미생물 대사

미생물의 대사과정

 

다양한 미생물은 모두 발달할 때 어떤 물질(대사산물)을 생산합니다. 예를 들어, 효모는 발달 시 대사 산물로 알코올을 만듭니다. 술은 이 효모의 대사산물로 만들어집니다. 푸른곰팡이의 대사산물로 만들어져 많은 의료 현장에서 사용되어 온 약이 첫 항생제로 알려진 페니실린입니다. 한편, 병원성 균도 물론 대사산물을 만듭니다. 예를 들어, 병원성 대장균 O-157은 베로 독소라는 유해 물질을 만듭니다. 따라서 O-157에 오염된 음식을 먹으면 베로독소에 의한 중독증상을 일으키게 됩니다. 이와 같이, 균에 의해 만들어내는 대사산물은 다양합니다만, 모든 균이 발육할 때에 어떠한 대사산물을 만드는 것입니다.

유산균은 옛날부터 우리의 식생활과 관계를 가지고 음식 가공에 널리 이용되어 왔지만, 이것은 유산균이 만드는 젖산을 비롯한 다양한 대사산물에 의한 것입니다. 또한, 이들 식품이 사람의 건강에도 유용하다는 것은 과학적으로도 밝혀졌지만, 이들도 유산균이 만드는 다양한 대사산물이 밀접하게 관련되어 있는 것을 알고 있습니다. 그런데, 유산균이 식품중 등에서 발육하는 것을 우리는 발효라고 부를 수 있습니다만, 이 발효란, 정확하게는 어떤 의미를 가지는 것일까요? 사전 등으로 조사해 보면, 발효란 “미생물의 작용에 의해 유기물이 분해되어 보다 단순한 물질로 변화하는 반응”이라고 보여지고 있습니다. 그러나 실제로는, 우리가 이 정의에 적용되는 모든 반응을 발효라고 부르는 것이 아니라, 대부분은 그 작용이 사람에게 유용한 경우를 발효라고 합니다.

우리의 장내에는 다종 다량의 세균이 존재해, 날마다 활동하고 있습니다만, 그중에서 유산균이 「선옥균」이라고 불리는 것은 바로 장내에서 우리에게 유용한 대사산물을 만들어 내는 것에 기인합니다. 따라서 "선옥균"의 장내 활동도 발효라고 할 수 있습니다.

이러한 "선옥균"의 발효에 의해 다종다양한 대사산물이 만들어지고, 그것들이 일상적인 우리 몸의 상태에도 밀접하게 관련되어 있습니다. 균 그 자체의 성질이나 활동하는 환경에 의해 만들어지는 대사산물도 달라, 거기에 따라 몸에의 영향도 크게 바뀌어 옵니다. 그러므로 발효라고 한마디로 말하더라도 그 활동을 밝히는 것은 항상 쉽지는 않습니다. 그러나 발효라는 힘의 깊이와 그 가능성을 느끼고 현재에도 전 세계의 많은 연구자들이 그 힘의 추가 해명에 도전하고 있습니다.

대사는 모든 생물이 가진 능력이며, 외부에서 섭취한 물질을 자신의 몸을 구성하는 다양한 분자(단백질이나 지질 등)로 변환하는 능력입니다. 세포 중에는 이러한 변환 반응을 촉매하는 효소 단백질이 수천 종류나 포함되어 복잡한 대사 반응의 담당자가 되고 있습니다. 특히 생물학적 다양성이 풍부한 미생물은 독특한 대사 효소의 보고이며, 인류는 옛날 이들을 술 등의 발효 식품의 생산에 이용해 왔습니다.

최근에는 이 발효 기술을 더욱 발전시켜 바이오연료 등의 유용 물질 생산에 이용하려는 시도도 활발합니다. 한편 발효 기술에 의한 물질 생산에서는 목적으로 하는 물질 이외에도 미생물이 생육에 필요한 다양한 물질이 부산물로서 생산되어 버립니다. 목적물질의 생산에 필요한 대사 효소만을 미생물로부터 꺼내 시험관 내에서 "인공대사경로"를 구축할 수 있다면 부산물을 수반하지 않는 효율적인 발효생산이 가능해지지만 수천 종류로 심지어 생체 내 효소 중에서 필요한 효소만을 선택적으로 꺼내는 데는 많은 수고와 비용이 듭니다. 또한, 원하는 화학물질을 효율적으로 생산하기 위해서는 여러 효소의 역가를 합리적으로 균형되게 할 필요가 있으며, 추출 효소만으로 이 균형을 달성하기 어려워지고 있습니다.

영양소를 비롯한 유기 분자를 분해함으로써 에너지를 획득하는 이화와 반대로 에너지를 사용하여 자신에게 필요한 생체 성분이나 유기 분자를 합성하는 동화로 대별되는 대사 경로의 대부분은 20세기까지 철저히 해명되었습니다. 그런데 최근, 대사계의 중간체나 보조인자 등, 지금까지 단순한 재료라고 생각되어 온 생체 내 대사물질에 생각도 걸리지 않는 중요한 역할이 있는 것이 발견되어 왔습니다. 예를 들어 세포 내 산화환원반응에 중요한 NAD+는 ADP리보실화나 탈아세틸화 등 단백질의 번역 후 수식을 통해 산화환원과는 독립적으로 암화나 노화 등의 생체기능을 제어하고 있다 일이 밝혀졌습니다. 이러한 대사산물은 본래의 대사계에서의 역할과는 독립적으로 단백질 번역 후 수식을 변화시킴으로써 전사인자, 신호인자, 후성유전자인자, 대사효소 등의 기능을 변환하고 있습니다.