우리에게 이로운 미생물들

미생물이란?

 

미생물(微生物, microorganism, microbe)이란 용어는 작은 크기의 생물체를 뜻한다. 그럼 과연 어느 정도 작아야 미생물인가? 미생물의 크기를 말하는 ‘작은’이란 의미는 대체로 육안으로는 볼 수 없는 크기 즉 현미경을 통해서만 보이는 크기인 마이크론(micron, ㎛; 마이크로미터, micrometer: 1백만분의1 즉 10-6 m) 정도이거나 더 작은 크기를 말한다. 미생물의 크기를 사람의 세포와 비교하면(그림1) 그 작은 정도를 짐작할 수 있다.

 

<바이러스(0.05∼0.1 마이크론)>

 

<세균(0.5∼1.5 마이크론)>

 

 

<적혈구(5 마이크론)>

 

 

<사람 정자(60 마이크론)>

 

<10 마이크론(0.01㎜)>

 

<그림 1. 미생물과 사람 세포 크기의 비교>

 

미생물이라고 하면 사람들은 대체로 해로운 생물체로 인식하고 있다. 이는 미생물이 오래전부터 사람에게 질병을 일으키는 병원체로서 연구되어 왔기 때문일 것이다. 하지만 실제로는 사람에게 해로운 종류는 1% 미만의 극소수에 불과하며, 오히려 이로운 종류가 훨씬 더 많을 뿐만 아니라 미생물 없이는 인간을 비롯한 지구상의 고등생물체가 살아 갈 수 없다.

 

 

미생물의 종류

 

미생물은 외형과 크기에 따라 대체로 바이러스(virus), 세균(bacteria), 균류(fungi), 조류(algae), 원생동물(protozoa)의 5종류로 구분하고 있다. 이들이 미생물로 분류된 것은 동물이나 식물에 포함되지 않는 생물체이기 때문이다. 즉 동물이나 식물에 해당되지 않는 생물체는 모두 미생물로 분류된다.

 

바이러스는 미생물 가운데 그 크기가 가장 작아 수십 나노미터(nanometer, 10억분의 1, 10-9 m) 수준이다. 바이러스는 세포가 없는 무세포생물이다. 세포막이나 세포내용물 즉 세포질이 전혀 없이 단백질로 된 단순한 막 안에 작고 불완전한 유전체(genome: 생물체가 가진 모든 유전물질)만 들어 있기 때문에, 바이러스는 완전한 유전체를 지닌 생물체인 숙주세포의 몸 안으로 들어가야만 자손을 퍼뜨릴 수 있는 절대기생체가 된 것이다.

 

우리가 가장 잘 알고 있으며 우리 생활과 가장 밀접한 미생물이 바로 세균(박테리아)이다. 세균의 크기는 마이크론 수준이며, 핵(nucleus)이 없이 유전체가 세포질 안에  퍼져 있는 형태인 핵모양(nucleoid)을 가진 원핵세포(prokaryotic cell)로 되어 있고, 단세포 미생물이다. 세균은 세포 크기와 내용물이 2배로 늘어난 다음 세포가 2개로 나뉘어지는 이분열(이분법, binary fission)로서 자손을 퍼뜨리는 무성생식으로 증식한다.

 

세균과 더불어 우리와 친숙한 또 다른 미생물이 균류('진균'이라고도 부른다)다. 술이나 발효음식을 만드는 주역을 담당한다. 균류는 세균과는 달리 주로 포자(spore)로 자손을 퍼뜨리며, 핵을 가진 진핵세포(eukaryotic cell)를 가진 진핵미생물이다. 균류는 무성생식으로 스스로 발아하는 무성포자와, 암포자와 수포자의 교배로 발아하는 유성포자를 모두 가진다. 균류는 외형적인 특징으로 보아 크게 단세포균류인 효모(이스트, yeast), 다세포균류인 곰팡이(사상균, mold), 그리고 역시 다세포 거대균류인 버섯(mushroom)의 3종류로 구분한다.

 

엽록체를 가지고 있어 광합성을 통하여 스스로 영양분을 만들 수 있으며, 단세포 또는 다세포의 핵을 가진, 식물에 가까운 진핵미생물이 조류다. 광합성색소의 색깔에 따라 녹조류, 홍조류, 갈조류(규조류) 등으로 구분한다. 대부분이 물에서 산다. 바다에서 나는 식품인 해조류가 바로 미생물인 조류에 속한다. 광합성 고등생물인 식물은 줄기, 잎, 뿌리와 같은 구조가 외형적으로 확실히 구분할 수 있을 정도로 분화되어 있는 반면, 광합성미생물인 해조류는 덩치는 크지만 분화가 되어 있지 않고, 몸 전체가 식물의 뿌리, 줄기, 잎의 기능을 같이 할 수 있는 것이다. 

 

원생동물은 핵을 가진 단세포 진핵미생물로서 운동성을 지니고 있으며, 세포 크기가 다른 미생물에 비해 커서 동물에 가까운 미생물이다. 원생동물은 외형과 운동기관에 따라 몸 전체로 기어다니면서 활주운동을 하는 아메바충류(근족충류), 섬모로서 운동하는 섬모충류, 편모로 운동하는 편모충류, 포자를 만들어 기생하면서 살아가는 포자충류 등으로 분류한다.

 

 

우리에게 이로운 미생물들

 

1. 식품

 

우리는 식품으로 거의 매일 많은 종류의 미생물을 먹고 있다. 이 가운데 대표주자인 버섯을 비롯하여 김, 미역, 파래 등이다. 버섯을 미생물로 알고 있는 사람들도 해조류가 미생물인 사실을 모르고 있는 경우가 많다. 해조류는 식물이 아니라 미생물인 조류의 한 종류이다. 김과 우뭇가사리는 홍조류, 미역과 다시마는 갈조류, 파래와 청각은 녹조류다.

 

밥 대신 자주 먹는 식빵과 애주가를 흥분시키는 술은 미생물인 효모(사카로마이세스, Saccharomyces)(그림2)로 발효시킨 발효음식이다. 술은 서기전 6천년 경 신석기시대 메소포타미아인들이 그린 포도주를 담그는 벽화에서 알 수 있듯이 인간문명과 역사를 같이 해 왔다. 우리나라 전통주에는 누룩이 사용되는데, 여기에는 녹말을 당으로 분해하는 누룩곰팡이(그림3), 거미줄곰팡이, 털곰팡이 등 많은 종류의 곰팡이가 살고 있다. 이런 곰팡이와 효모의 작용으로 전통주가 만들어진다. 김치는 세균인 류코노스톡(Leuconostoc, 그림4), 젖산막대균(유산간균, Lactobacillus), 페디오코커스(Pediococcus), 사슬알균(연쇄구균, Streptococcus)과 같은 젖산균(유산균, lactic acid bacteria)이 숙성시킨다. 간장, 된장을 포함하는 전통장류는 콩을 재료로 하여 곰팡이(털곰팡이, 거미줄곰팡이), 세균(고초균과 젖산균), 효모의 발효로 만들어지며, 특히 웰빙식품으로 잘 알려진 청국장은 고초균(Bacillus subtilis)이 핵심역할을 한다. 요구르트는 젖산균인 락토바실러스(Lactobacillus)가, 치즈 숙성에도 역시 젖산균인 락토바실러스, 락토코커스(Lactococcus), 사슬알균, 프로피오니박테리움(Propionibacterium)이 관여하며, 이밖에 푸른곰팡이인 페니실리움(Penicillium)도 중요한 역할을 하고 있다.

 

<그림2. 효모 사카로마이세스,  Saccharomyces >

 

<그림3. 누룩곰팡이 아스퍼질러스  Aspergillus >

 

<그림4. 우리나라 김치에서 분리된 젖산균 류코노스톡 김치아이  Leuconostoc kimchii >

 

 

2. 농업

 

오래전부터 농사에 이용되어 온 대표적인 미생물이 뿌리혹세균(리조비아, rhizobia)이다. 뿌리혹세균은 원래 토양에서 살다가 뿌리털에 들어가 콩과식물과의 합동작전을 통해 뿌리혹을 만들고 그 속에서 생활한다. 이들은 식물이 광합성으로 생산한 에너지를 활용하여 생물체가 이용할 수 없는 공기 중의 질소분자 즉 질소기체를, 생물체가 이용 가능한 질소화합물인 암모니아(NH3, ammonia)로 전환시키는 작용인 질소고정(nitgrogen fixation)을 수행한다. 질고고정을 통하여 만든 암모니아는 뿌리혹세균 자신과 콩과식물이 공동으로 사용하며, 나아가 흙속으로 배출된 암모니아는 부근의 토양미생물과 식물에게까지 질소비료를 공급하는 것이다. 이것이 논과 밭 주변에 콩을 많이 심는 이유다.

 

소와 같은 반추동물은 소화기관으로 4개의 위를 가지는데, 이 가운데 가장 크고 중요한 위가 혹위(rumen)다. 혹위에서 공생하는 혹위미생물(ruminant microbes)은 반추동물의 생존과 발육에 대단히 중요하다. 그 이유는 반추동물은 자신이 주식으로 하는 풀을 소화하는 효소를 만들 수 없기 때문에 공생하는 혹위미생물이 소화시켜 주기 때문이다. 따라서 혹위미생물이 잘 살지 못하거나 활동력이 줄면 소의 발육이 현저히 저하된다. 소와 같은 반추동물을 키울 때 먹이로서 혹위미생물의 생장과 활동을 촉진시키는 사료를 주는 것이 중요한 이유가 여기에 있다.

 

난초와 같은 원예식물이 자라는 것은 난초뿌리에 공생하는 곰팡이 덕분이다. 이렇게 곰팡이와 식물뿌리와의 공생체를 뿌리곰팡이(균뿌리, 균근, microrrhizae)(그림5)라고 부른다. 난초는 뿌리곰팡이가 없으면 성장이 현저히 둔화된다. 그래서 식물생명공학자들은 유전자를 조작하여 원래 뿌리곰팡이가 없는 식물도 뿌리곰팡이를 만들게 하여 생산성을 높이는 연구를 계속하고 있다.

 

<그림5.  소나무 묘목의 뿌리곰팡이>

 

농업생명공학에 중요한 것은 유전자변형생물(GMO, genetically modified organisms)이다. GMO는 원래 식물이 가지고 있지 않은 다른 생물체의 유전자를 생명공학기법(biotechonology)으로 인공적으로 삽입시킨 결과 외래유전자를 가지게 된 식물이다. 생명공학에서 유전자를 전달하는 능력을 지닌 유전물질을 클로닝벡터(cloning vector)라고 부른다. 식물생명공학에 이용되는 클로닝벡터는 토양세균인 아그로박테리움(Agrobacterium)이 가지고 있는 플라스미드(plasmid)이다. 이 플라스미드에 필요한 유전자 즉 농약을 무력화시키는 물질을 생산하는 유전자를 연결한 다음 식물유전체에 삽입시키면, 이 식물은 농약내성을 나타내는 물질을 스스로 만들어 냄으로써 농약을 쳐도 생육에는 지장 없이 병충해만 방제할 수 있게 된다. 이렇게 만들어진 대표적인 GMO가 콩이다(그림6).

 

<그림6. 제초제를 뿌려 키운 제초제내성콩(GMO, 왼쪽)과 일반콩(오른쪽)>

 

한편 생태계를 파괴하고 농부의 건강을 해칠 수 있는 화학농약이나 화학비료 대신 미생물을 이용하여 만든 퇴비나, 특정 병충해만을 선택적으로 죽일 수 있는 미생물농약(biopesticide)도 농업에 이용되고 있다. 현재 실용화되고 있는 대표적인 미생물농약은 세균인 바실러스 Bacillus가 생산한 Bt 독소가 포함되어 있다.

 

 

3. 의학

 

미생물의 역할 가운데 빼 놓을 수 없는 것이 질병치료와 같은 의학적 용도다. 질병치료에 있어 전환점이 된 항생제(antibiotics) 즉 항생물질의 생산은 토양미생물인 곰팡이와 세균인 방선균(actinomycetes)이 담당하고 있다. 페니실린(penicillin)은 푸른곰팡이 페니실리움(Penicillium)이, 세팔로스포린(cephalisporin)은 곰팡이 세팔로스포리움(Cephalosporium)이 생산한다. 현재 주로 상용화된 항생제는 세균인 방선균(예: 스트렙토마이세스 Streptomyces)(그림7)이 만든 것이다. 방선균이 생산한 주요 항생제로는 가나마이신, 에리트로마이신, 스트렙토마이신, 테트라사이클린 등이 있다.

 

<그림7. 항생물질을 생산하는 방선균 스트렙토마이세스>

 

췌장성 당뇨병 치료에 필수적인 인슐린(insulin)은 사람의 인슐린 유전자를 대장균(Escherichia coli, E. coli) 유전자에 삽입시키는 생명공학기법으로 대량생산하고 있다. 생명공학의 클로닝벡터로는 앞에서 얘기한 세균의 플라스미드 외에도 미생물 바이러스인 박테리오파지(bacteriophage), 효모의 염색체 등 모두가 미생물에서 기원된 유전물질이 사용되고 있다. 생명공학기법으로 생산되고 있는 의약품에는 인슐린 외에도 빈혈증 치료제 에리스로포이에틴(EPO), 혈전용해제 TPA, 혈액응고제 유로키나제, 인간성장호르몬, 면역조절물질인 인터페론(interferon)이나 인터루킨(interleukin) 등이 있다.

 

제너가 발견한 종두법은 흔히 우두바이러스라고 불리는 백시니아바이러스(vaccinia virus, 그림8)를 예방접종하는 것이다. 이 바이러스가 우리 몸속에 들어가면 우두라는 질병을 가볍게 앓으면서 항체가 생긴다. 이 항체는 천연두바이러스(smllpox virus)에 대해서도 똑 같이 작용하여 퇴치함으로써 우리가 천연두(마마, smallpox)에 걸리지 않는 것이다. 천연두를 비롯한 병원체 백신을 만드는 데는 주로 미생물이 활용되고 있다. 대개 백신(vaccine)은 주로 독성을 약화시킨 병원균인 약독화백신을 사용한다. 그런데 이걸 주사 맞은 사람은 우두바이러스와 마찬가지로 가볍기는 하지만 병을 앓는 부작용이 생기기 마련이다. 이런 부작용 없이 항체만 몸에서 만들어지게 하는 백신을 생명공학기법으로 제조하는 기술도 이미 개발되어 있다.

 

<그림8. 천연두 예방주사에 들어있는 우두바이러스 즉 백시니아바이러스>

 

여기에서 한걸음 더 나아가 유전자 이상이 생긴 세포 때문에 생기는 유전병의 경우, 바이러스를 클로닝벡터로 사용하여 유전병 세포의 유전자를 정상으로 바꾸는 기술 즉 유전자치료(gene therapy)에도 미생물이 활용되고 있다.

 

 

4. 사람의 건강

 

사람은 수많은 종류의 미생물과 더불어 살고 있다. 대다수 미생물은 인간에게 해가 없거나 이로운 공생미생물(symbiotic microbes)이며, 이런 미생물을 통틀어 정상균무리(상재균, normal flora)라고 부른다. 정상균무리의 수는 사람 세포수의 10배인 수백조에서 1천조 개에 이르는 것으로 추정되며, 이들의 중요한 역할이 병원체를 물리치는 것이다. 우리가 병원체에 감염되어 질병을 앓는 이유 가운데 하나는 인체환경의 변화로 정상균무리의 수가 줄었거나 특정미생물이 사라졌기 때문이다. 정상균무리가 가장 많이 살고 있는 장소는 대장이다. 대장을 비롯한 장에서 살고 있는 미생물을 통틀어 장내미생물(enteric microbes, 그림9)이라고 부른다. 장내미생물 대부분은 장내세균이며, 그 종류는 500종류 이상이다. 대장에서 사는 장내미생물 수는 장 내용물 1그람 당 천억에서 1조 마리로 추정된다. 이를 무게로 환산하면 1~1.5킬로그램이다. 그리고 사람이 배설하는 대변 무게의 1/3을 장내미생물이 차지하고 있다.

 

<그림9. 사람 대장 표면의 장내미생물>

 

장내미생물은 거의가 산소가 없는 환경에서만 살아 갈 수 있는 혐기성미생물(무산소성미생물)이다. 그렇지만 장내미생물 가운데 산소가 있어도 없어도 살 수 있는 통성혐기성미생물(조건무산소성미생물)도 있어, 이들이 대장에 유입된 산소를 소모함으로써 대장의 환경은 혐기성조건(무산소조건)이 유지된다. 장내혐기성세균의 대표주자는 박테로이데스(Bacteroides)와 클로스트리듐(Clostridium)이다. 장내미생물의 구성은 사람마다 크게 다르며, 같은 사람이라도 나이, 건강상태, 섭취하는 음식에 따라 크게 달라진다.

 

장내미생물의 중요한 역할은 음식물 소화에 따른 영양소 섭취와 더불어, 사람이 직접 만들지 못하는 비타민과 같은 필수영양소를 생산하는 것이다. 연구에 의하면 정상균무리가 생기지 않도록 무균환경에서 키운 쥐의 몸무게에 비해 정상균무리를 가진 쥐는 약 30%가 더 무거운 것으로 나타났다.

 

장내미생물 가운데 건강에 유익한 종류를 프로바이오틱(probiotics)이라고 부른다. 대표적인 프로바이오틱은 요구르트에 포함된 젖산균과 비피도박테리움(Bifidobacterium, 그림10)이다. 이런 장내세균이 증가하면 항체량이 증가하게 되고 결국 면역력이 향상된다. 특히 비피도박테리움은 노화와도 관련이 있는 것으로 알려지고 있는데, 어릴 때는 장내세균 가운데 비피도박테리움 비율이 아주 높다가 나이가 들수록 그 수가 감소하며 노인이 되면 비피도박테리움이 완전히 사라져 버린다.

 

<그림10. 프로바이오틱 세균 비피도박테리움  Bifidobacterium >

 

 

5. 환경과 에너지

 

폐수나 분뇨와 같은 폐기물을 처리하는 생물학적 폐수처리공정은 주로 세균을 이용하고 있다. 그리고 최근 서해안에서 일어난 유조선 난파로 유출된 원유로 오염된 바다, 갯벌, 토양에 대해서는 미생물을 이용하여 정화시키는 기법이 개발되어 있다. 석유나 난분해성 인공화합물(플라스틱, 농약, 화약, 유기용매 등)로 오염된 생태계(ecosystem)를 대상으로, 해당 생태계에 서식하는 미생물의 오염물질 분해능력이 극대화되도록 주변 환경조건을 개선시켜 주거나(영양분이나 공기 공급 등), 오염물질의 분해능이 탁월한 미생물을 주입하는 기법인 생물정화(bioremediation)가 그것이다.

 

미생물을 이용하여 생산한 연료를 바이오에너지(bioenergy) 즉 생물연료라고 부른다. 바이오에너지에는 메탄생성균이 만드는 메탄, 에탄올 발효로 만든 바이오에탄올(대체휘발유), 바이오메탄올, 수소생성세균이 만드는 수소, 그리고 세포 안에 석유성분인 탄화수소를 대량 축적하는 세균이나 조류에서 추출한 탄화수소 등이 있다. 광석에 포함된 미량의 구리, 우라늄, 니켈, 아연, 코발트, 몰리브덴과 같은 금속은 황산화세균(티오바실러스 Thiobacillus)이 만드는 황산과 같은 강산으로 금속을 녹여낸 다음 회수하는데 이를 생물제련(bioleaching) 또는 미생물제련이라고 한다. 그리고 암석이나 흙속에 결합되어 있는 원유의 경우, 세제와 비슷한 물질인 생물계면활성제(biosurfactant)와 생물기체를 생산하는 미생물을 사용하여 암석이나 흙에서 원유를 분리시켜 물에 섞여 나오게 하는 미생물 원유회수기술이 있다.

 

 

맺는말

 

이렇게 우리 인간은 미생물 없이는 살 수 없는 게 현실이다. 미생물은 작지만 중요하고 또 아름답기까지 하다. 대학 신입생 때 현미경을 통해 본 세균은 그 어떤 세계보다 아름다워서 그 아름다움에 친구들 모두 탄성을 터뜨렸던 기억이 새롭다. 그래서 우린 미생물을 작은(미微) 생물체가 아닌 아름다운(미美) 생물체로 불렀다. 어느 매스컴에 올라온 새해를 대표하는 다섯 문장 가운데 하나가 “메가트렌드 대신 마이크로트렌드가 뜬다”이다. 즉 대다수가 따르는 유행보다는 소수가 동시다발적으로 유행을 창조한다는 것이다. 그만큼 작은 것이 중요한 비중을 차지하는 시대가 왔다는 의미일 것이다. 미생물 연구를 통해 우리 인생은 더욱 아름다워지고 행복해지리라!

 

2007. 1. 7 새샘