은 거의 없게되고 식물이 이용할 수 없는 불용성 인산의 양만 증가된 결과를 초래한다. 따라서 인을 가용화하는 미생물의 개발이 요구되어 진다.
  인은 가축체내 구성물질 중에서 중요한 성분중의 하나로 동물에 필수적인 영양소이기도하다. 인 성분은 가금 및 돼지 사료의 대부분의 공급원인 곡물의 주요 구성성분이며 이들의 사료내 존재하는 인의 형태는 2/3 이상이 유기태 인으로 되어 있다.
  최근 축산분뇨로 인한 환경 및 수질 오염의 문제가 최근에 심각히 대두되고 있기 때문에 이미 방출된 상태에서 오염을 줄이기 위한 연구가 이루어지고 있다. 토양과 호수 등지의 수질오염의 근원은 유기태 인이다. 그 원인은 인의 이용형태가 유기태인이 아니기 때문이다. 즉 돼지나 가금류 등 단위동물는 이러한 유기태인을 분해할 수 있는 효소가 불충분하여 사료내에 함유되어 있는 인의 이용률이 매우 낮다. 동물의 사료에 존재하는 인의 이용률을 보면, 축종에 따라 다르지만 약 10~30% 정도의 인만을 이용하고 나머지는 모두 배설하기 때문에 적절한 처리가 요구되어지나 그러하지 않을 경우 인의 누적으로 생태계의 파괴뿐만 아니라 호수의 부영양화를 야기시킨다.
  또한, 가축분뇨의 퇴비화 및 액비화는 폐기물의 재활용이라는 측면에서 보다 중요한 재활용 기법으로 각광받고 있다. 이들의 기법은 쉽게 분해되어 질 수 있는 단백질, 탄수화물 등의 분해를 유도하고 폐기물를 안정화하여 토양에 이용되게 하는데 그 주된 목적이 있다. 그러나 이런 공정을 통해서도 가축의 배설물에 함유된 인의 형태는 유기태 인으로 안정화가 이루어지기 때문에 미생물이나 식물의 먹이체가 될 수 없다는데 문제가 있다. 그렇기 때문에 식물의 영양원으로서 퇴비나 액비의 충분한 양을 시비한다 하더라도 작물은 인을 이용하지 못하기 때문에 인의 결핍현상이 상시 나타나고 더불어 시용된 토양에는 유기태 인이 과잉 축적되어 토양의 오염이 되고 있다.   그러므로 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 가축의 배설물을 재활용시 액비화나 퇴비화 공정에 토양의 잠재적 오염원이며 식물의 항영양인자로 작용하는 인을 모두 작물이나 토양미생물의 급여원으로 할 수 있도록 하여 생태계를 정화할 수 있는 미생물을 개발하고 있다.
  연구자들의 연구보고서에 따르면 옥수수를 돼지에 급여하였을 경우 옥수수에 함유되어 있는 유기태인 중 가축이 이용할 수 있는 범위는 10에서 15%정도만 이용되고 나머지는 분으로 배설된다고 보고된 바 있다. 분과 뇨로 배설된 85%에서 90%중 처리공정인 액비화나 퇴비화 중 alkaline phosphatase나 phytase를 분비하는 미생물에 의해서 극히 일부는 무기태인으로 전환되지만 전환되지 않은 유기태인은 작물이나 미생물에 의해서 이용되는 인의 형태가 아니기 때문에 호소와 토양에 축척되어 호소에서 부영양화의 주된 요인이 되고 토양에는 과잉축척이 되어 토양을 황폐화시킨다.
  유기태인의 결합형태는 다가 alcohol인 orthophosphate 1분자 내지 6분자가 inositol에 에스테르 결합을 한 inositol phosphate가 있으며, 또한, Phytic acid의 형태로 존재하는 인은 myo-inositol hexaphosphate로 존재하여 인 분해 효소를 가지고 있는 미생물에 의해서 myo-inositol, inositol과 무기태인으로 가수분해되어 가축내에서는 가축에 이용되고 배설분에서는 미생물이나 작물에 이용되어 질 수 있는 형태로 전환시켜주며 무기물의 길항작용에 의해서 여러 광물질의 이용성을 증가시켜준다.
  유기태 인을 무기태 인으로 전환시켜주는 Alkaline phosphatase(EC : 3.1.3.1)는 비특이적으로 phosphomonoesters 결합물에서 인을 단리시켜 주거나(orthophosphoric monoester + H2O → alcohol + H3PO4) phosphoryl group를 다른 Alcohol 화합물에 전이시켜준다.
  따라서 Alkaline phosphatase 효소 또한 다른 효소들처럼 토양개선제로 사용되고 있으며 이는 가축분 등을 재료로 하여 제조 판매되는 유기질 비료에는 유기태인의 함량이 높기 때문에 작물이 유기질 비료의 이용성을 극대화시키기 위해서는 매우 중요한 효소이다.
  우리나라 축산농가 및 경종농가에서 작물의 영양분으로 사용하고 있는 액비나 퇴비 및 화학비료의 연용으로 인해 유기태인으로 인한 토양과 수질의 오염이 심화되고 인이 과잉 축척된 토양에서의 작물의 인결핍 증상이 나타나 이를 해결하기 위한 수단으로서 금번 축산기술연구소에서 개발한 남세균은 미생물학적인 분비형태를 극복하고 고농도 alkaline phosphatase를 분비하는 미생물을 유전공학기법을 이용하여 개발함으로서 생태계 보호는 물론 축분을 활용한 품질이 우수한 유기질 비료의 가치를 증진시켜주는데 그 효과가 있었으며 균주 자체에 있어서도 특이한 점은 광합성 능력과 균의 영양요구성(성장성)이 떨어지면서도 alkaline phosphatase를 고농도로 생산한다는 점이며 또한, 다른 발명자들은 효소의 정제를 통해서 이용하고 있는 점에 비해 본 균주는 효소를 정제하는 과정 없이 형질전환된 남세균을 고농도 유기물에 배양시키면서 이용되어지기 때문에 이용효율측면에서 그 의의가 매우 크다고 할 수 있다. 따라서 개발균주는 타 미생물보다 10배 정도의 인의 가용성을 높혀 토양내 타 미생물의 인이용성을 증진 시켜줄 뿐만 아니라 작물의 인 이용성도 배가 시켜 주는 것으로 나타났다.




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