생물막(Biofilm) (1) "생물막은 어떻게 만들어질까?"

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-07-04 21:01:16
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* 미생물이 표면에 정착하면 종종 그 안에 묻혀있는 설탕, 지방 및 단백질의 점액층을 형성
* 점액층은 표면에 달라붙어 미생물을 묶어 자유롭게 움직일 수 없도록 생물막 발전시켜
* 미생물이 이웃 박테리아와 상호 작용, 정족수 감지라고 하는 자체 통신 시스템을 사용
* 굶주린 세포는 이온 채널을 통해 칼륨 이온을 내보내.
* 미생물 군집은 대신 다세포 유기체와 거의 비교할 수 있는 단세포 결합 형성

미생물 생물막
생존 전략 및 의료 문제로서의 점액 덮개


박테리아가 표면에 정착하면 일부는 영리한 보호 전략을 사용한다. 

단백질, 설탕 및 지방으로 구성된 교차 결합된 점액층인 생물막을 생성한다. 

그 안에서 그들은 환경 영향으로부터 보호되며 방해받지 않고 계속 성장할 수 있다. 

이것은 의학에 무엇을 의미할까? 

▲ 박테리아 세포와 세포외 고분자 물질이 공간적, 이질적인 배열을 자세히 보여주는 혼합 배양 생물막의

주사 전자현미경 이미지. © Krzysztof A. Zacharski/ CC-by-sa 4.0


표면에 단단히 부착된 점액층으로 미생물은 흐르는 물, 자외선 또는 독으로부터 보호되기 때문에 생물막에 사는 것은 미생물에게 가치가 있다. 그리고 식량 부족도 없다. 조직화된 박테리아 군집은 생물막에서 함께 작용해 내부의 미생물조차 무시하지 않는다. 항생제 나 소독제는 점액 기질의 유기체를 해칠 수 없다. 따라서 박테리아 생물막은 인간에게 의학적 문제가 된다.

생물막은 어떻게 형성될까?
미생물은 슬라임 매트릭스에서 생명체를 어떻게 구성할까?
박테리아, 조류 등에 대한 이러한 형태의 생명체의 장점은 무엇인가?
박테리아 군집은 어디에서 발생할까?
생물막이 인간에게 왜 그렇게 위험한가?
그리고 우리는 생물막에 대해 어떻게 대처해서 우리를 위해 사용할 수 있도록 만들 수 있을까? 이러한 질문에 답을 찾아본다.

1. 박테리아로 만든 슬라임, 미생물이 결합하여 생물막을 형성하는 방법.

미생물이 표면에 정착하면 종종 그 안에 묻혀있는 설탕, 지방 및 단백질의 점액층을 형성한다. 이러한 거친 세포외 점액 기질을 생물막이라고 한다.

미생물에서 생물막 합성물까지

생물막이 발달하기 전에 미생물은 여러 단계를 거친다.
첫째, 자유 수영을 하는 개별 박테리아가 미네랄, 금속 또는 기름과 같은 표면에 무작위로 정착한다. 표면은 물이나 습한 공기와 접촉해야하며 미생물에 영양분을 제공해야 한다. 따라서 박테리아는 대부분의 경우 고체 표면과 액체 사이의 경계면 (예 : 젖은 불가사리 뿐만 아니라 의료용 카테터)에 정착한다. 

▲ Bacillus subtilis의 생물막 형성 및 발달 녹색 : 영양이 풍부한 물이 왼쪽에서 오른쪽으로 흐른다. 회색 : 식생 지역. 1 : 편모 세포에 의한 지역의 최초 식민지화. 2. 세포 접착을 통한 생물막 형성의 시작. 3. 기하 급수적인 성장. 4-5. 생물막 표면의 부분 섹션. 4. 중앙의 영양 결핍. 5. 포자 형성 및 편모 세포를 통한 이동 단계. author : Asw-hamburg

그곳의 조건하에서 일부 유형의 박테리아는 먼저 이동 수단인 편모를 버리고 실 모양의 부속물 필리(Pili)를 사용해 표면에 부착한다. 그런 다음 그들은 소위 adhesins를 생산해 표면에 더 단단히 부착되고 물에 휩쓸리지 않는다. 일단 그것이 "정착성" 박테리아가 되면, 미생물의 유전자 발현이 변하고 자유 수영 conspecifics에서보다 다른 유전자가 켜지고 꺼진다.
예를 들어, 250개 이상의 유전자가 고착성 구형 황색 포도상 구균에서 차별적으로 발현되고, 간상 박테리아 *녹농균(Pseudomonas aeruginosa)에서는 800개 이상의 유전자가 발현된다.
* Pseudomonas속의 기준종으로 녹농균은 면역이 결핍되면 기회주의적 감염을 유발하는 병원체이고, 호흡기, 소화-배설기관, 화상부위, 상처 등에 감염을 일으키는 것으로 알려져 있음.


결과적으로 미생물은 종종 외부에서 변하고 일부 종은 섬유질 단백질, 다당류, 핵산, 지질 및 무엇보다도 물의 분비를 생성한다. 예를 들어 녹농균(Pseudomonas aeruginosa) 박테리아의 경우, 플렉서블 고분자 알기 네이트의 생산을 담당하는 algC 유전자가 활성화된 것을 식민지화 후 1/4시간 이내에 볼 수 있다.


점차적으로 이러한 세포밖 고분자 물질(EPS)은 미생물 군집 주변에 점액층을 형성한다.
이 젤은 표면에 달라붙어 미생물을 꽉 묶어 더 자유롭게 움직일 수 없다.
생물막이 이렇게 발전한다.

▲ 생물막 발전의 5 단계. 1 단계, 초기 부착; 2 단계, 비가역적 부착; 3 단계, 성숙 I; 4 단계, 성숙 II; 5 단계, 분산. 다이어그램의 각 발달 단계는 슈도모나스 애루기노사(Pseudomonas aeruginosa) 생물막의 현미경 사진과 쌍을 이룬다. 모든 현미경 사진은 동일한 배율로 표시. (출처: D. Monroe. "Looking for Chinks in the Armor of Bacterial Biofilms)

미생물, 의사소통이 없으면 기아 위험

결과 :
개별 미생물의 부동성으로 인해, 그들은 액체에 의해 날아가는 생물막과 유기체로 영양분을 운반하는 것에 의존한다. 그러나 음식을 얻는 것은 특히 생물막 내부에 살기 때문에 외부에서 음식 공급원에서 가장 멀리 떨어져 있는 세포의 경우 문제가 된다. 이것이 굶주리면 전체 생물막의 안정성을 유지할 수 없다.

따라서 세균 점액 기질 내에서 식품 경쟁을 줄이고 전체 젤의 파괴를 막는 메커니즘이 있다.
무엇보다도 이것은 미생물이 이웃 박테리아와 상호 작용한다는 것을 의미한다. 이를 위해 박테리아는 정족수 감지라고 하는 자체 통신 시스템을 사용하여 통신한다. 이것은 인간의 뇌에 있는 신경 세포 간의 정보 교환과 유사하다. 이는 미생물이 생물막의 이온 채널, 기공 또는 통로를 통해 서로 다른 화학적 신호 분자를 전송하기 때문이며, 이웃 박테리아는 수용체를 통해 이를 인식할 수 있다.

연구구자들은 생물막 내부의 세포 기아를 정확히 방지하는 방법에 대해 막대 모양의 토양 박테리아 Bacillus subtilis의 예를 사용해 조사했다. 굶주린 세포는 이온 채널을 통해 칼륨 이온을 내보내는 것으로 나타났다.

이 이온 채널은 이웃 세포가 수용체를 통해 인식하고 다른 채널을 통해 전달할 수 있다.
잘 공급된 세포가 이 신호를 받으면 성장을 방해하고 최소한의 영양소만 사용하도록 대사 활동을 변경한다. 나머지, 특히 에너지 원인 글루타메이트는 생물막으로 방출된다. 이것은 영양분이 생물막에 분포되도록 한다.
▲ 작은 고무 호수 표면에 황색 포도상 구균 생물막의 전자 현미경 이미지

미생물 공동체는 생활 공동체

그러나 한 종의 박테리아 만이 생물막 내에 사는 것이 아니다. 시간이 지남에 따라 매우 다른 미생물 군집이 형성된다. 새로운 박테리아, 균류 또는 조류는 환경에 대한 다양한 요구로 인해 원래의 "제작자"에게 적합하지 않은 생물막 영역을 식민지화할 수도 있다.
예를 들어 호기성 박테리아인 녹농균만 포함하는 생물막에서 세포는 외부 영역에서만 성장하고 분열할 수 있다. 산소는 2~300분의 1밀리미터보다 더 깊이 침투하지 않기 때문이다. 다른 혐기성 종과의 혼합물만이 네트워크 시스템을 유지하는 데 도움이 된다.

다중 셀처럼

"성숙한 생물막은 개인으로 구성된 임의의 시스템이 아니다."라고 Karlsruhe Institute of Technology (KIT)의 토마스 쉬바르츠(Thomas Schwartz)는 설명했다. 전반적으로 미생물 군집은 대신 다세포 유기체와 거의 비교할 수 있는 단세포 결합을 형성한다.

안정적인 미생물 생태계로서 생물막은 영구적으로 유지된다.
그러나 pH 값의 변화와 같은 다른 영향으로 인해 또는 예를 들어 물이 점액층 위로 반복적으로 세척되는 경우 개별 박테리아가 제거될 수 있다. 결과적으로 이들은 다시 자유롭게 수영하는 미생물이 되거나 딸세포가 형성되어 박테리아, 조류 등의 새로운 확산과 새로운 생물막 형성으로 이어질 수 있다.
(계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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