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배양
배양(培養, culture)은 미생물과 같은 생물체나 조직 또는 세포와 같은 생물체의 일부를 인공적으로 만든 환경에서 증식시키고 번식시키는 일이. 더 쉽게 설명하자면, 세포나 미생물에 대한 연구를 하기 위해 이들을 인공적으로 키우는 과정을 뜻한다.
개요
배양은 미생물, 동물 및 식물세포 등을 적당한 배식에 식균하여 온도, 산소 등의 적당한 조건에서 증식시키는 일련의 과정. 배양형식으로서는 액체배양과 고체배양이 있다.
외적 조건으로 온도·습도·빛·기체상의 조성(이산화탄소와 산소의 분압) 등이 중요하며, 그 밖에 배양되는 생물체에 가장 중요한 직접적인 영향을 주는 것은 배지(培地)이다. 배지는 배양기라고도 하며, 그 생물체의 직접적인 환경인 동시에 생존과 증식에 필요한 각종 영양소의 공급장이다. 배지가 액체인 경우를 액체배지라 하고, 액체배지에 한천·젤라틴을 가한 것을 고형배지라고 한다. 액체배지를 쓸 때는 배지를 교반(攪拌)하여 생물체를 액 속에 현탁시키면서 배양하는 경우가 있는데, 이것을 특히 액중배양(submerged culture)이라 한다.
배양하는 생물체의 종류에 따라 각종 영양물질과 삼투압·pH 등이 있는 배지가 많이 고안되어 있다. 이렇게 인공적으로 각종 성분을 조합시켜서 만든 합성배지(synthetic medium)는 많이 있으나 일부 생물(특히 기생적인 미생물) 가운데는 인공배지를 사용할 수 없는 것이 있다. 예를 들면, 각종 동물 바이러스를 배양할 때와 같이 숙주인 살아 있는 계배(鷄胚)나 동물 조직편을 배지로 하여 배양하는 방법(계란배양법·메이틀렌트법 등)도 있다. 또 배양조건의 하나로서는 목적하는 생물체의 생존과 발육을 방해하는 잡균의 번식을 막는 것도 중요하며, 멸균조작 외에 항생물질을 비롯하여 각종 약품을 사용한다. 배지를 포함한 배양법 전체의 개량에 의하여 종전까지는 불가능하다고 여겼던 배양이 가능하게 되어 생물학·의학·농학 등에 많은 공헌을 하고 있다. 배양을 화학공학적으로 체계화한 것이 발효공학이다.
역사
배양의 역사는 미생물학의 발전과 깊은 관련이 있다. 19세기 후반, 독일의 미생물학자 로베르트 코흐(Robert Koch)는 질병 원인균을 분리하고 배양하는 기술을 개발하여 배양의 기초를 마련했다. 이후 미생물학과 분자생물학이 발전함에 따라 배양 기술도 함께 진화하였고, 현재는 다양한 생명과학 연구 및 산업에 필수적인 기술로 자리 잡았다.
배양의 종류
배양은 대상 생명체와 목적에 따라 다양한 형태로 구분된다.
- 1. 세포 배양 (Cell Culture)
세포 배양은 동물이나 식물 세포를 인공적인 환경에서 성장시키는 기술이다. 주로 연구 목적으로 사용되며, 특정 조건에서 세포의 성장, 분화, 유전자 발현 등을 분석할 수 있다. 세포 배양은 다음과 같은 종류로 구분된다.
- 일차 세포 배양 (Primary Cell Culture): 조직에서 직접 분리한 세포를 이용한 배양.
- 2차 세포 배양 (Secondary Cell Culture): 일차 배양에서 증식된 세포를 이용한 연속 배양.
불멸화 세포주 배양 (Immortalized Cell Line Culture): 특정 조건에서 무한히 분열할 수 있는 세포주를 이용한 배양.
- 2. 미생물 배양 (Microbial Culture)
미생물 배양은 세균, 진균, 바이러스 등 미생물을 인공적인 환경에서 성장시키는 방법이다. 미생물 배양은 의학적 진단, 산업적 생산, 환경 연구 등 다양한 분야에서 사용됩니다. 미생물 배양은 주로 다음과 같은 방법으로 진행된다.
- 액체 배양 (Liquid Culture): 액체 배지에서 미생물을 성장시키는 방법.
- 고체 배양 (Solid Culture): 고체 배지에서 미생물을 배양하여 집락을 형성하는 방법.
- 한천 배양 (Agar Culture): 한천을 이용한 고체 배지에서 미생물을 배양하는 방법.
- 3. 조직 배양 (Tissue Culture)
조직 배양은 식물이나 동물의 조직을 인공적인 환경에서 증식시키는 기술이다. 특히, 식물 배양은 새로운 품종 개발이나 유전자 조작 연구에서 중요한 역할을 합니다. 조직 배양은 주로 다음과 같은 유형으로 나뉜다.
- 식물 조직 배양 (Plant Tissue Culture): 식물 세포나 조직을 무균 환경에서 배양하여 새로운 식물을 재생하는 기술.
- 동물 조직 배양 (Animal Tissue Culture): 동물의 특정 조직을 분리하여 배양하는 방법으로, 주로 약물 테스트나 유전자 연구에 사용된다.
배양 조건
배양의 성공은 적절한 배양 조건을 유지하는 데 크게 의존합니다. 주요 배양 조건은 다음과 같습니다:
- 1. 영양소 (Nutrients)
배양을 위해 생명체가 필요한 영양소를 제공하는 배지(media)가 사용된다. 배지는 세포나 미생물이 성장하는 데 필요한 당, 아미노산, 비타민, 미네랄 등을 포함한다. 배지는 액체, 고체 또는 반고체 형태로 제공될 수 있으며, 특정 목적에 맞게 조정될 수 있다.
- 2. 온도 (Temperature)
생명체의 최적 성장을 위해 적절한 온도가 중요하다. 예를 들어, 대장균(E. coli)은 37°C에서 최적의 성장을 보이지만, 다른 미생물이나 세포는 각기 다른 최적 온도를 가진다.
- 3. 산소 (Oxygen)
산소 요구도는 생명체마다 다르다. 호기성 생명체는 산소가 필요한 반면, 혐기성 생명체는 산소가 없는 조건에서 성장한다. 따라서 배양 과정에서 산소 농도를 적절히 조절해야 한다.
- 4. pH
배양 배지의 pH는 세포나 미생물의 성장을 크게 좌우한다. 대부분의 생명체는 중성(pH 7)에서 최적의 성장을 보이지만, 특정 생명체는 산성 또는 염기성 환경에서 더 잘 성장할 수 있다.
- 5. 습도 (Humidity)
배양 환경의 습도는 특히 조직 배양이나 세포 배양에서 중요한 요소이다. 적절한 습도는 세포의 탈수를 방지하고, 세포막의 안정성을 유지하는 데 도움을 준다.
배양의 응용
배양 기술은 다양한 분야에서 활용되고 있다.
- 1. 의학
배양은 질병 진단, 백신 개발, 약물 테스트 등에 중요한 역할을 한다. 특히, 미생물 배양은 병원체를 분리하고 분석하는 데 필수적인 기술이다.
- 2. 생명공학
생명공학에서는 특정 유전자 조작을 통해 유용한 단백질이나 물질을 생산하는 데 배양 기술이 사용된다. 예를 들어, 인슐린 생산에 유전자 조작된 대장균이 사용된다.
- 3. 식품 산업
미생물 배양은 발효 식품(예: 요구르트, 치즈, 김치) 생산에 중요한 역할을 한다. 또한, 특정 미생물을 이용해 비타민, 아미노산 등 건강 보조제를 생산하는 데도 사용된다.
- 4. 환경 보호
배양 기술은 오염 물질의 생물학적 분해를 촉진하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 특정 미생물을 배양하여 기름 유출 사고에서 오염된 지역을 정화하는 데 활용할 수 있다.
배양의 한계와 도전 과제
배양은 다양한 장점을 가지고 있지만, 몇 가지 한계와 도전 과제도 존재합니다:
- 오염 (Contamination): 외부로부터의 오염은 배양 과정에서 큰 문제로 작용할 수 있으며, 특히 무균 조건을 유지하는 것이 중요하다.
- 비용 (Cost): 특정 세포나 조직을 배양하는 데 드는 비용이 높을 수 있으며, 대규모 배양에서는 유지 관리 비용이 문제될 수 있다.
- 복잡성 (Complexity): 복잡한 다세포 구조나 조직의 배양은 여전히 어려운 과제이며, 실제 생체 환경을 완벽하게 모사하기 어렵다.
참고자료
- 〈배양〉, 《두산백과》
- 의쉽남, 〈배양이란 무엇일까요? 배양하는 이유와 매양 목적 그리고 배양의 종류에 대해 알아보겠습니다!〉, 《네이버 블로그》, 2020-08-10
같이 보기
