코리네박테리움

코리네박테리움(Corynebacterium)은 방선균목(Actinomycetales)의 한 속으로서 막대모양의 그람양성균 균종들이다. 막대 모양이며 일생 중 몽둥이 모양(Club-shaped)을 하여 코리네박테리움 속명에 영향을 주었다. 이들은 자연의 토양, 물, 식물 그리고 인간과 동물의 점막과 피부 등 널리 퍼져있으며 대부분은 무해하지만, 질병 등으로 면역체계가 약해져 있을 때 Corynebacterium diphtheriae 종은 디프테리아(Diphtheria)를 유발하기도 한다. 코리네박테리움 글루타미컴 (Corynebacterium glutamicum)은 오늘날 L-글루탐산(L-glutamate)과 L-라이신(L-lysine)을 대량생산하는데 이용되므로, 산업바이오 분야에서 가장 중요한 세균 중에 하나로 여겨진다.

그림 1. 코리네박테리움 디프테리아 M 균주의 Scanning electron microscopy 사진 (출처:Umeda, A. and Amako, K. 1983 Grwoth of the surface of Corynebacterium diphtheriae. Microbiol. Immunology. 27(8), 663-667.)

목차

코리네박테리움은 본래 디프테로이드(Diphtheroid) Bacilli이며, 병원성이나 동물에 기생하며, 비운동성인 종들을 수용하기 위하여 정의되었다.¹⁾ 그 후, 방대한 미생물 종들이 세포의 형태, 염색 특징, 호흡대사에 기반하여 코리네박테리움에 속하게 되었다. 세포벽의 화학∙지질 조성, DNA 염기 조성 등 화학분류적 마커 사용은 코리네박테리움의 범위를 다시 설정할 수 있게 하였고, 16S rRNA 서열 분석을 이용한 분류법이 시행된 후 오늘날과 같은 코리네박테리움 속이 형성되었다.

처음 코리네박테리움의 산업적 잠재력을 발견한 배경은 글루탐산 생성자를 찾는 연구에서 시작되었다. 여러 환경에서 분리한 미생물들을 플레이트에 키운 후 강한 UV처리를 하고, 그 위에 글루탐산을 필요로하는 박테리아(Leuconostoc mesenteroides)가 섞인 basal agar를 덮어 어느 미생물 콜로니에서 글루탐산을 생산하는지 골라내어, 선택된 글루탐산 생산자들 중 가장 생산력이 뛰어난 미생물을 확인하였다.²⁾ 그렇게 발견된 미생물이 Micrococcus glutamicus, 현재의 Corynebacterium glutamicum이다.

코리네박테리움의 세포의 길이는 2~6 µm, 지름은 0.5 µm이다. 그람양성, 호기성, 카탈레이즈 양성, 포자 비형성, 높은 GC 함량, 부동성 등의 특징을 가진다. 세포를 염색했을 때 발견되는 이염과립(Metachromatic granule)은 저장된 인산을 나타낸다. 대표적인 코리네박테리움 종인 C. glutamicum의 야생형인 ATCC 13032의 유전체 염기서열 분석은 2003년에 완료되었으며, 약 3,200,000 bp, 3000 개의 단백질 암호화 유전자를 가지고 있다.³⁾ 이용가능한 탄소원으로는 포도당(Glucose), 과당(Fructose), 자당(Sucrose), 글루콘산(Gluconate), 리보오스(Ribose) 등  광범위하여 다양한 자연환경에서 생존이 가능하다.⁴⁾

C. glutamicum은 산업미생물로써 가지고 있는 장점이 다양하다.

특히, C. glutamicum을 이용한 아미노산 생산은 연간 5백만 톤이 넘고, 숙신산(Succinate), 젖산(Lactate) 등의 유기산 생산에도 이용되고 있으며 생산성을 높이기 위한 균주개량 연구가 지속적으로 진행되고 있다.

초기 C. glutamicum의 L-글루탐산 다량생산 유도는 바이오틴(Biotin)이 없거나, 혹은 존재하여도 계면활성제인 Tween40, Tween60이나 페니실린 등의 항생제를 첨가한 환경에서 이루어졌다. 바이오틴의 부재는 세포막의 삼투압을 증가시키는 역할을 할 것이라 여겨지고 있다. 이와 비슷하게 계면활성제나 항생제도 세포막, 세포벽의 조성을 변화시켜 세포 안에 존재하던 L-글루탐산이 밖으로 새어나가게 되는 것이라 추측되었다.¹²⁾ 근래에는 L-글루탐산이 과생산 될 때, 2-oxoglutarate를 탈수소화 시키는 ODHC(2-Oxoglutarate dehydrogenase complex)의 활성이 낮아지는 현상에서 착안하여 odhA유전자를 제거하고, GDH(Glutamate dehydrogenase)의 활성을 조정하여 L-글루탐산의 생산성을 높인 연구결과가 있다(그림 2).¹³⁾

그림 2. 코리네박테리움 글루타미컴에서 글루탐산 생산을 위한 대사회로 조작

식품첨가물, 의약품, 바이오 플라스틱 등의 원료가 되는 숙신산 역시 C. glutamicum의 대사회로를 변형시켜 생산력을 높일 수 있다. Lactate, acetate 등 부산물의 생성을 줄인 C. glutamicum BOL-2에서 phosphoenol-pyruvate와 oxaloacetate의 생성을 촉진하도록 변형된 C. glutamicum BOL-3/pAN6-gap은 20시간 뒤 숙신산 최종 역가가 1.4배 증가한 151 mM로 나타났다(그림 3).¹⁴⁾

그림 3. 코리네박테리움 글루타미컴에서 혐기적 조건에서 숙신산 생산에 관여하는 대사회로와 회로조작

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