▲ 박테리아 세포와 세포외 고분자 물질이 공간적, 이질적인 배열을 자세히 보여주는 혼합 배양 생물막의 주사 전자현미경 이미지. ©Krzysztof A. Zacharski/CC-by-sa 4.0

 

생물막(Biofilm 바이오필름)은 일반적인 형태의 박테리아 생물이다. 최대 99%의 미생물 대부분은 이러한 점액(slime 슬라임)질에서 자연적으로 발생한다. 안전한 집으로서의 생물막 생명체는 오랜 역사를 가지고 있다. 호주의 고생물학자들은 스트로마톨라이트에서 약 35억 개의 오래된 생물막이 화석화한 것을 발견했다. 때때로 거의 탑과 같은 구조는 미생물 매트가 퇴적된 퇴적물과 번갈아 가면서 발생했다. 박테리아는 오늘날에도 그러한 스트로마톨라이트(Stromatolithen)를 형성한다. 삶의 방식이 그토록 잘 입증된 이유다.

박테리아가 표면에 정착하면 그들의 일부는 영리한 보호 전략을 사용한다. 단백질, 당 및 지방이 복합적으로 구성된 점액층 생물막을 생성한다. 그 안에서 세균들은 환경 영향으로부터 보호되며 방해받지 않고 계속 성장할 수 있다. 이것이 환경과 의학에 무엇을 의미할까? 생물막이 형성되는 방법, 이점 그리고 인간에게 왜 그렇게 위험한가. 우리는 생물막에 대해 어떻게 대처해서 잘 공생할 수 있을까? 이러한 질문에 답을 찾아본다.

바이오필름은 표면에 단단히 부착된 점액층이다. 흐르는 물, 자외선 또는 독으로부터 보호되기 때문에 이 생물막에 사는 것은 미생물에게 가치가 있다. 식량 부족도 없다. 조직화된 박테리아 군집은 생물막에서 함께 작용해 내부의 다른 미생물조차 무시하지 않는다. 항생제나 소독제가 점액 기질의 유기체를 해칠 수 없다. 그래서 박테리아 생물막은 인간에게 의학적 문제가 된다.

박테리아로 만들어진 점액, 미생물이 결합해 생물막을 형성하는 방법 

▲ 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

미생물이 표면에 정착하면 종종 그 안에 묻혀있는 당분, 지방 및 단백질의 점액층이 형성된다. 이러한 세포외 점액 기질을 생물막이라고 한다. 생물막이 발달하기 전에 미생물은 여러 단계를 거친다. 우선 자유 수영을 하는 개별 박테리아가 미네랄, 금속 또는 기름과 같은 표면에 무작위로 정착한다. 표면은 물이나 습한 공기와 접촉해야하며 미생물에 영양분을 제공해야 한다. 이에 따라서 박테리아는 대부분의 경우 고체 표면과 액체 사이의 경계면(예:젖은 불가사리, 의료용 카테터 등)에 정착한다.

정착한 곳의 조건하에서 일부 유형의 박테리아는 먼저 이동 수단인 편모를 버리고 실 모양의 부속물 필리(Pili)를 사용해 표면에 부착한다. 그런 다음 그들은 소위 부착소(adhesins)를 생산해 표면에 더 단단히 붙는다. 물에 휩쓸리지 않는다. 일단 그것이 ‘정착성’ 박테리아가 되면, 미생물의 유전자 발현이 변하고 자유 수영하는 동종에서보다 다른 유전자가 켜지고 꺼진다.

예를 들어, 250개 이상의 유전자가 고착성 구형 황색 포도상 구균에서 차별적으로 나타나고, 간상 박테리아 녹농균(Pseudomonas aeruginosa)에서는 800개 이상의 유전자가 발현된다. (Pseudomonas속의 기준 종으로 녹농균은 면역이 결핍되면 기회주의적 감염을 유발하는 병원체이고, 호흡기, 소화-배설기관, 화상부위, 상처 등에 감염을 일으키는 것으로 알려져 있음)

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

미생물도 의사소통이 없으면 굶주려 위험
개별 미생물의 부동성으로 인해, 그들은 액체에 의해 옮겨가는 생물막과 유기체로 영양분을 운반하는 것에 의존한다. 그러나 음식을 얻는 것은 특히 생물막 내부에 살기 때문에 외부 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 사용해 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.

연구자들은 생물막 내부의 세포 굶주림을 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. 특히 에너지원인 글루타메이트는 생물막으로 방출된다. 이것은 영양분이 생물막에 분포되도록 한다.점차적으로 이러한 세포 밖 고분자 물질은 미생물 군집 주변에 점액층을 형성한다. 이 젤은 표면에 달라붙어 미생물을 꽉 묶어 더 자유롭게 움직일 수 없다.

 

▲ 생물막 발전의 5 단계. 1 초기 부착 – 2 비가역적 부착 - 3 성숙 I - 4 성숙 II - 5 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 공동체는 생활 공동체
한 종의 박테리아 만 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 세포처럼
"성숙한 생물막은 개별적으로 구성된 임의의 시스템이 아니다"라고 Karlsruhe Institute of Technology (KIT)의 토마스 쉬바르츠(Thomas Schwartz)가 설명했다. 전반적으로 미생물 군집은 다세포 유기체와 거의 비교할 수 있는 단세포 결합을 형성한다.

안정적인 미생물 생태계로서 생물막은 영구적으로 유지되지만, pH 값의 변화와 같은 다른 영향으로 또는 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.

생물막의 발생과 이점
무엇보다도, 생물막은 미생물에게 결정적인 이점을 제공한다. 표면에 단단히 부착된 점액층에서는 외부 장애로부터 잘 보호된다. 예를 들어 박테리아가 수역에 의해 자갈에 생물막을 형성하면 정기적으로 물이 침수돼 박테리아에 포함된 영양소를 먹을 수 있다. 그들은 비오토프(biotope;인공적으로 조성한 자연이나 설치물)에서 씻겨져서 다음 강으로 유되는 경우가 거의 없다. 생물막의 안정성으로 인해 안전한 집이 된다.

미생물은 암석, 식물, 수역 또는 온천에서 생존하므로 토양과 물의 자가 정화 과정과 이산화탄소 결합을 지원한다. 바다에서도 미생물은 생물막 덕분에 생존한다. 예를 들어, 그들은 산호에서 자라고 빛과 독립적으로 사는 미생물은 어두운 심해의 석회암 퇴적물에서도 살 수 있다. 몬타나 주립 대학의 하이디 스미스(Heidi Smith)가 이끄는 연구팀이 발견 한 바와 같이 빙하의 얼음에서도 생물막을 찾을 수 있다. 그들은 거기에서도 안전한 점액층을 빠르게 형성 할 수 있다.

▲ 작은 고무 호수 표면에 황색 포도상 구균 생물막의 전자 현미경 이미지

▲ 사람 피부 근접촬영. 인간의 피부에는 자연적으로 생물막이 있다. 이 생물막은 질병을 유발하는 박테리아로부터 우리를 보호한다.

생물막은 우리의 환경뿐만 아니라 인체에서도 발견된다. 세균성 식물상은 피부, 특히 땀샘에서 생물막에 서식한다. 미생물, 특히 코리네박테리움(Corynebacterium) 또는 스타필로코쿠스 에피데미스(Staphylococcus epidermis) 종은 우리 몸이 노폐물로 배설하는 것을 먹는다. 그 대가로 그들은 우리를 낯선 박테리아로부터 위험하지 않도록 보호한다. 질에 있는 생물막도 동일한 기능을 한다. 외부에서 침투하는 병원균에 의한 집단 군락을 방지한다.

미생물 점액질은 우리 몸의 다른 표면에서도 찾을 수 있다. 예를 들어 우드홀(Woods Hole)의 해양 생물연구소(Marine Biological Laboratory)의 제시카 마크웰치(Jessica Mark Welch)와 함께 일하는 과학자들은 우리의 혀에 생물막이 보이도록 만들었다. 입안의 미생물 군집의 구조는 우연히 생겨난 것이 아니라 다양한 유형의 미생물의 필요와 성장 행동에 따라 복잡한 모자이크 패턴에 해당한다는 것이 눈에 띄었다.

인간과 동물을 위한 소화 보조제
생물막은 우리에게 보이지 않는 신체 부위에서도 발견될 수 있다. 인간의 위장관은 심지어 신체 세포보다 약 10배 더 많은 미생물이 뛰어다니며 그 대부분은 세포 외 점액층으로 구성돼 있다. 생물막에 의해 형성된 장내 식물상은 음식 성분의 소화와 신체 자체의 효소에 의해 분해될 수 없는 복잡한 식물성 탄수화물의 신진대사에 중요하다. 또한 미생물 군집은 병원성 세균이 장에 정착하는 것을 방지한다.

생물막은 반추 동물의 소화관에서도 중요한 역할을 한다. 그들은 소화하기 어려운 풀과 다른 단단한 식물 물질을 분해하는 데 도움이 된다. 소, 염소 등에서는 먹는 채소의 장에서 생물막이 형성된다. 이들은 초기에 식물성 셀룰로오스를 분해하고 지방산을 생성하는 미생물로 구성되어 있다. 이 셀룰로오스 분해 박테리아가 너무 많은 지방산을 배출해 자신의 성장을 억제할 때까지.

그런 다음 다른 운동성 박테리아가 생물막으로 이동해 이러한 지방산을 대사를 위한 연료로 사용한다. 이것은 녹색을 분해하고 반추 동물은 결국 점액 기질로 코팅된 사료 잔류물을 소화한다. 그러나 생물막이 모든 유기체의 체내에서 자연적으로 발생하고 유용하더라도 의학적 문제이기도 하다. (다음호에 계속)

 

미생물 바이오필름② "생물막(Biofilm) 발생의 이점과 인체에 문제를 일으키는 경우"

미생물 바이오필름③ "생물막(Biofilm) 불멸의 주거지...항생제, 방사선 및 소독에도 면역"

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