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미생물이야기 바실러스속(Bacillus genus)의 미생물들은 자연계의 도처에서 서식하나 특히 토양에서 주로 서식한다.
2013-08-08 12:00:33
이엠생명과학연구원

바실러스속(Bacillus genus)의 미생물들은 자연계의 도처에서 서식하나 특히 토양에서 주로 서식하며 중온성 또는 고온성인데 온도는 30~50℃, pH는 5.7~6.8 범위에서 잘 성장하며 호기성이고 내생포자를 형성하며 편모로 운동을 합니다. 포도당 등이 존재하는 환경에서는 혐기적 서식을 하며 내생포자는 바실러스가 고온이나 저온 등의 극도로 나쁜 환경에서도 생존할 수 있게 해줍니다. 그 모양은 막대형이며 크기는 1.2~10㎛ 정도입니다(참고로 1㎛는 100만분의 1m입니다). 바실러스는 단백질, 전분 등의 분해력이 강하고 바실러스 속에는 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis), 바실러스 메가테리움(Bcillus megaterium), 바실러스 세레우스(Bacillus cereus)와 바실러스 브레비스(Bacillus brevis) 등이 잘 알려져 있습니다.

고초균으로 불리는 바실러스 서브틸리스는 수 많은 바실러스 속에 포함되는 미생물 중에 하나로 온도는 37~40℃, pH는 6.8~7.0 범위에서 잘 성장하며 강한 아밀라제(amylase) 및 다양한 프로테아제(protease) 등을 분비하여 다양한 자연계의 물질들을 분해하며 영양원 순환에 크게 기여합니다. 또한 다양한 항미생물 제제(antibacterial compound) 및 항곰팡이 제제(antifungal compound)들을 생성하는데 bacitracin, bacillin, bacillomycin B 등이 대표적인 것들입니다. 따라서 이 균은 아밀라제(amylase), 프로테아제(protease), 아미노산(amino acid), 항미생물 제제(antibacterial compound), 계면활성제(detergent) 등의 생산을 포함하여 산업적으로 많이 이용되고 있습니다. 물론 이것은 실험실적 혹은 산업적인 이용이며 자연환경에서는 어떤 물질들을 얼마나 어떻게 생성하고 분해하는지는 알기 어렵습니다. 이 균은 사람, 동물, 식물 등에서 질병을 일으키거나 독성을 나타내지 않으며 잠재적 위험성 등도 갖지 않아서 주로 식품의 발효에 중요한 역할을 하기 때문에 식품미생물로 널리 이용되고 있습니다.

바실러스 서브틸리스는 포도당, 과당, 수크로스(설탕), 아미노산 등이 들어있는 합성배지에서 잘 성장하는데 단백질이 풍부한 증자된 대두에서 매우 잘 자랍니다. 증자된 대두에서 발효를 일으키며 점질물을 생성하는데 이 균이 영양분으로 이용하는 수크로스(sucrose)는 대두에 많이 있어서 점질물의 생성에 크게 기여한다고 알려져 있습니다. 따라서 이 균은 청국장 발효균으로 널리 이용되고 있는데 1900년도 초에 일본의 Sawamura가 청국장에서 세균을 분리하여 증자한 콩에 접종하면 항상 같은 청국장이 됨을 발표하고 이 균을 Bac. natto Sawamura로 명명하였다고 합니다. 이 균은 바실러스 서브틸리스로 인식되었으며 청국장 발효균은 바실러스 서브틸리스로 인식되었습니다. 생콩, 증자된 콩, 발효된 콩 중에서 흡수율이 높은 순서는 발효 콩, 증자 콩, 생콩인 것으로 알려져 있습니다. 따라서 다양한 영양원을 충분히 섭취하기 위해서는 발효된 콩 식품을 먹어야 함을 알 수 있습니다. 콩 발효 식품들 중에서 청국장은 대표적인 것이고 바실러스 서브틸리스가 콩 발효를 일으킵니다.

전통적으로 청국장 제조 시에 증자된 콩에 볏짚을 넣어줌으로써 바실러스 서브틸리스를 접종하거나 공장에서는 순수 분리하여 대량으로 배양한 바실러스 서브틸리스를 접종하여 발효가 일어나도록 합니다. 콩을 증자한 후 약 80~90℃에서 접종하는데, 그 이유는 청국장균 포자는 내열성이 높아서 포자에 단시간 고온 충격을 주면 발아촉진 효과가 있기 때문이고 고온충격의 조건은 100℃에서는 1분이 좋고 85℃에서는 30분이 적당하다고 알려져 있습니다. 또한 pH는 적정 범위인 6.4~6.8에서 발효가 진행되면 pH가 상승하여 7.6까지도 올라가 생육에 적절한 조건이 된다고 알려져 있습니다. 본 사의 부설 연구소에서 한국 바이오트론사의 SP30 발효기를 이용하여 바실러스 서브틸리스 지24를 대량 배양할 경우에도 pH6.8에서 배양을 시작하면 초반에는 pH가 6.3 정도로 떨어지나 15시간 정도가 지나면 pH가 7.0~7.5 정도로 올라가는 것을 확인하였습니다.

이렇게 바실러스 서브틸리스는 청국장 발효에 결정적인 역할을 하는데 보다 빨리, 양질의 청국장을 만들기 위하여 노력하는 과정에 본 사의 대표이사인 이오형 교수팀이 발효능이 뛰어난 바실러스 서브틸리스를 분리·동정하고 바실러스 서브틸리스 지24(Bacillus subtilis G24)로 명명하였으며 특허청에 특허 등록(특허출원번호 10-2006-0099598)이 진행되고 있습니다. 이 균이 보통의 바실러스 서브틸리스와 다르고 뛰어난 발효능을 갖는 다는 사실을 모양과 서팩틴(surfactin) 생성 능력, 점질물 생성 능력, 다른 영양원 생성 등을 이용하여 입증했습니다. 이 균은 바실러스 서브틸리스이지만 배양 과정에 성장하는 형태가 매우 다릅니다. 바실러스 서브틸리스는 실험실에서 배양할 경우에 24시간이 지나면 대부분이 매우 작은 크기의 막대형 도막(fragmentation)을 형성한 후에 궁극적으로는 내생포자를 형성합니다. 그러나 바실러스 서브틸리스 지24는 50시간이 지나도 긴 막대 모형을 유지하고 있습니다. 배양을 시작하여 4시간과 50시간이 지난 후 찍은 아래의 현미경 사진을 보면 잘 나타나 있습니다.

 
 

바실러스들은 자기들이 살아가는 배지의 필수 영양원들 중에 한 개 이상의 영양원이 고갈되는 등의 스트레스를 받으면 생존하기 위해 내생포자 형성, 분해효소 합성, 항생제 합성 등의 전략을 세워서 환경 변화에 적응을 합니다. 서팩틴은 바실러스 서브틸리스에 의해 생성되고 이것은 리포펩티드(lipopeptide)인 계면활성제로 강력한 표면 활성을 갖습니다. 서팩틴은 평판배지에 균을 배양할 경우에 콜로니 주변에 투명한 둥근 영역이 생성되는데 아래 사진에서 보면 연노랑색의 콜로니 주변에 빨강색 화살표로 가리키는 투명한 영역이 보이는데 이것이 서팩틴이 합성된 것과 그 영역을 나타냅니다. 서팩틴의 생성량과 질(quality)은 성장하는 미생물들의 배지에서 영양 환경에 의한 스트레스와 다른 여러 가지의 요인들에 의해 영향을 받는데 영양원인 탄소원과 질소원 또는 비수용성 기질들, 온도, 통기성 등에 의해 영향을 받습니다.

예를 들어서 에너지원으로 이용할 탄소원이 불용성 기질일 때에 서팩틴을 생성하여 그들의 퍼짐을 촉진합니다. 또한 이 균들의 군집




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