배지 (미생물학)

배지(培地), 또는 배양기(culture medium)란, 미생물이나 세포, 혹은 이끼 같은 작은 식물 등을 증식시키기 위해 고안된 액체나 젤 상태의 영양원이다. 배양할 세포의 종류에 따라 각기 다른 종류의 배지를 사용한다.
배지는 크게 세포배지와 미생물배지의 두 종류로 나뉜다. 세포배지란 즉 식물이나 동물에서 유래한 특정 세포를 배양하기 위한 종류의 배지이며, 미생물배지는 세균이나 효모 같은 미생물들을 증식시키는 데 사용되는 배지이다. 미생물배지의 기본 성분은 영양분 혼합물과 한천이다. 일부 생물체들은 증식을 하기 위하여 특별한 환경이 필요하여 증식시키기 까다로운 경우도 있다. 예를 들어, 바이러스는 숙주 세포에 기생을 해야 증식할 수 있기 때문에 배지에 살아있는 숙주 세포를 첨가하여야 한다.
종류.
미생물에 대한 가장 일반적인 배지는 액체 영양 배지(liquid nutrient medium) 또는 LB 배지이다. 액체 배지는 종종 한천과 혼합되고 멸균 배지 디스펜서를 통해 페트리 접시에 부어 고형화된다. 이 한천 플레이트는 미생물이 배양될 수 있는 고체 배지를 제공한다. 극소수의 박테리아만이 한천을 분해할 수 있기 때문에 고체 상태를 유지한다(Cytophaga, Flavobacterium, Bacillus, Pseudomonas 및 Alcaligenes 속의 일부 종은 예외). 액체 배양에서 자란 박테리아는 종종 콜로이드 현탁액을 형성한다.
세포 배양에 사용되는 배지와 미생물 배양에 사용되는 배지의 차이점은 전체 유기체에서 유래하고 배양에서 성장한 세포는 예를 들어 일반적으로 생체 내에서 발생하는 호르몬 또는 성장 인자의 추가 없이는 종종 성장할 수 없다는 것이다. 동물 세포의 경우 이러한 어려움은 배지에 혈청을 추가하거나 합성 혈청을 대체함으로써 해결되는 경우가 많다. 미생물의 경우 대개 단세포 유기체이기 때문에 그러한 제한이 없다. 또 다른 주요 차이점은 배양 중인 동물 세포가 종종 부착되는 평평한 표면에서 성장하고 배지가 세포를 덮는 액체 형태로 제공된다는 것이다. 대조적으로, 대장균과 같은 박테리아는 고체 또는 액체 배지에서 성장할 수 있다.
배지 유형 간의 중요한 차이점은 정의된 배지와 정의되지 않은 배지의 차이이다. 정의된 배지에는 모든 성분의 알려진 양이 있다. 미생물의 경우 미생물에 필요한 미량 원소와 비타민, 특히 정의된 탄소 및 질소 공급원으로 구성된다. 포도당 또는 글리세롤은 종종 탄소원으로 사용되며 암모늄 염 또는 질산염은 무기 질소원으로 사용된다. 정의되지 않은 배지에는 효모 추출물 또는 카제인 가수분해물과 같은 일부 복잡한 성분이 있으며, 이는 알 수 없는 비율로 많은 화학 종의 혼합물로 구성된다. 정의되지 않은 배지는 가격에 따라 선택되고 때로는 필요에 따라 선택된다. 일부 미생물은 정의된 배지에서 배양된 적이 없다.
배지의 좋은 예는 맥주를 만드는 데 사용되는 맥아즙이다. 맥아즙에는 효모 성장에 필요한 모든 영양소가 포함되어 있으며 혐기성 조건에서는 알코올이 생성된다. 발효 과정이 완료되면 중간 미생물과 휴면 미생물의 조합(이제 맥주)은 소비할 준비가 된 것이다. 주요 유형은 다음과 같다.
배양 배지.
배양 배지(Culture media)는 대부분의 박테리아가 성장에 필요한 모든 요소를 포함하고 선택적이지 않으므로 실험실 배양 컬렉션에 보관된 박테리아의 일반적인 배양 및 유지 관리에 사용된다.
정의되지 않은 배지(기본 또는 복합 배지라고도 함)에는 다음이 포함된다.
정의된 배지(화학적으로 정의된 배지 또는 합성 배지라고도 함)는 다음과 같은 배지이다.
최소 배지.
최소 배지(Minimal media)는 성장을 지원하기에 충분한 성분만 있는 정의된 배지이다. 최소한의 배지에 첨가해야 하는 성분의 수는 어떤 미생물을 키우느냐에 따라 크게 달라진다. 최소 배지는 일반적으로 아미노산이 없는 상태에서 군체 성장에 가능한 최소한의 영양소를 포함하며 미생물학자와 유전학자가 야생형 미생물을 성장시키기 위해 종종 사용한다. 최소 배지를 사용하여 재조합 또는 접합체를 선택하거나 이에 대해 선택할 수도 있다.
최소 배지에는 일반적으로 다음이 포함된다.
보충 최소 배지는 단일 선택된 제제, 일반적으로 아미노산 또는 당도 포함하는 최소 배지이다. 이 보충은 영양요구성 재조합체의 특정 계통의 배양을 허용한다.
선별 배지.
선별 배지(Selective media)는 선별된 미생물만 증식시키는 데 사용된다. 예를 들어, 미생물이 암피실린이나 테트라사이클린과 같은 특정 항생제에 내성이 있는 경우 해당 항생제를 배지에 추가하여 내성이 없는 다른 세포의 성장을 방지할 수 있다. 프롤린과 같은 아미노산이 결핍된 배지는 합성할 수 없는 대장균과 함께 유전체학이 출현하기 전에 세균 염색체를 매핑하는 데 일반적으로 사용되었다.
선별 배지는 또한 항생제 내성 또는 특정 대사 산물 합성 능력과 같은 특정 특성을 가진 세포의 생존 또는 증식을 보장하기 위해 세포 배양에 사용된다. 일반적으로 특정 유전자 또는 유전자의 대립유전자의 존재는 세포에 선별 배지에서 성장할 수 있는 능력을 부여한다. 이러한 경우 유전자를 마커라고 한다.
진핵 세포용 선별 배지는 일반적으로 네오마이신 내성 유전자를 마커로 포함하는 플라스미드로 성공적으로 형질감염된 세포를 선택하기 위해 네오마이신을 함유한다. Gancyclovir는 각각의 마커인 단순 헤르페스 바이러스 티미딘 키나제를 운반하는 세포를 특이적으로 죽이는 데 사용되기 때문에 규칙에 대한 예외이다.
차이 배지.
차등 배지(Differential media) 또는 지표 배지(indicator media)는 한 미생물 유형을 동일한 배지에서 자라는 다른 유형과 구별한다. 이 유형의 배지는 배지에 첨가된 특정 영양소 또는 지표(예: 뉴트럴 레드, 페놀 레드, 에오신, 또는 메틸렌 블루) 존재하에서 성장하는 미생물의 생화학적 특성을 사용하여 미생물의 정의 특성을 가시적으로 나타낸다. 이러한 배지는 미생물의 검출에 사용되며 분자생물학자는 박테리아의 재조합 균주를 검출하는 데 사용된다.
운송 배지.
운송 배지(transport media)는 다음 기준을 충족해야 한다.
강화 배지.
강화 배지(Enriched media)에는 까다로운 유기체를 포함하여 다양한 유기체의 성장을 지원하는 데 필요한 영양소가 들어 있다. 그들은 일반적으로 표본에 존재하는 많은 다른 유형의 미생물을 수확하는 데 사용된다. 혈액 한천은 영양이 풍부한 전혈이 기본 영양소를 보충하는 농축 배지이다. 초콜릿 한천에는 열처리된 혈액(40–45 °C 또는 104–113 °F)이 풍부하여 갈색을 띄며, 혈액 한천에서 배양되지 않는 나이세리아나 헤모필루스 등의 세균들을 배양할 수 있다.
생리학적 관련성.
배양 배지의 선택은 특히 대사 연구에 대한 조직 배양 실험 결과의 생리학적 관련성에 영향을 미칠 수 있다. 또한, 대사 유전자에 대한 세포주의 의존성은 배지 유형에 의해 영향을 받는 것으로 나타났다. 여러 세포주와 관련된 연구를 수행할 때 모든 세포주에 대해 균일한 배양 배지를 활용하면 생성된 데이터세트의 편향을 줄일 수 있다. 영양소의 생리학적 수준을 더 잘 나타내는 배지를 사용하면 시험관 내 연구의 생리적 관련성을 향상시킬 수 있으며 최근에는 Plasmax 및 인간 혈장 유사 배지(HPLM)와 같은 배지 유형이 개발되었다.