산업미생물

산업미생물(Industrial microorganism)이란 특정한 산물을 생산하는 활성이 높아서 발효산업 현장에서 실체로 사용되고 있는 미생물을 말한다. 산업미생물이 되기 위해서는 산물의 생산성뿐만 아니라 고려되어야 할 점들이 많이 있다. 산물의 종류가 무엇인지, 산물의 특성이 어떤지, 산물의 생산성이 얼마나 높은지를 파악하는 것이 중요하다.

목차

유용한 물질을 생산하여 산업적으로 사용하려는 미생물 균주는 다음과 같은 특성을 가지고 있어야 한다.

① 병원성이 아니고 순수하게 분리된 세포이어야 한다.

② 증식속도 및 증식수율이 높아야 한다.

③ 산물생산속도 및 생산수율이 높아야 한다.

④ 산물생산의 재현성 즉 원하는 성질이 장기적으로 유지되어야 한다.

⑤ 오염으로부터 안정성이 높아야 한다.

⑥ 목적하는 산물을 분리하는 절차가 수월하여야 한다.

⑦ 유전자의 성질이 안정하면서도 인위적인 변이가 가능하여야 한다.

산업미생물 균주를 개발하기 위하여 먼저 자연환경에서 얻은 시료로부터 미생물을 순수하게 분리하고 분리한 미생물 중에서 특정한 목적 산물을 생산하는 활성이 높은 것을 검색하여 선택한다. 미생물이 육안으로 정도는 최소한 수백만 개 이상의 세포가 모여 있는 상태이고 각 세포의 활성은 다 다르기 때문에 원하는 산물을 생산하는 활성이 높은 세포를 꼭 찍어 분리하는 것은 까다로운 일이다. 미생물의 활성도 환경 조건에 따라 달라지므로 조건 설정을 잘 하는 것이 필요하다. 특정한 활성을 성질을 고감도로 신속하게 감지하는 검색(screening) 방법은 원하는 산물에 따라 다르다. 예를 들면, 생물자동검색법(bioautography)을 활용하여 단시간 내에 많은 수의 미생물 세포의 활성을 조사하게 된다. 생물자동검색법은 살아있는 세포를 활용하여 각 세포에서 나타나는 결과를 분석하는 방법으로 항생제의 활성을 측정하는데 주로 많이 사용된다. 일차로 검색하여 선택한 균주의 분석 결과 산업적으로 바람직하지 않은 특성이 있는 균주는 제외시키는 것이 좋다.

그림 1.  항생물질의 활성을 측정하는 생물자동검정법 ()

원하는 활성을 가지고 있는 미생물 균주가 선택되면 활성물질을 순수하게 분리하여 그 화학적 구조를 분석한다. 분리된 화합물이 기존에 알려진 화합물인지 새로운 화합물인지를 판단하여 만약 이미 분리된 알려진 화합물이고 그 활용 정도가 널리 인용되고 있지 않을 경우에는 해당 연구를 더 이상 진행할 필요가 없다. 만약, 분리한 화합물이 신규 화합물로 판명이 되면 해당 신규 화합물의 물리‧화학적 특성을 규명한다. 먼저, 해당 화합물의 생리적 또는 약리적 활성을 측정한다. 예를 들어, 신규 화합물이 항생물질의 활성을 가지고 있다면, 항생물질의 활성을 비교하는 중요한 지표가 되는 시험균 증식저해최소농도 (Minimal Inhibitory Concentration: MIC) 또는 세균사멸최소농도 (Minimal Bactericidal Concentration: MBC)을 측정한다. 분리된 화합물을 인체에 사용하고자 할 때에는 독성을 먼저 검사하여야 한다. 특정한 시험동물을 선택하여 치사중간량(Median Lethal Dose: LD50), 치료유효중간량(Medium Effective Dose: ED50)을 측정하여 결정한다. LD50 값을 ED50 값으로 나누어 얻은 값을 치료지수값Therapeutics Index (Ti) 라고 하는데 Ti 값이 크면 클수록 해당 시험동물에 독성은 낮으며 치료효과는 높은 물질로 판단된다. 그 후 단계의 임상시험을 거쳐서 치료효과가 인체에 특별한 부작용이 적은 것을 확인하고 최종적으로 인체에 사용하게 된다.

인류는 미생물을 이용하여 유용한 산물을 만들어 사용하여 왔지만 오랫동안 미생물의 실체를 알지 못한 채 또는 여러 미생물들이 섞여 있는 상태로 사용하였다. 자연에 있는 미생물을 인위적으로 순수하게 분리하고 인공적으로 조성한 최적의 배양환경에서 대량 배양하여 산물을 분리하고 정제하여 의약품으로 사용된 첫 사례는 항생물질 페니실린(penicillin)이다. 영국 스코트랜드의 미생물학자인 Alexander Fleming이 1928년에 분리한 파란 곰팡이를 영국 옥스퍼드대학의 Howard Florey, Norman Heatley, and Ernst Chain이 1940년에 대량으로 배양하는 발효법을 확립하고 penicillin을 정제하고 그 화학 구조를 규명하였다. 이렇게 생산된 penicillin은 세계 이차 대전 중에 부상단한 병사들에게 염증을 치료하는 항생물질로 개발되었다. 항생물질이 개발되어 인체에 사용한 첫 사례가 된 것이며 이 연구로 이들은 노벨상을 수상하였다. 이후 penicillin을 생산하는 우수한 산업균주인 Penicllium chrysogenum이 1951년 미국 Peoria, Illinois에서 다시 분리되었고 penicillin을 생산하는 활성이 높아진 변이주를 계속적으로 얻고 최적 발효조건을 확립하여 대량 발효조를 사용하여 생산이 가능하게 되었다. 미생물을 순수 배양하여 의약품을 대량으로 생산하는 발효산업이 드디어 전개된 것이다.

그림 2. Penicillin 생산균주 Penicllium chrysogenum  ()

미국의 미생물학자 Blocks는 1969년에 미국 Yellowstone National Park 내 온천에서 50-80 ℃에서 증식하는 초고온성 세균 Thermus aquaticus를 분리하였다. 이 세균을 배양하여 얻은 DNA 중합효소(Taq polymerase)는 70-97.5 ℃에서 그 활성이 최적으로 유지된다. 이렇게 개발된 초고온성 Taq polymerase는 곧바로 특허로 보호를 받았으며 이 특허는 3억3천만 달러에 매각되었고 이후에 산업화가 되어 무려 20억 달러 이상의 특허료를 받는 경이적인 결과를 창출하였다. 이 DNA 중합효소는 산업적으로 성공한 사례이며 이를 이용하여 분자 생물학 분야 연구가 크게 발전하게 되었다.

그림 3. DAN 중합효소 생산균주 Thermus aquaticus  ()

1928년에 penicillin을 생산하는 곰팡이가 처음으로 분리된 이후, 다양한 항생물질을 생산하는 미생물이 자연환경에서부터 분리되어 산업미생물로 이용되고 있다. 항생물질뿐만 아니라 사람과 동물 및 식물에서 일어나는 질병을 치료하는 의약품을 생산하는 산업미생물 균주가 계속 개발되고 있다. 발효산업에서 사용되는 산업미생물들은 자연에서 분리된 후 유전자 개량기술을 접목하여 생산성이 우수한 균주로 개량되는 과정을 거친다. 이 때 균주의 안정성과 안전성이 입증되어야 한다. 의약품, 식음료, 보건환경 등에 유용한 다양한 산물들이 우수한 산업미생물로부터 생산되고 있어서 발효산업을 통한 인류의 삶의 질은 크게 향상되었다. 막대한 가치를 창출하는 발효산업의 성공의 시작이며 근본은 산업미생물 균주의 개발이라고 할 수 있다.

이정현/한국해양과학기술원

이진규/이화여자대학교

발효학원론(2판) 이계준. 라이프사이언스 | 2009년 09월 01일 출간