Environmental effects on microbial growth : Temperature

Environment effects on microbial growth

미생물의 activites는 화학적 요인과 물리적 요인에 의해 많은 영향을 받는다.  환경적 영향을 이해하는 것은 자연 상태 안에서 미생물의 문포를 설명하는 데 도움을 준다.  그리고 미생물을 enhancing 하거나, controlling 을 하기 위한 방법들을 가능하게 해 준다.
많은 환경적인 요인들은 미생물의 성장과 많은 관련이 있다.
하지만, microbial growth를 조절할 때 4가지 중요한 요소의 역할을 분명히 알아야 한다. 그 4가지의 요소는 temperature(온도), pH, water availability, 그리고 oxygen이다.


Cardinal temperatuers

미생물이 성장하고 생존 하는 데 환경적으로 가장 중요한 요인 중 하나는 Temperature(온도)이다.  너무 뜨겁거나, 너무 낮은 온도는 미생물이 생존하기 어렵다.  그러나, 최저 온도와 최고 온도에서도 잘 살 수 있는 다른 미생물들도 존재하는데, 그들은 그들의 서식지의 평균온도와 그 온도의 범위에 따라서 growth를 하고, 생존해 나갈 수 있다.
온도는 살아있는 유기체에 많은 영향을 줄 수 있다.  온도가 올라가면서, cell proceed 안에 enzymeatic reactions와 chemical의 확산에 의해서 더 빨리 성장할 수 있다.
그러나, 특정 온도 이상이 되면 특정 proteins는 아마 손상을 입을 것이다.  그래서 온도는 적정한 주어진 범위, 성장 그리고 metabolic function이 증가하는 범위 안에서 증가 시켜야 한다.  그 이상이 되면 cell function은 급속도로 떨어지게 된다.  그래서 모든 organisms는 주변 환경의 온도가 그 organisms가 살아갈 수 있는 온도의 최저 온도 아래로 내려가면 더 이상 성장하지 않는다.  이들은 proteins이기 때문에 최적 온도에서 가장 빠르게 성장한다.  그리고 이들이 생장할 수 있는 범위를 넘어선 가장 높은 온도까지 올라가면 성장이 불가능하게 된다.
적정 온도는 항상 최저 온도보다 최고 온도에 더 가깝다.  이 세 가지 온도를 cardinal temperatures라고 한다.
Cardinal temperatures는 일반적으로 각각의 organisms의 일반적 특성이다.  그러나 완전히 고정되어 있는 것은 아니다.
그 온도들은 환경의 여러 요소에 의해서 변화될 수가 있다.
주어진 organisms의 최고 성장 온도는 cell 내에서 하나거나 그 이상의 key proteins의 활성에 영향을 준다.
그러나 organisms의 최저 성장 온도를 조절하는 proteins는 분명하지가 않다.
Cytoplamic membrane은 알맞은 기능을 하기 위해서 유동적인 상태이며, 아마도 organism의 최저 온도는 cytoplasmic membrane이 freezing(결빙)되는 온도일 것이다.  그래서 membrane이 영양분을 transport 하거나 전자의 형성을 하는 적절한 기능을 하지 못하게 된다.
이 설명은 최저 온도에서 membrane lipid composition 안의 조절 장치에 의해서  organism의 약간의 면적이 변화하는 실험에 의해서 뒷받침되어 진다.
또한, 여러가지 다른 미생물들의 다른 cardinal temperatures가 관찰된다.  몇몇 organisms는 4℃만큼 낮은 온도가 적정 온도인 것도 있고, 100℃보다 더 높은 온도가 적정 온도인 것도 있다.
성장할 수 있는 온도 범위는 앞의 예 보다 더 광범위하게 나타난다.  그러나 전체 온도 범위에서 성장할 수 있는 single organisms는 아직까지는 밝혀진 것이 없다.

-Temperature classes of organisms

비록 organisms이 연속적으로 자라나지만, 이들은 매우 낮은 온도 상태와 매우 높은 온도 상태에서 자랄 수 있는 것까지 포함해서 온도 상태에 따른 groups를 네 가지로 나누어 볼 수 있다.  Psychrophiles는 낮은 온도 상태를 이야기 하고, mesophiles는 중간 온도 상태를, thermophiles는 높은 온도 상태를 그리고 hyperthermophiles는 매우 높은 온도 상태를 이야기 한다.
Mesophiles는 육지에서 살고 있는 따뜻한 피를 가지고 있는 동물들과 열대 지방의 위도의 온도인 aquaatic environments에서 살고 있는 동물들에게서 찾을 수 있다.  Psychrophiles와 thermophiles는 일반적으로 너무 춥지 않거나 너무 업지 않은 환경에서 찾을 수 있다.  Hyperthermophiles는 hot spring, gegysers, 그리고 깊은 바다의 hydrothermal vents같은 한계점의 높은 환경에서 찾아볼 수 있다.  
  대장균에서, 이들은 mesophiles인데, 온도의 기능과 성장의 관계에 대해 가장 자세히 연구되어 있는 이들은 가장 중요한 온도를 가지고 있는 것을 찾을 수 잇다.  Complex medium에서 대장균이 자랄 수 있는 최상의 온도는 39℃dlrh, chlrh dhsehsms 48℃, 그리고 가장 낮은 온도는 8℃이다.  그러므로, 대장균을 위한 온도의 차이는 약 40℃ 정도이고, prokaryote의 통계를 위한 가장 높은 것 끝에 존제한다.

Microbial grwoth at cold temperatures and hot temperatures

기온이 일반적으로 평범한 지구의 표면에서 사람이 살고 있고 일을 하기 때문에, 자연적으로 생각할 수 있는 매우 낮은 온도와 매우 높은 온도를 "extreme"이라고 한다.  그리고 그들은 사람이 살아가기에는 너무 한계적인데 아마도 사람들은 이러한, 물의 끓는 점 혹은 물의 어는 점 부근의 온도에서 존재한다면 빠르게 죽을 것이다.  그러나, 많은 microbiology의 자연적인 환경에서는 한계점의 낮은 온도나 한계점의 높은 온도에서도 자랄 수 있고, 생존할 수 있는데, 이러한 것들을 extremophiles라고 하고, 이들은 이러한 높고 낮은 한계점의 온도가 최적의 온도가 되는 것들이다. 
끓는 물보다 뜨겁거나 냉장고처럼 차가운 곳을 선호하고, 인체에 치명적인 양잿물을 좋아하는 생명체가 있다. 바로 극한의 생존자 미생물이다. 도저히 생명체가 살지 못할 것 같은 극한 환경 속에서 발견되는 미생물은 외계 생명체의 존재 여부를 밝히는데 실마리를 제공할 수 있다. 또 이들이 보유한 ‘극한 효소’ 등은 다양한 산업분야에 응용될 수 있어 세계 각국은 심해(深海)에 잠수정을 내려보내고, 남극의 빙산 속을 뒤지고 있다. 
대부분의 생명체는 물이 끓는 온도인 100℃ 안팎에서 단백질이 변형돼 죽는다. 하지만 최적 성장온도가 55℃ 이상인 고온성 미생물과 80℃ 이상인 초고온성 미생물은 예외다. 
초고온성 미생물로는 ‘파이롤로부스 퓨마리’를 꼽을 수 있다. 독일 레겐스베르크대학 연구팀이 대서양 밑 3650m에 위치한 열수구에서 이 미생물을 발견, 지상으로 가져와 배양에 성공했다. 이 미생물은 끓는 물보다 높은 113℃의 온도에서 활발히 자라고, 사람이 화상을 입을 수 있는 90℃에서는 추위를 느낀 나머지 생장을 멈춘다. 
또 지난 2002년에는 한국해양연구원 이정현 박사팀이 남서태평양 파푸아뉴기니의 수심 1700m 열수구에서 시료를 채취한 후 배양실험과 DNA분석을 통해 90∼100℃에서 잘 자라는 미생물 2종을 확인했다. 
이 박사는 “최적 성장온도가 멸균온도(121℃)인 미생물도 있다.”면서 “일본 연구팀은 온도가 400℃에 이르는 해저 열수구에서 미생물을 발견했지만, 이 온도가 최적 성장온도인지는 연구가 필요하다.”고 설명했다. 
고온성 미생물과 정반대로 평균 1∼2℃인 차가운 바닷물뿐만 아니라 빙산 속에서 사는 저온성 미생물도 있다. 미국 워싱턴대 연구팀이 남극의 빙산에서 발견한 ‘폴라로모나스 바큐올라타’라는 미생물은 4℃에서 가장 활발하게 생장하며,12℃가 넘으면 생장을 중단한다. 즉 4∼5℃를 유지해 세균의 증식을 억제하는 냉장고의 냉장실이 이 미생물에게는 살기 좋은 공간이 되는 셈이다. 서울대 생명과학부 천종식 교수도 해양연구원 극지탐사팀과 함께 남극 세종기지 근처에서 여러 종의 저온성 미생물을 발견하기도 했다.

각종 산업분야 응용 가능성

극한 미생물을 연구하면 우주 생명체의 존재 가능성에 대한 해답을 제시할 수 있을 것으로 기대된다. 미생물이 극한 환경에서도 생명을 유지하는 만큼 우주에서도 적당한 조건만 주어진다면 형태나 종류는 달라도 생명체가 존재할 가능성이 그만큼 커지게 된다.   또 극한 미생물에 포함된 효소나 단백질은 각종 산업분야에 응용될 수 있다. 예컨대 저온성 미생물에서 나온 지방 분해효소를 쓰면 찬물에서도 때가 잘 빠지고 환경오염이 전혀 없는 세제를 만들 수 있다. 또 폐수의 독성물질을 먹어치우는 해가 없는 물질을 내놓는 미생물에서는 폐수처리용 화학약품을 개발할 수 있다. 
이처럼 극한 미생물은 산업용 효소산업, 화학산업, 제지 및 펄프, 식품 및 사료, 섬유 및 피혁, 금속 및 광산, 에너지 산업 등에 폭넓게 활용될 수 있어 생명과학산업의 한 축을 형성할 것으로 예상된다.