1회차_Microbial growth

미생물 생장 조건

• 박테리아는 지구상 어디든 존재하나, 공생균과 병원균에 초점을 맞추면 조건은 인체에 한정됨
• 성장에 중요한 조건은 온도, 습도, 공기, 영양분

온도 (Warmth)

• 인간에게 병원성을 보이는 세균은 체온(37℃)에서 가장 활발히 증식 (30-42°C).
• 증식 최적 온도: 세균 증식에 가장 적합한 온도
• 증식 가능 온도: 최적 온도에서 벗어나면 효율이 떨어지나, 일정 범위 내에서 증식 유지

세균별 증식 최적/가능 온도

• 발열성 세균(Pyrogenic bacteria): 감염 시 발열을 유발하며, 비교적 높은 온도(40℃)에서 생존 가능
• 피부 병원균(Cutaneous pathogen): 표피 서식, 최적 온도가 상대적으로 낮음 (30~32℃).
  • 무좀균, 피부 감염균 등
  • 표피 온도는 체온보다 낮음 (30~32℃).
• 리스테리아 모노사이토제네스(Listeria monocytogenes): 식중독균의 일종, 저온에서도 증식 가능
  • 냉장고 내에서도 생장
  • 냉장/냉동 온도에서 사멸하지 않음, 대사 및 증식이 느려질 뿐
• "Freezing does not kill bacteria!"

습도 (Moisture)

• 세균 증식에 필수적, 대부분 습윤 환경 선호
• 체내에서는 습도 걱정 없으나, 전파 시에는 외부 습도에 따라 전파 가능성 결정
• 일부는 건조 환경에도 잘 견딤

건조 내성 세균

• 그람(+) 세균: 건조한 환경에서 생존에 유리
  • Fomites(비생체 접촉 매개물)를 통한 전파 용이
• 포자 형성 세균(Sporeformer): 건조, 열, 살균제에 높은 저항성

공기 (Atmosphere)

• 공기 성분에 따라 존재 여부 결정
• 박테리아의 산소 내성(Aerotolerance)에 따라 서식지 결정
• 호기성, 혐기성 호흡, 발효 중 일부를 이용해 에너지 생산, 효율은 Aerobic respiration > Anaerobic respiration > Fermentation 순임.

  • 절대 호기성 세균(Obligate aerobes): 산소 필수, 없으면 사멸. 산소로 에너지 생산, 발효 불가

    • Aerobic respiration, Oxidative pathway 사용
    • Glucose 완전 산화 (이산화탄소, 물)
    • 21% 산소 농도 필요
    • ATP 생산 효율 높음
    • 산소가 말단 전자 수용체로 이용

  • 절대 혐기성 세균(Obligate anaerobes): 산소 없는 환경에서만 생존, 산소에 독성

    • 해당과정에서 나온 pyruvate를 Fermentation이나 anaerobic respiration에 이용
    • 산소는 final electron acceptor로 작용하지 않으며 nitrate, sulfate, carbonate 등 유기물 이용
    • 해당 균주: Clostridium tetani(파상풍 원인균), Clostridium botulinum(보톡스), Porphyromonas gingivalis, Fusobacterium nucleatum(치주염 유발)

  • 조건 혐기성 세균(Facultative anaerobes): 산소 유무에 관계없이 생존, 산소 있으면 Aerobic respiration, 없으면 Fermentation

    • Aerobic respiration 효율이 더 높음
    • 해당 균주: Escherichia coli, Streptococcus mutans (충치 유발)

  • 미호기성 세균(Microaerophilic aerobes): 낮은 산소 농도에서 생존, 높은 농도에선 사멸 (5~10% 산소 필요) → 대기 수준인 21%에선 생존 불가

    • 호기성 호흡만 가능
    • 해당 균주: Campylobacter jejuni, Helicobacter pylori

  • 산소 내성균(Aerotolerant anaerobes): 산소에 대한 내성 보유, 산소 사용 X, 산소 유무 상관없이 생존

    • 발효 (Fermentation) 이용
    • 해당 균주: Bacteroides fragilis

분포

• 절대 호기성균은 배지 표면에 증식
• 미호기성균은 표면 바로 아래 증식
• 절대 혐기성균은 배지 하단에, 조건 혐기성균은 전체에 증식
• 주요 치주병원균은 대부분 절대 혐기성균
• 구강은 열려 있지만 치아와 잇몸 사이는 혐기적 환경

활성산소종 (ROS)

• 혐기성 균에게 산소가 독성이 있는 이유
• 안정적인 산소 형태를 이용한 전자 전달계는 포도당에서 많은 영양분을 얻을 수 있으나 산소가 불안정해지면 활성산소종(ROS)이 되어 독성을 띔
• 산소 이용 세균은 ROS를 안전하게 처리하는 효소가 필요, 없으면 생존 불가
• ROS 제거 효소: Superoxide dismutase (SOD), Catalase, Peroxidase
• Aerobes, microaerophilics, facultative anaerobes, aerotolerant anaerobes는 이 효소들을 보유

조직별 산소 농도와 감염

• 건강한 조직일수록 산소 농도 높음
• 각 조직의 산소 농도에 따라 감염될 수 있는 세균이 다름

이산화탄소 (CO₂)

• Capnophilic organisms: CO₂ 선호 세균
• 폐는 CO₂ 농도가 높음 (대기: 0.03%, 폐: 4~5%, 혈액: Bicarbonate 형태)
  • 폐에 사는 세균은 이산화탄소 농도를 견딜 수 있어야 함
• 해당 균주: Mycobacterium tuberculosis (결핵균), Streptococcus pneumoniae (폐렴균), Neisseria gonorrhoeae (임질균)

필수 영양소 (Essential nutrients)

• 탄소(Carbon): 다양한 유기 탄소원 (탄수화물, 단백질, 지방 등) 이용
• 질소(Nitrogen): 단백질, 핵산 합성에 필요. 단백질 분해 또는 질소 고정 통해 획득
• 필수 아미노산, 비타민: 종마다 요구량 상이
• 기타 영양분: 황(S), 인(P), 미량원소(trace elements), 철(Fe)

철분 획득 경쟁 (The struggle for Iron)

• 체내의 철은 free form이 아닌 철 결합 단백질 (transferrin, lactoferrin) 형태로 존재
• 병원균은 철 획득 능력 (철 운반체로부터 철을 뺏어오는 능력)을 갖춰야 함
• Siderophores 분비하여 철 결합 단백질로부터 철을 획득
• Lytic enzymes (ex. Hemolysin)으로 세포 용혈시켜 영양분 방출
• 철 획득 능력 부족 시, 미생물은 인체 내에서 철 확보에 어려움

서식지

• 다양한 박테리아들이 각 생존 환경에 맞게 서식
  • 피부/두피: 땀이 나므로 Salt & Oxygen tolerant
  • 폐: Oxygen tolerant & Capnophilic
  • 위: 산소 농도가 낮으므로 Acid tolerant & Anaerobic(or facultative)
  • 소변: 암모니아(NH3) tolerant
  • 사지 끝: 온도가 낮으므로 low replication temperatures
  • 깊은 상처/순환이 안 되는 곳: Anaerobes
• 예외: 치주염 발생 부위는 혐기적 환경, 여드름균은 혐기성

호흡과 발효 (Respiration and Fermentation)

• Glycolysis를 거쳐 pyruvate 생성

Glycolysis

• 원핵/진핵 생물 모두에서 발생
• 산소 유무 무관
• 1 glucose → 2 pyruvate + 2 ATP (기질 수준 인산화), 2mol NADH (환원형)

산소 유무에 따른 경로

• 산소 있는 경우 (Aerobic respiration): Pyruvate가 Acetyl CoA로 전환, TCA cycle을 거쳐 전자전달계에서 ATP 생성. 최종 전자 수용체는 산소
• 산소 없는 경우 1 (Fermentation): Pyruvate로 발효 진행, 추가 에너지 생산은 없으나 다양한 부산물 생성
  • ex) 젖산, 아세트산, 알코올 발효 등

혐기성 발효 (Anaerobic respiration)

• 최종 전자 수용체는 산소 대신 NO3-, SO42-, CO2 사용
• 발효보다는 효율 높으나 유산소 호흡보다는 낮음

세균 성장 과정 (Microbial growth)

• 실험/연구 방법: 인공 배지에서 균 배양

배지의 종류

• Broth: 액체 배지
• Agar: 고체 배지
• Rich media: 모든 박테리아가 자라도록 모든 좋은 영양분 첨가
• Selective media: 특정 균만 선택적으로 생장

배양 어려움

• Treponema pallidum (매독균)
• Mycobacterium leprae (나병균)
• Chlamydia species: Obligate intracellular bacteria

성장 기본 개념

• Culture(배양): 세포 개체 수 증가
• Binary Fission(이분법): 무성생식, 세균이 분열하여 증식
• Budding(출아법): 효모, 곰팡이 등 진균이 증식

Generation time: 세포 두 배로 분열 시간

Generation time으로 성장 속도 판단 대장균은 빠른 편 (20분)

성장곡선 (Growth curve)

• 영양분이 충분한 배지에 세균 접종 시 특징을 통해 세균 특징 파악

성장곡선의 4단계

• Lag phase (유도기/휴지기): 새로운 환경에 적응 준비, 효소/단백질 합성, DNA 복제, 세포 분열은 X
• Log phase (대수 증식기): 영양 충분, 효소 활성 최대, 가장 왕성하게 증식, 일정 속도로 분열
  • Generation time 측정 → 균의 중요한 특성
  • 항생제에 가장 민감한 시기 → 항생제가 방해하는 물질을 가장 왕성하게 사용
• Doubling time = Generation time
• Stationary phase (정지기): 영양 고갈, 유해한 대사 산물 증가, 분열 세균 수 = 사멸 세균 수.
  • 세포 크기 감소, 리보솜 양 감소
• Death phase/Decline phase (사멸기): 증식 환경 악화, 사멸 세균 수 > 분열 세균 수, 기하급수적으로 사멸, 세포 용해 효소 작용

세균 성장 측정 방법 (Measuring bacterial growth)

현미경 및 혈구 계산기 (Hemocytometer)

• 균일한 세포 현탁액을 혈구 계산기에 넣고 광학 현미경으로 일정 구획 내 미생물 수를 셈
• 장점: 실시간 관찰 가능
• 단점: 용액이 균일하게 현탁 되어야 함, 낮은 농도에서 측정 불가

생존 가능한 수 측정 (Viable counts = CFU 측정)

• 배양 가능한 세균 수를 측정
• 장점: 살아있는 세균만 정확하게 측정 가능
• 단점: 시간 소요, 배양 불가능한 세균 측정 불가

탁도 측정 (Optical Density, OD)

• 분광광도계로 용액의 혼탁도 측정
• 장점: 측정 용이
• 단점: 생사 구분 불가, 사멸기 관찰 어려움