소금 많은 물에서 미생물은 어떻게 사나요?

Question

화성 지하의 소금물과 비슷한 조건에서 미생물이 자랐다는 연구 소개를 봤습니다. 소금이 많은 환경은 세포에서 수분을 빼앗아 생존하기 어려울 것 같은데요. 염분에 강한 미생물은 세포 안팎의 삼투압 차이를 어떤 방식으로 조절해 소금물에서 견디는 건가요?

Answer 1

안녕하세요, 엄격한비단벌레5님. 이중철 전문가입니다.

먼저, 소금이 매우 많은 환경에서도 미생물이 살아남을 수 있는 비결은 세포 안팎의 삼투압 균형을 맞추기 위해 세포 내부로 칼륨 이온을 대량으로 끌어들이거나, 효소 기능을 방해하지 않는 특수 유기물질인 적합 용질을 고농도로 축적해 수분이 밖으로 빠져나가는 것을 막기 때문입니다.

■ 칼륨 이온 유입과 내염성 단백질 구조를 통한 적응

일반적인 세포를 진한 소금물인 고장액에 넣으면 삼투 현상에 의해 세포 안의 물이 밖으로 빠져나가 원형질 분리가 일어나면서 죽게 됩니다. 하지만 사해나 화성 지하 염수처럼 극도로 짠 환경에 사는 극호염성 고세균은 에너지를 쓰는 능동수송을 통해 독성이 있는 나트륨 이온은 밖으로 퍼내고, 대신 세포 내부에 칼륨 이온과 염화 이온을 바깥과 비슷한 농도까지 채워 넣습니다. 이렇게 하면 세포 안팎의 농도 차이가 사라져 수분 손실을 막을 수 있는데요. 이때 세포 속 높은 염분 때문에 단백질이 엉겨 붙는 것을 막기 위해, 이 미생물들의 효소 표면에는 음전하를 띤 산성 아미노산이 매우 많습니다. 음전하들이 물 분자를 단단히 끌어당겨 보호막을 형성하므로 고농도 염분 속에서도 단백질이 변성되지 않고 정상 작동합니다.

■ 효소를 보호하는 적합 용질 축적 전략

한편 염분에 강한 대다수 세균이나 단세포 조류는 세포 안의 이온 농도를 낮게 유지하는 대신, 글리신 베타인이나 엑토인, 글리세롤 같은 작은 유기분자를 세포 속에 가득 채우는 방식을 사용합니다. 이러한 물질을 적합 용질이라고 부르는데, 물에 잘 녹으면서도 전하를 띠지 않아 세포 내 효소나 DNA의 입체 구조를 망가뜨리지 않는 것이 특징입니다. 미생물은 외부 소금 농도가 높아질수록 이 적합 용질을 직접 합성하거나 흡수해 세포 내부의 삼투압을 높임으로써 수분을 지켜내며, 세포막의 지질 구성까지 단단하게 바꿔 극한의 삼투 스트레스를 견뎌내거든요.

정리하자면,

소금기가 강한 물에 사는 미생물은 삼투 현상에 의한 탈수를 막기 위해 세포 안에 칼륨 이온을 고농도로 축적하고 음전하 아미노산이 풍부한 특수 효소를 갖추거나, 단백질 기능을 해치지 않는 적합 용질이라는 유기물질을 내부에 가득 채워 세포 안팎의 삼투압 평형을 유지함으로써 극한 환경에서도 생존할 수 있는 것이랍니다.

※ 질문자님을 포함하여 소중한 분들의 건강, 재산과 안전을 지키고, 혹시나 발생할 수 있을 다양한 문제 상황에 놓이지 않기 위해서라도 저를 포함하여 다양한 토픽에서 활동하는 모든 전문가분들의 아하 지식커뮤니티에서의 답변은 예외 없이 참고 용도로만 유용하게 활용하시기 바랍니다.😉

Answer 2

말씀하신대로 소금이 많은 환경은 삼투현상으로 세포 수분을 빼앗아가지만, 호염균은 독특한 전략으로 생존이 가능합니다.

먼저 '상용질 전략'으로, 단백질을 해치지 않는 글리세롤이나 베타인 같은 유기 물질을 세포 내에 축적하고, 이를 통해 세포 내부의 삼투압을 높여 외부로 수분이 빠져나가는 것을 막아냅니다.

또 사해 같은 극단적 환경의 미생물이 쓰는 염분 유입 전략의 경우 소금 이온을 직접 세포 안으로 끌어들이는데, 이때 세포 안의 단백질은 산성 아미노산이 풍부하도록 진화해 고염분 속에서도 변성되지 않고 작동이 가능합니다.

실제 아타카마 사막이나 남극의 건곡 같은 가혹한 환경에서도 이러한 극한 미생물들이 실제로 발견되고 있고, 이는 화성 지하에 존재할 것으로 예상되는 고농도 염수 환경 속에서도 미생물이 생존할 수 있다는 주장의 근거가 되기도 하는 것입니다.