미생물 생물막- 생물의 접착제

미생물은 혼자 생활하는 고독한 생명체가 아닙니다.

대부분의 경우, 그들은 서로 모여 생물막(Biofilm)이라는 복잡한 형태를 형성하며 이는 사람들이 살아가는 주위 환경에서 쉽게 관찰됩니다.

청소나 소독을 소홀히 하면 화장실의 수건이나 샤워실 등에서 때와 같은 형태의 생물막을 관찰할 수 있으며, 관리가 소홀한 수영장 벽면의 조류(algae) 발생과 치아 표면의 플라그 역시 생물막의 한 종류들입니다.

 

미생물이 생물막을 형성하는 것은 수십억 년 된 오래된 습관으로 학자들은 보고 있습니다.

이를 이용해서 미생물들은 지구상의 다양한 환경과 서식처에 침입하여 영양물질과 기타 그들의 생존에 필요한 여러 생존요인들을 보다 쉽게 얻을 수 있는 환경을 스스로 마련해왔습니다.

생물막읜 세균, 진균류, 조류, 원생동물 등 미생물 뿐 아니라 경우에 따라 동물과 식물도 그 구성의 일부가 되기도 하는 복잡한 구조입니다.

 

생물막의 형성에 중요한 역할을 하는 물질은 세균이 합성하여 분비하는 점액성의 다당체 또는 당단백질입니다.

이 고분자물질들이 물체의 표면에 축적되면 주로 세균들인 1차 침입자들을 유인하며, 이들은 표면에 부착하여 증식하게 됩니다.

 

 

바이오필름 기원

미생물막은 원시 지구에서 원핵생물의 방어 기전으로 형성되었을 것으로 추정되는데, 이는 당시의 환경이 생존하기에 매우 가혹했기 때문입니다. 미생물막은 약 32억 5000만 년 전의 지구 화석 기록에서도 확인되며, 고세균과 박테리아 등 초기 생명체에서 발견됩니다. 일반적으로 미생물막은 원핵세포에 항상성을 제공하고, 세포 간 복잡한 상호작용의 발달을 촉진하여 원핵세포를 보호하는 역할을 합니다.

 

균락 형성 초기에는 박테리아 세포가 표면에서 바로 떨어져 나가지 않을 경우, 필리와 같은 세포 접착 구조를 활용하여 보다 영구적으로 정착할 수 있습니다. 무산소 지하수에 서식하는 독특한 고세균군은 하미(hami)라고 불리는 유사한 구조를 가지고 있으며, 각 하무스(hamus)는 세 갈고리 모양의 부착 구조를 가진 긴 튜브 형태로, 서로 또는 표면에 부착하는 데 사용되어 균락 형성을 돕습니다.

고온성 고세균인 Pyrobaculum calidifontis는 박테리아 미생물막의 세포외기질 주요 성분인 TasA 필라멘트와 상동인 번들링 필리를 생성합니다. TasA 상동체는 다양한 고세균에서 암호화되어 있으며, 이는 세균과 고세균 간 미생물막 구조에서 기계적인 유사성과 진화적 연결 가능성을 시사합니다.

또한 미생물막의 중요한 특성 중 하나인 소수성은 박테리아가 미생물막을 형성하는 능력에 영향을 줄 수 있습니다. 박테리아의 소수성이 증가하면 기질과의 반발력이 줄어들어 표면에 더 쉽게 부착할 수 있게 됩니다. 일부 박테리아는 운동성이 제한되어 있어 스스로 표면에 부착하기 어렵지만, 매트릭스에 고정되거나 초기 정착 세포에 부착함으로써 정착이 가능합니다. 비운동성 박테리아는 운동성 박테리아에 비해 표면을 인식하거나 함께 뭉치는 능력이 떨어지는 것으로 알려져 있습니다.

표면 집락화 과정에서는 박테리아 세포들이 N-아실 호모세린 락톤(AHL)과 같은 정족수 감지(Quorum Sensing, QS) 신호 물질을 통해 서로 소통할 수 있습니다. 균락 형성이 시작되면, 미생물막은 세포 분열과 새로운 세포의 모집을 통해 점차 성장하게 됩니다. 이때 다당류로 이루어진 세포외기질이 미생물막을 둘러싸며, QS 자가유도제를 포획하여 외부 포식자로부터 보호하고 박테리아의 생존을 도울 수 있습니다.

이러한 기질에는 다당류 외에도 미네랄, 토양 입자, 적혈구, 피브린과 같은 혈액 성분뿐 아니라, 주변 환경에서 유래한 다양한 물질이 포함될 수 있습니다. 미생물막의 발달은 점점 더 응집력 있는 세포 군체 형성을 가능하게 하며, 이로 인해 외부 자극이나 항생제에 대한 내성이 증가할 수 있습니다. 세포 간 통신, 즉 정족수 감지는 여러 박테리아 종에서 미생물막 형성 과정에 관여하는 것으로 밝혀졌습니다.

 

생물막은 이질적인 환경과 다양한 하위 개체군을 특징으로 합니다. 생물막 구조는 대사적으로 활성이 있는 세포(저항성과 내성을 모두 포함)뿐만 아니라, 생존은 하지만 배양이 불가능한 비활성 세포로 구성되어 있습니다. 또한, 생물막은 다당류, 세포외 DNA, 단백질 등으로 이루어진 고분자 매트릭스를 포함하고 있습니다.