세균 또한 다른 생명체와 마찬가지로 대사와 증식을 위해 영양소를 필요로 합니다. 그리고 이러한 조건을 충족시키는 환경에서 가장 잘 생존하고 증식합니다. 화학적으로 볼 때 세균은 다당류, 단백질, 지질, 핵산, 펩티도글리칸으로 이루어져 있으며, 증식을 위해 이러한 모든 것들을 만들어야 합니다. 세균의 증식을 비롯한 세균의 생리에 대해 알아보겠습니다.
[세균의 성장과 증식]
1) 증식
필요한 영양소로는 산소, 수소, 탄소 그리고 무기이온, 유기영양소 정도가 있습니다.
①산소와 수소: 산소와 수소는 물에서 얻어지기 때문에 수분은 세균 증식에 필수적입니다. (지구상 대부분의 생명이 그러하듯) 균형잡힌 증식을 위해서는 적절한 산소분압이 필요한데 각 균종마다 선호하는 분압은 다릅니다. 호기성세균은 산소가 없으면 자라지 못하는 반면, 혐기성세균은 낮은 산소분압에서 증식이 촉진됩니다. 산소가 거의 없는 곳에서만 생식하는 세균은 특히 편성혐기성균이라 하고, 산소가 있더라도 증식할 수 있는 세균을 통성혐기성균이라고 합니다.
②탄소: 세균은 주로 두 가지 방법으로 탄소를 얻습니다. 자력영양생물(autotrophs)은 CO2를 탄소원으로 하며 독립적으로 살 수 있는 세균입니다. 종속영양생물(heterotrophs)은 기생세균으로서, 당과 같은 유기물질을 탄소원과 에너지원으로 사용합니다.
③무기이온: 질소, 황, 인, 마그네슘, 칼륨 그리고 여러 가지 미량원소가 세균 증식에 필요합니다.
④유기영양소: 세균은 종류에 따라 필요로 하는 유기영양소의 양이 다릅니다. 탄수화물은 에너지원으로 사용되며 다른 물질을 생합성하는데 필요합니다. 비타민, 퓨린, 피리미딘이 미량으로 필요하기도합니다. 어떤 세균은 증식할 때 아미노산을 필수적으로 사용합니다.
세균은 이분법으로 증식하는데 하나의 모세포가 두 개의 딸 세포(progeny)로 분열됩니다. 이렇게 하여 세균의 증식은 하나의 세균에서 4세대 후에는 16 개가 되는 대수증식률을 나타냅니다. 세균의 배가시간 또는 평균 세대시간은 매우 다양하여 E. coli의 경우 20분, M. tuberculosis의 경우에는 24시간이라고 알려져 있습니다. 배가시간이 짧을수록 자연스럽게 증식율도 빠르다고 할 수 있겠습니다. 배가시간에 영향을 주는 다른 요인은 영양소의 양, 온도, 그리고 pH등이 있습니다.
2) 세균의 증식주기
세균의 증식주기는 크게 4단계로 나누어집니다: 증식준비기-대수증식기-증식정지기-쇠퇴기.
①증식준비기: lag phase라 하며, 수 분에서 수 시간 지속되며 세포분열이 일어나기 전 왕성한 대사활성을 보이는 적응기.
②대수증식기: log phase, 세포분열이 활발히 일어나 세포의 수가 증가하는 시기.
③증식정지기: stationary phase, 영양분이 고갈되거나 유독한 대사물질이 축적되어 신생세포의 수와 사멸하는 세포의 수가 비슷한 시기다. 이 때 세균은 최대 균밀도 또는 균량을 가짐.
④쇠퇴기(사멸기): death phase, 살아 있는 세균의 수가 감소하는 시기.
3) 증식조절
세균의 증식은 기본적으로는 영양분에 의해 조절받습니다.그 외에도 세포 안팎에서 일어나는 조절양상에 의하여 세균의 증식률에 변화가 올 수도 있습니다.
세포 내에서는, ①최종산물 억제(대사경로에 있는 최초의 효소가 최종산물에 의해 억제되므로 최종산물의 양이 늘면 대사가 떨어질 수 있습니다.) ②이화산물 억제(대사산물에 의해 효소합성이 억제되기도 합니다.)를 통해 세균 증식이 억제될 수 있습니다.
세균의 증식을 변화시키는 외부요인으로는 온도, pH 등이 있습니다. 최적증식온도에 따라 세균은①중온성균(mesophiles) 대부분의 세균이 여기에 해당되며 25-40℃에서 잘 자랍니다. ②고온성균(thermophiles)은 55-80℃에서 ③저온성균(psychrophiles):20℃이하에서 잘 자랍니다. 세균의 증식에 적합한 수소이온농도는 pH 7.2~7.4입니다.입니다. 때때로 특이적으로 젖산균과 같은 세균은 pH 5.0 정도인정도인 치아우식와동의 환경에서 잘 자라기도 합니다.
4) 호기성 및 혐기성 생장
대부분의 세균은 산소가 원활히 공급될 때 대사와 증식이 활발히 이루어집니다. 산소는 에너지 생산의 최종단계에서 수소의 수용체이며 과산화수소와 free radical superoxide(O2- )를 방출하는데 이 두 가지는 세포에 독성을 나타내므로 제거되어야 합니다. 여기에는 두 가지 효소(superoxide dismutase, SOD 그리고 catalase 카탈라아제)가 관여합니다.
첫 번째 superoxide dismutase는 2 O2- + 2 H → H2O2 + O2의 반응을 촉진하며 카탈라아제는
2 H2O2 → 2 H2O + O2 의 반응을 유도합니다.
세균은 생존을 위한 산소의 필요에 따라 분류되는 것을 앞서 공부했습니다. 검사물로부터 병원성세균을 배양하기 위해서는 적합한 산소 요구조건을 알아야 하기 때문에 산소의 필요에 따라 세균을 분류하는 것은 임상적으로 중요합니다.
①(절대) 호기성세균: 시 수소수용체로서 산소를 필요로 하기 때문에 증식에 산소를 필요로 합니다.
②통성혐기성세균: 산소가 존재할 경우 호기성세균과 같이 산소를 이용하여 호흡에 의해 에너지를 얻기도 합니다. 충분한 산소가 없을 경우에는 발효과정을 통해 ATP를 합성합니다.
③절대(철저) 혐기성세균: catalase 중 하나 또는 둘 다 없기 때문에 산소가 있는 상태에서는 생육할 수 없습니다. 발효나 광합성 등으로 에너지원을 얻습니다.
④미호기성 세균: 낮은 산소분압(2~10%)에서 가장 잘 자랍니다. 젖산균 일부에 여기에 속합니다.