기질저해 (Substrate Inhibition)

한 줄 정의: 미생물의 성장이나 효소 반응 속도가 기질(원료 물질) 농도가 낮을 때는 증가하다가, 특정 농도를 넘어서면 오히려 감소하는 현상입니다.

쉽게 풀면

보통은 먹이가 많을수록 미생물이 더 잘 자란다고 생각하기 쉽지만, 어떤 물질은 농도가 너무 높아지면 오히려 세포에 독성으로 작용해 성장을 방해합니다. 기질저해는 이렇게 원료 물질(기질)의 농도가 적당할 때는 성장 속도가 빨라지다가, 일정 수준을 넘으면 오히려 성장이 느려지거나 멈추는 현상을 말합니다. 마치 적당한 양의 소금은 요리에 도움이 되지만, 너무 많이 넣으면 오히려 못 먹게 되는 것과 비슷한 원리입니다.

왜 중요한가

산업 발효 공정에서는 생산성을 높이기 위해 기질 농도를 높게 유지하고 싶어하는 경우가 많은데, 기질저해가 나타나는 물질이라면 무작정 농도를 높이는 것이 오히려 역효과를 낼 수 있습니다. 이 때문에 공정 설계 시 유가식(fed-batch) 배양처럼 기질을 서서히 공급하는 전략이 흔히 쓰이며, 기질저해 특성을 파악하는 것은 최적 배양 전략을 세우는 데 중요합니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

"Growth kinetics data showed substrate inhibition at phenol concentrations above 500 mg/L, consistent with the Haldane model."

페놀 농도가 특정 수준을 넘어서면서 성장 동역학 데이터에서 기질저해가 나타났으며, 이는 홀데인(Haldane) 모델과 일치했다는 뜻입니다.

"To avoid substrate inhibition, a fed-batch strategy with controlled glucose feeding was employed instead of a single high-concentration batch."

기질저해를 피하기 위해 한 번에 고농도로 투입하는 대신 포도당을 조절해서 공급하는 유가식 배양 전략을 사용했다는 설명입니다.

조금 더 깊게 보면

기질저해가 나타나는 반응은 일반적으로 모노드 성장 동역학의 단순한 형태로는 잘 설명되지 않으며, 고농도 구간에서 저해 항이 추가된 확장된 형태의 동역학 모델(예: 홀데인 형태의 식)로 나타내는 경우가 많습니다. 이 경우 반응 속도는 특정 기질 농도에서 최댓값을 가지고, 그보다 낮거나 높은 농도에서는 모두 속도가 감소하는 곡선 형태를 보입니다.

주의할 점

모든 기질이 기질저해를 일으키는 것은 아니며, 어떤 물질이 어느 농도에서 저해를 일으키는지는 미생물 종과 배양 조건에 따라 다르므로 실험적으로 확인이 필요합니다.