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미생물이야기 표면에서의 미생물 생장과 생물막
2013-08-13 12:11:58
이엠생명과학연구원

표면에서의 미생물 생장과 생물막

 

표면 (surface)은 중요한 미생물 서식지인데 영양물질이 흡착될 수 있기 때문이다. 표면의 미세환경에서 영양물질의 수준은 용액 중에서보다 훨씬 높을 수 있으며 결과적으로 표면에서의 미생물 개체수는 물보다 훨씬 크다. 현미경 슬라이드는 미생물이 부착하고 자랄 수 있는 실험적 표면으로 사용될 수 있는데, 슬라이드를 미생물 서식지에 담가 일정 시간 방치한 후 회수하여 현미경으로 관찰한다. 부착 미생물들이 입자 표면으로부터 영양물질을 직접 이용할 수 있다. 토양 내 미생물들은 식물 물질에 집락을 형성하며 고체 표면에 부착된 미생물은 염색법으로 검출될 수 있다.

 

 

생물막

표면에서 자라는 미생물들은 표면에 부착된 세균 세포 집단이 세포가 분비하는 점착성 다당류로 둘러싸인 생물막 (biofilm)을 형성한다 . 생물막은 미생물의 생장을 위한 영양물질을 포집하고 흐름이 있는 체제에 존재하는 표면에서 세포가 떨어지는 것을 방지한다.

세포-대-세포 통신은 생물막의 발달과 유지에 중요하다. 표면에 세포의 부착은 생물막-특이적 유전자의 발현을 위한 신호가 된다. 이 유전자들은 세포-대-세포 신호분자를 합성하는 단백질을 암호화하며 다당류 생성을 개시한다 . Pseudomonas aeruginosa 에서 주된 신호분자들은 homoserine lactone인데 이것이 축적되면 근처의 P. aeruginosa 세포들을 끌어모으는 주화성 인자 (chemotactic agent)로 작용하며 [균체밀도 감지기작 (quorum sensing)] 생물막이 발달된다 . P. aeruginosa는 포낭섬유증 (cystic fibrosis) 질환에 관여하는데 폐에 점착성 생물막을 형성하며 폐렴 증상을 유도한다.

 

 

세균이 생물막을 형성하는 이유

생물막으로의 생장이 생물의 생존과 생장을 향상시키므로 세균은 생물막을 형성한다. 생물막 형성에는 적어도 4개의 이유가 존재하는데 첫째는 생물막의 방어 기능이다. 생물막은 미부착 세포를 쓸어가는 물리적 힘, 면역체제의 세포에 의한 식세포작용 또는 항생물질 같은 독성분자의 침투에 저항성이 있다. 둘째, 생물막 형성은 세포가 양호한 생태적 지위에 남아있게 한다. 동물조직 같은 영양이 풍부한 표면이나 하천 내 암석 같은 유동 체제 내 표면 에 부착된 생물막은 영양이 보다 풍부하거나 지속적으로 공급되는 장소에 세균 세포를 고정시킨다. 셋째, 서로 밀접한 연관 속에서 세균 세포들이 살게 하므로 생물막이 형성된다. 생물막은 감지물질을 통해 세포간 통신을 원활하게 하며 이는 세포들에 도움이 될 수 있다. 세포들이 가까이 있으면 유전자 교환의 기회가 늘어난다. 넷째, 생물막이 영양물질 농도가 배양 배지보다 훨씬 낮은 자연에서 세균 세포가 생장하는 전형적 방법이다.

 

 

생물막 제어

사람의 몸에서 생물막 내의 세균 세포는 면역체제에 의한 공격으로부터 보호받으며 항생물질과 기타 항미생물제들이 흔히 생물막을 침투하지 못한다. 생물막은 포낭섬유증 외에 치주질환, 신장결석, 결핵, 레지오넬라증과 Staphylococcus 감염을 포함한 다양한 질병에 관여한다. 의학적으로 사용하는 체내 삽입물은 생물막 발달에 훌륭한 표면이 되는데 인공관절 같은 장기적 삽입물과 요도관 같은 단기적 장치를 모두 포함한다. 치석 (dental plaque)은 전형적인 생물막으로 충치의 원인인 산-생성 세균을 함유한다.

산업적 측면에서 생물막은 관로를 통한 물, 기름 또는 다른 액체의 흐름을 저해하며 관 자체의 부식을 촉진할 수 있다. 생물막은 또한 원양 원유채굴장치, 선박과 해안시설 같은 물에 잠긴 구조물의 분해를 개시한다. 음용수의 안전은 수도관 내에 발달하는 생물막에 의해 위협받을 수 있다. 비록 수도관 생물막이 대부분 무해한 세균을 함유하지만 만일 병원체가 생물막에 존재한다면 기존의 염소 소독이 그들을 효과적으로 죽이지 못할 수도 있다. 그러면 세포의 간헐적 방출이 질병의 발생을 일으킬 수 있다.

생물막 제어는 큰 산업이지만 현재까지 일부 방법만이 사용 가능하다. 전체적으로 산업계는 관로와 기타 표면의 생물막을 제거하는데 매년 수십억 달러를 사용하고 있다. 생물막에 침투할 수 있는 새로운 항생물질들과 세포간 통신을 저해하여 생물막 형성을 방지하는 여러 약품들이 개발 중이다. 예를 들면 furanones라는 종류의 물질은 무생물 표면에서의 실험에서 생물막 방지제로서 가능성을 보였다.




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