20편. 효모의 Flocculation에 대해서 (6)
구독자 님, 안녕하세요.
이번 Yeasty Letter 에서는 어떠한 외부 요인이 FLO유전자 발현과 구조에 영향을 줄 수 있는지 소개해드릴 예정입니다.
지난 편을 읽지 않으신 분들은 먼저 읽어보시길 추천드립니다.
일반적으로 효모의 응집(flocculation)은 균주의 유전적 특징(예: flo 유전자, 발현 억제자/활성자)뿐만 아니라 외부 환경 요인에 의해서도 영향을 받습니다.
예를 들어, 맥즙에 포함된 양이온, pH, 온도, 산소량, 당분, 에탄올, 그리고 효모의 계통학적 특성(세대 나이) 등이 효모의 flo 유전자 발현, lectin 단백질 분비, lectin 간 상호 결합, 그리고 세포벽에 위치한 lectin 수용체에 작용하여 최종적으로 효모의 응집에 영향을 줄 수 있습니다.
[효모 응집에 영향을 주는 요인들]
1. 양이온
- 역할: 양이온은 효모 응집 과정에서 핵심적인 역할을 합니다. 특히 칼슘이온(Ca²⁺)은 응집을 촉진하는 데 가장 효과적입니다.
- 농도: 실험과 논문에 따르면 균주에 따라 10⁻⁵ ~ 10⁻⁸ mol/L 또는 5×10⁻⁴ mol/L 정도의 칼슘이온이 필요합니다. 단, 중요한 것은 맥즙에 첨가한 전체 칼슘이온이 아니라 효모가 실제로 이용할 수 있는 free and labile Ca²⁺의 양입니다.
- 기타 양이온: Rb⁺, Cs⁺, Fe²⁺, Co²⁺, Cu²⁺, Ni²⁺, Zn²⁺, Cd²⁺, Al³⁺와 Mg²⁺, Mn²⁺도 응집을 유도합니다. 반면 Ba²⁺, Sr²⁺, Pb²⁺는 Ca²⁺와 경쟁하여 lectin 단백질의 Ca²⁺ 결합을 방해함으로써 응집을 억제합니다.
- 나트륨 및 칼륨: 낮은 농도의 Na⁺, K⁺는 효모 간의 정전기 반발을 줄이고 세포 내 Ca²⁺ 방출을 유도하여 응집을 촉진하지만, 고농도에서는 lectin 단백질의 구조 변형 또는 Ca²⁺ 결합 방해로 응집을 방해할 수 있습니다.
2. pH
- 범위: 실험실 및 발효 산업에서 효모 응집의 최적 pH 범위는 일반적으로 2.5 ~ 9.0 입니다. 다만, 맥주 효모(NewFlo 표현형 균주)의 경우 2.5 ~ 5.5 사이에서 최적 반응을 보이며, 전반적으로 효모 응집을 위한 이상적인 pH 범위는 약 3.0 ~ 5.0 입니다.
3. 온도 (Temperature)
- 영향: 낮은 온도와 부진한 성장은 효모의 대사 작용과 이산화탄소 생산을 저하시켜 맥즙 내 기류(순환)를 감소시킵니다. 이로 인해 효모가 빠르게 가라앉게 됩니다.
- 교반 역할: 발효 중 발생한 이산화탄소가 배출되며 기류를 만들어, 효모 간 상호 반발력을 극복하여 응집을 도와줍니다.
- 고온 영향: 예를 들어, 효모가 포함된 맥주를 섭씨 52도 이상에서 최소 5분 노출하면, 응집을 유도하는 lectin 단백질의 구조가 변형되어 효모 응집이 분산됩니다.
4. 산소 주입량
- 최적 조건: 효모 응집에는 과도한 산소보다 적당한 산소 공급이 필요합니다. 균주마다 필요한 산소량이 다르며, 특히 세포벽의 mannoproteins(수용체) 형성에 산소의 유무가 큰 영향을 미칩니다.
- 발효 과정: 맥주의 경우 발효 초기에 산소를 공급한 후 무산소 상태로 전환되는 것이 lectin 단백질 형성과 응집 조절에 중요한 역할을 하는 것으로 예상할 수 있습니다.
5. 당 (Sugar)
- 역할: 당은 효모 간 연결을 도와 FLO 유전자 조절에 관여하며, lectin 단백질과 결합하는 수용체와 경쟁하여 응집을 해제할 수도 있습니다.
- 균주 특성: 효모가 보유한 유전자가 ‘FLO1’인지 ‘NewFLO’인지에 따라 당에 대한 민감도가 달라지며 맥즙에 포함된 발효당은 발효 초기에 효모 응집을 억제할 수 있습니다.
6. 에탄올 (Ethanol)
- 역할: 에탄올은 응집에 긍정적 영향을 미치는 듯 보이나, 에탄올 자체가 효모에 직접적으로 긍정적인 영향을 주는 것은 아닙니다.
- 농도 효과: 4% 에탄올 농도에서는 효모 응집 능력이 유지되지만, 약 10% 농도에서는 에탄올 독성으로 인해 응집 능력이 손상됩니다.
7. 계통학적 특성(세대 나이)
- 출아흔과 계통학적 나이: 효모는 출아 후 딸세포와 모세포에 출아흔(상처)을 남깁니다. 이 출아흔의 수로 효모의 계통학적 나이를 추정할 수 있습니다.
- 효모 재사용: 양조장에서 효모는 일반적으로 7~20회 재사용되며, 재사용 횟수(세대 수)가 증가할수록 응집 능력이 높아지는 경향이 있습니다. 이는 바닥에 가라앉은 효모를 수확할 때, 더 높은 계통학적 나이의 효모 또는 응집력이 우수한 효모가 선택되기 때문입니다.
- 세대수에 따른 응집 변화:
- 시간이 지나도 응집 능력에 변화가 없는 경우
- 시간이 지나면서 응집 능력이 증가하는 경우: 세대 수가 높은 효모는 빠르게 가라앉는 경향이 있습니다.
(BS = 출아흔, Bis = 모세포에서 분리될 때 생긴 출아흔)
실험 결과, 발효 중인 에일 효모 집단에서는 모든 성장 단계에서 약 44–54%의 딸세포와 46–56%의 모세포가 공존함이 관찰되었습니다. 이를 통해, 딸세포와 모세포의 계통학적 나이보다 세대 수(성장 단계)가 효모 응집 능력에 더 큰 영향을 미친다고 추측할 수 있습니다. 특히, NewFLO 표현형을 가진 균주의 경우, 효모 세대수는 최종 응집 상태를 결정하는 중요한 요인으로 여겨지기도 합니다.
8. 효모 세포수
- 최소 세포 농도: 효모가 응집되기 위해서는 일정 수준 이상의 세포 수가 필요합니다.단위 mL 당 세포 수가 너무 적으면 효모 간 물리적 결합 형성이 어려워 응집 현상이 거의 나타나지 않습니다.
- 세포 농도와 응집: 높은 세포 농도(> 4×10⁷ cells/mL)에서는 초기 세포 농도와 관계없이 일정 수준 이상의 응집이 관찰됩니다.
9. 기계적 교반
- 교반 효과: 효모 응집에는 최소한의 물리적 교반이 필요합니다. 물리적 또는 이산화탄소에 의한 교반은 세포 간 상호 반발력을 극복하는 운동 에너지를 제공하여 세포 간 접촉과 응집 결합 형성을 도와줍니다.
이번 편을 마지막으로 효모의 응집 원리와 과정, 그리고 외부 요인이 미치는 영향을 자세히 알아보았습니다. 생각보다 길어진 주제이지만 많은 분들께 도움이 되셨으면 좋겠네요.
다음 시간에는 효모의 flocculation과 관련된 보다 가벼운 주제로 찾아뵙겠습니다.
읽어주셔서 감사합니다.
Written by. SB
참고 문헌.
1. E.V. Soares, Flocculation in Saccharomyces cerevisiae: a review, Bioengineering Laboratory, Chemical Engineering Department, Superior Institute of Engineering from Porto Polytechnic Institute, 2010, page 1-18.
2. Katherine A Smart, Chitin scar breaks in aged Saccharomyces cerevisiae, School of Biological and Molecular Sciences, Oxford Brookes University, 2003, page 3129-3137.
3. Oliver Medvedik, David A Sinclair, Longevity Regulation in Saccharomyces cerevisiae: Linking Metabolism, Genome Stability, and Heterochromatin, Department of Pathology, Harvard Medical School, 2003, page 376-399.
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