심해 미생물의 이해
분야
hwp호온성 세균 (thermopholic bacteria)
우리 주위에 있는 생물은 그것이 어디에 살건 대부분 0도에서 48도 사이에서만 활발한 생명력을 유지할 수 있다. 물론 온천 주위에 사는 몇 종류의 벌레와 갑각류는 몇 도쯤 더 높은 온도에서 활발하게 번식할 수 있다는 점에서 매우 특별하다. 그들의 생존온도는 약 50도 정도이다. 하지만 50도는 48도에서 몇 도 높지 않은 온도에 불과하며, 우리가 보는 정상적인 생명체들의 한계 온도는 여전히 48도 부근이다. 또한 몇 종류의 세균은 포자를 만들어 매우 탁월하게 열에 견딘다. 그들은 매우 강인해서 얼리거나 말려도 살아남으며 소독제에도 죽지 않고 열을 가하거나 끓여도 해를 입지 않는다. 그러나 그들 세포는 정상적인 세포에서 일어나는 생리적 활동 중 어느 것도 일어나지 않는다. 48도라는 한계는 생물계에 일반적으로 통용된다. 사실 지구 위에는 45도 이상의 온도를 오랫동안 유지하고 있는 장소가 매우 드물다고 할 수 있으며 이러한 온도가 유지되는 열대의 몇몇 지역은 매우 건조하여 휴지상태의 생명체를 제외한 어떠한 생명체도 그것에서 살 수 없는 실정이다. 따라서 오랜 진화를 거치는 동안 대부분의 생명체가 고온에서 사는 능력을 발전시키지 않은 것은 너무나 당연하다고 할 수 있다. 그러나 항상 뜨겁고 축축한 상태를 유지하는 곳은 지구 위에 분명히 존재하는데, 이는 바로 지열에 의해 만들어진 온천이다. 수백만 년 동안 온천이 존재하였는데도 불구하고 온천에 동식물이 번식할 수 있게 진화하지 못한 이유는 다음과 같다. 첫째, 정상적인 생체물질은 50도 이상의 온도에서는 열에 의해 단백질의 분자구조가 변성(denatured) 되기 때문이다. 생체를 구성하는 단백질은 아미노산으로 이루어진 3차원 구조를 갖는다. 그러나 50도 이상의 열은 세포내의 물, 미네랄, 단백질 등을 서로 구별 없이 뒤엉켜 놓아 단백질의 정교한 3차원 구조를 망가뜨린다. 둘째, 세포는 내용물이 밖으로 새어나가는 것을 막기 위한 세포막으로 둘러싸여 있는데, 이 세포막의 주성분은 단백질이 아닌 지방이며 대부분의 사람들이 알다시피 지방은 열을 받는 즉시 녹는다. (지방의 녹는점도 조사하면 질문 받았을 때 좋겠지...)따라서 세포가 과열되면 세포막의 일부는 녹아 내용물이 새어나가기 시작하며 너무 오랫동안 열이 가해지면 세포는 죽고 만다. 생명체의 온도 상한선을 48도로 정의하는 세 번째 이유는 전자 전달계의 단백질들이 뜨거운 물에서 빠르게 분해되며 DNA들도 열에 매우 민감하다는 점이다.
그러나 모든 종류의 세포는 얼마 정도의 열에 대처할 수 있는 다양한 방법을 지니고 있다. 특히 몇몇 미생물들은 세포막의 연성을 변화시켜 쉽게 녹는 것을 방지하고 있으며, 단백질을 호보하는 방법을 발전시킨 생명체들도 있다. 즉 과열된 세포는 ‘분자 샤프론(molecular chaperone)이라고 이름 붙여진 열충격 단백질을 새로 만든다. 이 물질은 그 자체로 열을 견딜 수 있을 뿐만 아니라 다른 단백질을 둘러싸서 그것들을 안정시키며 변성되는 것을 막는다. 이처럼 중요한 역할을 수행함에도 샤프론의 효과는 오래 지속될 수 없으며 세포의 정상 온도 한계보다 5도 정도 높은 온도까지만 작동할 뿐이다.
호열성 세균의 생리
호온성 세균은 최고 성장온도가 55℃ 이상인 세균의 총칭이며 그 적응 온도에 따라 중도 호열성, 고도 호열성 및 초호열성 세균으로 세분하며 이들은 최고 성장온도가 55℃ 이상, 80-85℃ 이상 및 90℃ 이상으로 각각 기준을 삼고 있다. 특히 심해 환경에서 언급한 심해 열수구에서 바로 나오는 물은 350도의 고온에 이르며 고온의 물이 열수구를 빠져나와도 수온이 2.5도가 되는 차가운 바닷물을 만나 식은 후에도 열수구 부근의 따뜻한 교란지대에서는 100도에서 110도 정도의 온도를 유지한다. 바로 이곳에서 심해의 초호열성 세균이 서식한다. 초호열성 세균은 고세균에 속한다. 이들 고세균은 특별한 구조를 가지고 있는데 기본적으로 원핵생물의 구조를 가지면서도, 세포성분, 항생물질 감수성 등의 몇가지 성질에 있어서 원핵생물과 다를 뿐 아니라 오히려 일부 진핵생물의 특징과 비슷하다. 또 초호열성 세균의 대다수는 혐기성(anaerobe) 생물이다. 사실 100도 이상의 뜨거운 물에서의 산소 용해도는 거의 ‘0’에 가깝기 때문에 초호열성 생물이 산소가 없는 환경에 서식하는 것이 당연하다.
호열성 세균의 세포막은 지방 대신에 더 높은 녹는점을 지난 미끌미끌한 화학물질인 에테르를 자신의 세포막으로 쓰고 있다. 또 호열성 세균이 지니고 있는 단백질은 보통 생명체들의 단백질보다 훨씬 더 열에 강하며, 메타노피루스에서 풍부하게 발견되는 물질인 글리세롤-인산화합물이나 특수한 샤프론에 의해 안정화된다. 그러나 호열성 세균이 자신의 DNA를 어떻게 관리하는가의 문제는 여전히 해결되지 않았다. DNA의 이중나선은 두 세포가 분열할 때문 잠시 떨어지지만 두 코일 사이의 결합력은 비교적 약하기 때문에 DNA에 열이 가해지만 DNA 구조의 융해가 일어난다. 이 현상은 65도에서 75사이에 일어나기 때문에 수십 년 전까지만 해도 지구 생명체가 견딜 수 있는 온도의 상한선으로 여겨졌다. 호열성 세균에서 추출한 DNA도 65~75도 정도로 가열하면 이중 나선 구조가 풀어진다. 따라서 DNA의 안정화를 위해서는 샤프론과 유사한 어떤 화학물질이 작용하는 듯 보이며 실제로도 DNA에 결합하는 단백질이나 유새단백질이 초호열성세균에서 발견되었다는 보고가 나타나고 있다.3 그러나 여전히 설명하지 못한 생체물질의 생화학적 반응이 있다. 전자전달계의 단백질들, 그리고 DNA들은 뜨거운 물 안에서 간단히 분해 되어버린다. 따라서 유일한 해결 방법은 열에 의해 빠르게 분해되는 물질을 그 분해속도만큼 빠르게 많은 양을 만들어 내는 것이다. 높은 생체량과 관련하여, 열수공에서 채취한 해수 내 박테리아 세포수가 주변의 환경보다 100배 이상 높은 것으로 보고 되고 있다(Lilley et al. 1995). et al (1980)은 갈라파고스 열수지역에서 ATP의 정량분석 결과 열수내의 ATP가 표층해수내 ATP 농도보다 약 4 배정도 높게 나타났으며, 비슷한 깊이의 일반 심해의 ATP 농도보다는 약 300 배정도가 높다고 보고하였다. 또한, 탄화수소 용출지에서 박테리아의 생장률을 측정한 결과 세포분열이 최대 1.1 시간으로 일반환경에서 드물게 빠른 속도로 분열하고 있음도 보고되고 있다. 이렇게 빠르게 생장하는 미생물들이 시간이 지나면서 덩어리(aggregation)를 형성함 (Hyun et al., 1997)으로써 주변의 여과식자(filter feeder)들의 영양원으로 작용하여 열수 분출공 지역의 타가영양 저서생물의 높은 밀도가 유지되는 것으로 인식된다.
1백21도에서도 증식하는 미생물 변종 121(왼쪽 위)의 전자 현미경 사진.
호압성 세균 (barophilic bacteria)
압력이 높은 곳에서 사는 미생물을 호압성 미생물이라고 한다. 일반적인 지상의 세균은 대기압의 변화 범위에서는 생육에 영향을 받지 않는다. 그러나 300기압정도에서부터 생육이 저해되어 500기압 이상이 되면 전혀 생육하지 않는다. 압력이 높으면 미생물의 원형질이나 탄성등이 변하고 이에 따라 대사활동도 영향을 받아 생육속도가 저하된다. 또한 미생물의 분열이 억제되어 세포모양이 길게 되는 등 형태의 변화가 일어난다.
압력이 높은 곳에 사는 세균은 내압성 세균과 호압성 세균으로 나뉜다. 내압성(barotolerant) 세균은 4000m 깊이까지는 자랄 수 있지만 5000m 이상에서는 자랄 수 없는 세균을 말하며, 호압성(barophilic) 세균은 5000~6000m에서 사는 세균은 호압성이라고 한다. 내압성 세균과 호압성 세균의 특이한 점은 둘 다 1기압 하에서도 자랄 수 있다는 것이다. 다만 내압성 세균은 1기압에서도 400기압과 같은 성장률을 보이는 반면, 호압성 세균은 1기압에서도 잘 자라지만 400기압에서 최적으로 자랄 수 있다는 점에서 두 세균의 차이가 드러난다.
한편 극단적인 심해(10000m)에서 채취된 시료에서는 편성 호압세균 이 세균을 지칭하는 말은 책마다 다른데 편성 미생물, 절대 호압세균(oligate barophile), 극단적인 호압세균(extreme barophile)이라 불리기도 한다.
(obligate barophile)이 분리된다. 비교적 상세히 연구된 어느 종의 경우 700~800 기압에서 최대의 생장률을 나타내고, 이 미생물의 자연 서식지의 압력에 가까운 1035기압에서도 여전히 좋은 생장률을 보여주었다. 극단적인 호압세균의 독특한 성질은 이 세균이 압력을 견딜 뿐만 아니라, 생장에 압력을 필요로 하며, 500기압 이하의 압력에서는 생장을 중단한다는 점이다. 편성 호압성 세균은 대기압으로 압력을 내리면 즉시 죽지는 않지만, 이 상태에서 수 시간 방치하면 생명력을 잃게 된다는 것이다.
압력은 세균의 생리와 생화학에 영향을 미치는 것으로 알려져있다. 예를 들어 압력이 높아지면 효소의 기질과의 결합 능력이 감소된다고 보고 되었다. 이러한 사실을 근거로 하였을 때, 극호압성 생물의 효소는 압력에 의한 영향을 최소화할 수 있도록 분자구조를 이루어야 할것이다. 압력의 영향을 받는 대상에는 단백질 합성과 수송과 같은 막의 기능을 들 수 있다. 극호압성 세균의 낮은 생장률은 압력에 의한 세포 생화학에 대한 영향과 낮은 온도라는 두 가지 요인의 복합적인 효과인 것으로 추측된다.
근래의 분자생물학적 방법에 의해 호압성 세균에 대한 새로운 사실이 발견되고 있다. 500~600기압에서 생장할 수 있는 호압성 세균의 연구 결과에 의하면, 고압에서 생장하는 경우 세포벽 바깥쪽 막의 단백질 조성이 변한다는 것이 밝혀졌다. 예를 들어 고압에서 생장하는 경우 OmpH(outer membrane protein H)이 라고 하는 특수한 막 단백질이 합성되지만, 1기압에서 생장하는 경우 이 단백질이 합성되지 않는다는 것이 발견되었다. OmpH 단백질은 일종의 포린(porin)이다. 포린은 외막을 통과하여 주변 세포질로 유기물질의 확산을 가능하게 하는 통로 형성 단백질이다. 낮은 압력에서 생장한 호압성 세포에 존재하는 포린은 고압상태에서는 효과적으로 기능하
