한정배지

배지[medium(단수), media(복수)]는 다양한 세포를 배양하는데 사용되며 배양하려는 생물이나 세포 종류, 배양 목적과 배지 조성에 따라 그 종류가 매우 다양하다. 한정배지는 화학적 조성과 농도가 정확하게 알려진 배지이지만 목적에 따라 특정 성분의 농도 변화가 용이하다.

XLD 한천배지에서 자라는 Salmonella sp. (출처: )

목차

배지는 동물, 식물 및 미생물 등의 다양한 세포를 배양하는데 사용되므로 배양 배지(culture medium 또는 growth medium)라 하며 따라서 배지의 종류는 배양하고자 하는 생물이나 세포의 종류에 따라 매우 다양하다. 미생물 배양은 19세기 말 Pasteur와 Koch에 의해 시작되어 그 역사가 135년을 넘는데 특히 다양한 대사능과 기능을 가진 미생물 배양을 위해 조성이 다른 배지의 종류가 매우 많다. 표적 생물뿐만 아니라 미생물의 분리, 구분, 농화, 대량 배양 등 배양의 목적에 따라서도 각각 다른 배지가 사용되므로 표적 생물 및 목적에 따라 적합한 배지를 선택하는 것이 미생물 연구의 첫 단계가 된다. 동일한 조성의 배지도 액체배지(liquid medium)와 한천(agar) 같은 고형화제(solidifying agent)를 첨가한 고체배지(solid medium)로 만들 수 있다. 미생물 배양용 배지의 종류와 조성은 Difco & BBL Manual에서 찾아볼 수 있으며 웹사이트 에서 다운로드 할 수 있다.

일반적인 목적의 미생물 배양용 배지는 크게 일반배지(general medium), 선택배지(selective medium), 분별배지 또는 차별배지라고도 하는 감별배지(differential medium), 농화배지(enrichment medium) 등으로 나뉜다. 일반배지는 다양한 종류의 미생물 배양을 위해 개발된 종류로 시료에 여러 미생물들이 존재할 때 이용하며 따라서 시료 내 많은 종류의 미생물을 생장시킬 수 있는 배지이다. 환경의 여러 미생물을 배양할 수 있는 Nutrient broth, Luria-Bertani broth, Trypticase soy-blood agar 등이 대표적인 종류이다. 선택배지는 특정한 한 가지 종류의 미생물을 배양하기 위해 개발되었다. 전형적으로 관심의 대상이 되는 미생물이 시료 내에 포함된 다양한 미생물 중 작은 비율로 존재할 때 이용된다. 환경에서 특정한 기능을 가진 종류나 특정 병원체를 분리할 때 많이 이용된다. 감별배지는 선택배지의 한 부류로 미생물을 선택할 뿐만 아니라 그들을 구분 또는 동정하는데 도움이 된다. 평판배지 위에서 특정 미생물이 자라날 뿐만 아니라 특징적으로 색을 띤 집락을 형성하여 구분할 수 있다. 그 대표적인 종류가 MacConkey agar medium으로 유당을 발효하는 장내세균과(Enterobacteriaceae) 세균을 유당을 발효하지 못하는 세균으로부터 구분할 수 있다. 근래 항생제 내성 세균 탐색에 감별배지가 많이 사용되고 있다¹⁾. 농화배지는 많은 종류의 미생물이 존재하는 시료에서 특정 종류가 보다 잘 자랄 수 있게 선택성이 있게 조성을 만든 배지로 개체수가 적은 특정 종류의 분리를 쉽게 하기 위해 먼저 많이 자라나게 하는 목적으로 사용된다.

위의 배지 종류는 다시 그 조성에 따라 한정배지(defined medium)와 비한정배지(undefined medium)로 나뉘는데 미생물 연구실이나 산업현장에서 사용하는 배지의 대부분은 복합배지(complex medium)라고 흔히 부르는 비한정배지이다. 비한정배지는 동물과 식물의 단백질이나 추출물 또는 효모의 분해물을 첨가하여 만들어지기 때문에 정확한 화학적 조성을 알 수 없기 때문에 붙여진 이름이며 세포 성분이 모두 들어있으므로 대부분의 미생물 배양에 용이하다. 그러나 제조 시 성분이 항상 일정하지 않기 때문에 제품 번호에 따라 미생물 배양 시 결과가 약간씩 다를 수 있다¹⁾.

한정배지는 그 화학적 조성과 농도가 완전하게 알려진 배지로 화학적 한정배지(chemically defined medium)라 하는데 조성과 농도에 따라서는 여러 종류의 미생물 생장에 이용될 수도 있지만 대부분의 경우에는 특정 미생물을 배양하는데 많이 이용된다. 정량적 및 정성적으로 정확한 조성을 가지므로 순도가 높은 무기화학물질이 이용되어야 하며 어디서나 같은 배지를 만들 수 있으나 불순물이 있을 경우에는 문제가 될 수도 있다. 배양하고자 하는 생물체의 세포 원소 조성을 감안하여 조성이 결정되는데 탄소원이 가장 많이 포함되며 다음으로 질소원이 많이 들어간다²⁾. 배지 조성은 배양하고자 하는 미생물 종류에 따라 크게 다를 수 있는데 독립영양생물의 경우 탄소원이 필요 없으므로 비교적 간단하다. 또한 첨가한 탄소원으로 세포물질을 모두 만들 수 있는 생물을 원영양체(prototroph)라 하는데 이들을 배양하는 한정배지는 비교적 단순한 조성을 가지며 이런 경우 최소배지(minimal medium)라고도 부른다. 이와 반대로 탄소원을 포함하여 다양한 화합물을 요구하는 까다로운 생물체(fastidious organism)를 배양하려면 복잡한 한정배지를 필요로 하는데 여러 가지의 아미노산, 비타민 등 다양한 생장요소(growth factor)를 첨가해야 한다. 그 예로 Neisseria spp. 배양의 경우 한 가지 한정배지에 53개의 성분이 들어간다. 한편 배지 성분의 농도도 배양하고자 하는 미생물에 따라 다른데 대부분의 고영양성생물(copiotroph) 배양을 위한 고영양성 배지(nutrient rich medium)에는 탄소원이 수% 들어가는데 반해 빈영양성생물(oligotroph)을 위한 빈영양성 배지(oligotrophic medium)에는 수백 ppm 정도로 저농도의 탄소원이 들어가기도 한다³⁾.

한정배지는 먼저 독립영양생물 분리에 이용되는데 광합성 미생물이나 화학합성 미생물 분리 시 유기물이 일체 들어가지 않고 비교적 적은 종류의 무기화합물만 함유된 한정배지를 이용한다. 이 때 무기화합물이나 고형화제에 유기 오염물질이 함유되지 말아야 한다. 한정배지는 특히 특정 성분을 이용하는 미생물의 분리와 배양에 가장 많이 사용되는데 특정 탄소원을 유일 탄소원으로 이용하는 종류를 분리할 때 유일하게 이용할 수 있는 배지이다. 따라서 특정한 오염물질이나 독성물질로 작용하는 유기물을 분해할 수 있는 미생물 분리에 많이 이용되는데 석유탄화수소나 다이옥신(dioxin) 등의 난분해성 유기물, 미생물 독소, 유기염소화합물이나 폭약 같은 독성물질이나 항생물질 등을 분해하는 미생물 등의 분리용 한정배지가 그 대표적인 종류이다.

한편 분리한 미생물을 동정할 때 특정 탄소원 이용 유무를 검사하는 대사지문(metabolic fingerprinting) 분석 시 다양한 탄소원이 각각 함유된 배지를 이용하여 시행되고 있으며 Biolog^TM나 API^TM kit 같은 상업용 제품에도 이용된다⁴⁾. 한편 질소원으로 어떤 종류의 유기 또는 무기 질소화합물을 이용하느냐를 결정할 때도 한정배지가 활용되는데 특히 질소 고정 원핵생물 분리 시에는 배지 조성에 일체의 질소가 들어가지 않는 배지를 이용한다. 이렇게 특정 성분을 이용하는 미생물 분리 시 그 성분만을 첨가하거나 첨가하지 않은 조성의 한정배지로 선택배지를 만들어 이용한다.

한편 특정 성분에 대한 저항성이나 내성을 가지는 미생물 분리에도 이용할 수 있어서 독성물질이나 항생물질 내성 미생물의 분리나 확인 목적으로 한정배지를 만들 수 있다. 미생물 유전자재조합 시 도입유전자 이외에 보고유전자(reporter gene)로 항생제 내성 유전자를 흔히 삽입하는데 유전자 삽입을 확인하기 위해 보고유전자의 대상이 되는 항생제를 첨가한 한정배지에서 형질전환 균주를 분리한다. 또한 특정 종류의 미생물만 자라나게 하고 다른 종류들은 자라나지 못하게 하기 위한 억제물질을 첨가한 한정배지도 있는데 장내세균 분리를 위한 배지에 장내세균은 내성을 갖지만 비 장내세균은 억제하는 계면활성제 성분을 첨가하거나 발효세균을 분리하기 위해 호흡세균을 억제하는 호흡 저해제를 첨가한다.

Cosenzaea myxofaciencs 생장 확인을 위한 Simmon’s citrate 한천 배지(출처: ) 

세균 배양용 배지로 이중 Bismuth Sulfite Agar만 한정배지이고 나머지는 비한정배지이다(출처: )

형질전환(transformation), 원핵생물(prokaryote), 유전자재조합(Genetic recombination), 광합성(photosynthesis), 보고유전자(reporter gene), 규정배지, 제한배지, 합성배지, 정성배지 

송홍규/강원대학교

석영재/서울대학교

1. Goldman E, Green L. 2015. Practical Handbook of Microbiology (3^rd ed.) pp. 39-43, 135-137. CRC Press, Boca Raton.
2. Madigan M, Martinko J, Bender K. 2016. Brock Biology of Microorganisms (14^th ed.) Upper Saddle River: Pearson Prentice Hall.
3. Gerhardt P, Murray R, Wood W, Krieg N. 1994. Methods for General and Molecular Bacteriology. p. 166. American Society for Microbiology, Washington DC.
4. Maier R, Pepper I, Gerba G. 2009. Environmental Microbiology (2^nd ed.) pp. 176-186. Academic Press, Burlington.