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세균
세균(bacteria, 細菌)은 고균, 진핵생물과 더불어 생물의 3영역 중 한 영역을 차지하는 원핵생물의 대표적인 분류 군이다. 현재까지 13,000종 이상이 알려져 있으며 매년 600여종의 신종이 새로 보고되어 있어 그 수는 지속적으로 증가하고 있다. 세균은 지구상의 어느 곳에서든 발견될 만큼 그 분포에 있어서 다른 생물군을 능가하며 대사의 다양성 또한 경이로운 수준을 보여주고 있다.
세균은 다양한 병원균과 더불어 산업적으로 중요한 분류군들을 포함하고 있어 일상 생활에서도 인간과 뗄 수 없는 불가분의 관계를 가지고 있으며, 최근 인체 연관 미생물의 집합을 의미하는 인간 마이크로바이옴 연구는 인체의 건강 및 질병에 대한 총체적인 이해의 바탕이 될 수 있는 중요한 정보를 제공해 주고 있다.
세균의 종류엔 대표적으로 곰팡이가 있으며, 곰팡이는 주로 빵, 벽지 등에서 많이 난다.
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개요[편집]
세포의 크기는 지름이 작은 것은 0.1㎛, 큰 것은 5㎛이고, 길이가 작은 것은 0.2㎛, 큰 것은 80㎛나 된다. 세포의 모양에는 공모양을 한 구균(球菌), 막대모양을 한 간균(桿菌), 나선모양을 한 나선균(螺旋菌)과 긴 관(管) 또는 도깨비 방망이 모양의 돌출 부속기관을 가지고 있는 균이 있다.
구균 가운데는 종의 특성에 따라 세포가 배열하는 모양이 다르다. 즉 2개의 세포가 붙어 있는 쌍구균, 4개가 연결된 4련구균(四連球菌), 8개가 입방체 모양으로 연결된 8련구균, 여러 개의 세포가 염주모양으로 연결된 연쇄상구균(連鎖狀球菌)과 포도송이처럼 뭉쳐진 포도상구균(葡萄狀球菌) 등이 있다. 간균의 경우, 세포들이 길게 연결된 균사(菌絲) 모양을 한 것이 있다.
세균 세포는 핵 물질(1분자의 DNA)·세포질·세포막·세포벽으로 되어 있고, 이외에 점액층 또는 피막(皮膜 Capsule)을 가지고 있는 것도 있다. 핵 물질과 세포질 사이에 핵막이 없어 핵과 세포질이 구별되지 않아 세균세포를 무핵 세포라고도 한다. 세포질에는 유핵세포에서 관찰되는 소포체(小胞體)·골지체·미토콘드리아·엽록체·액포 등의 세포기관이 없고, 70s 리보솜·메소솜과 영양물질이 저장된 과립체 또는 봉입체(封入體) 등이 있다.
광합성 세균에는 틸라코이드(thylakoid)나 크로마티움(chromatium) 또는 클로로솜(chlorosome)과 같은 광합성기관이 있으며, 무기영양세균(無機榮養細菌) 가운데에는 층판(lamella)이나 소포(vesicle) 등과 같은 소기관을 가진 것도 있다. 또한 편모(鞭毛)와 필리(pili) 같은 섬유상의 기관도 여러 세균의 표면에서 관찰된다.
세균의 종에 따라 한 극(極)에 1개의 편모를 가진 단모균(單毛菌), 한 극에 여러 개의 편모를 가진 총모균(叢毛菌), 양극에 편모가 나있는 양모균(兩毛菌), 세포의 둘레에 나 있는 주모균(周毛菌)이 있다. 세균 가운데는 열, 건조 또는 방사선 등의 극한 환경을 견딜 수 있는 내생포자를 만드는 것도 있다. 이러한 세포를 원핵세포(原核細胞)라고 하고 이런 세포로 된 생물을 원핵생물(procaryote) 또는 세균(bacteria)이라 한다.
세균은 세포벽과 세포막의 구성성분과 RNA 중합효소(polymerase) 및 16s rRNA 유전자의 염기서열분석에 의한 유연관계에 따라 진정세균(眞正細菌 eubacteria)과 원시세균(原始細菌 archaebacteria)으로 크게 구분된다. 특히 원시세균은 고온이나 고염도 등과 같은 극한 환경에 서식하는 세균이다.세균은 다양한 대사기능을 가지고 있어 지구상에 존재하는 생물체 내외 및 자연환경의 모든 곳에 존재하며, 물질대사 속도가 빠르기 때문에 증식속도도 빨라서 지구상에 존재하는 막대한 양의 물질을 변환하는 특성을 가진 생물이다.
세균은 다양한 물질을 분해하고 생산하는 생리적 특성을 지니고 있어 우리에게 이익을 주는 것도 있고 해를 주는 것도 있다. 인류가 유익하게 이용하고 있는 세균으로는 알콜 발효에 자이모모나스(Zymomonas), 식초산 발효에 식초산 세균(acetobacter), 아세톤·부탄올·부틸산·시트로산·프로피온산·비타민 B2 생산에 클로스트리디움(Chlostridium), 김치·청주·야쿠르트 등의 젖산발효에 젖산세균, 조미료인 글루탐산 생산에 미크로코크스 글루타미쿠스(Micrococcus glutamicus) 등이 있다.
그리고 브레비박테리움(Brevibacterium)·스트렙토마이신·테트라사이클린·클로람페니콜 등의 항생물질 생산에 방선균(放線菌), 아밀라제·프로테아제 등과 같은 소화 효소제의 생산에 바실루스(Bacillus), 대용혈장과 분자체(molecular sieve)로 이용되는 덱스트란 생산에 류코노스톡(Leuconostoc), 윤활제 또는 도료의 겔화제를 생산하는 크산토모나스(Xanthomonas)가 있다.
또한 단세포 단백질을 생산하는 메틸로필루스 메틸로피우스(Methylophylus methylophyus), 프레드니솔론 생산에 코리네박테리움(Corynebacterium), 잔류성 농약에 의한 공해가 없이 나비나 모기 유충만을 선택적으로 살충하는 특수 단백질을 생산하는 바실루스(Bacillus), 공중 질소를 고정하여 농산물의 증산에 공헌하는 리조비움(Rhizobium)·아조토박터(Azobacter)·클로스트리디움(Clostridium)·프란키아(Frankia), 저품위 동광석과 우라늄 광석에서 구리와 산화우라늄을 생산하는 치오바실루스(Thiobacillus) 등이 있다.
세균은 가정하수, 쓰레기, 공장 폐수나 폐기물, 농산 폐기물 등을 분해하여 자연을 정화할 뿐만 아니라 자연의 물질 순환을 일으켜 생물이 이들을 재이용할 수 있게 함으로써 인류에게 무한한 이익을 주고 있다. 최근에는 분자생물학의 발달로 세균의 효소를 이용한 유전자 조작기법이 개발됨에 따라 생리활성 물질인 인슐린, 성장호르몬과 같은 물질이 생산되고 있고, 미생물 산업에서의 신공정 개발 및 인류 질병의 예방·진단·치료뿐만 아니라 노화 방지에 관여하는 물질들을 생산하려는 연구가 활발하게 진행되고 있다.
유해세균으로는 음식물이나 피복류를 변패 시키는 부패세균과 사람이나 동식물에 기생하거나 독소를 생산하여 질병을 일으키는 병원세균이 있다. 잘 알려진 부패세균으로는 바실루스, 클로스트리디움, 슈도모나스(Pseudomonas), 장내세균군 등이 있다.
세균이 사람을 비롯한 동식물에 병을 일으키는 것은 세균이 숙주에 해를 끼치는 독소(toxin)를 생산하거나, 숙주조직에서 증식하는 능력이나 호흡기·위장관·비뇨생식기 등의 피부나 점막 같은 표면에서 증식할 수 있는 능력을 가지고 있기 때문이다. 사람의 병원세균의 독소에는 단백질성 물질인 외독소(exotoxin)와 지질 다당류성분인 내독소(endotoxin)로 분류된다.
외독소는 비정상적으로 장관세포를 자극하여 설사나 식중독증을 일으키는 장독소(enterotoxin)와 응혈을 형성하게 하는 응고효소(coagulase)나 백혈구 사멸소(leukocidin), 용혈소(hemolysin), 단백질 가수분해효소(protease) 등과 같은 효소로 숙주세포를 죽이는 세포독소(cytotoxin) 및 신경의 정상적인 자극 전달을 방해하는 신경독소(neurotoxin)로 구분된다.
장독소를 분비하여 설사병을 일으키는 세균으로는 콜레라균·대장균·이질균 등을 들 수 있고, 식중독을 일으키는 세균으로는 포도상구균·클로스트리디움 퍼프린젠스(Clostridium perfringens)·대장균·살모넬라(Salmonella) 등이 있다. 디프테리아 균은 세포독소로서 ADP-리보실 전이효소를 분비하여 숙주세포의 단백질 합성을 방해하여 디프테리아라는 병을 일으키며, 농가진·종기·화농·폐렴을 일으키는 포도상구균은 응고효소·백혈구 사멸효소·용혈소 등의 세포독소를 분비하여 병을 일으킨다. 신경독소를 분비하는 세균으로는 파상풍균과 클로스트리디움 보툴리눔(Clostridium botulinum)이 있다.
내독소는 외독소와는 달리 대장균·살모넬라·콜레라 등과 같은 그람음성균의 세포벽 외막 구성성분인 지질 다당류이며, 이것은 숙주의 발열·쇼크·설사 때로는 내출혈이나 유산 등을 일으킨다.
발견 역사[편집]
세균은 현미경을 발명한 네덜란드의 안토니 판레이우엔훅(Antonie van Leeuwenhoek, 1632–1723)이 1676년 5월 26일에 처음으로 관찰한 것으로 알려져 있다. 그는 곰팡이, 기생충, 머리카락 등을 관찰했으며, 정액 속 정자도 최초로 관측했다고 한다.
헝가리의 이그나츠 제멜바이스(Ignaz Semmelweis, 1818–1865)는 의사의 수술과 산파들이 출산을 돕기 전 손을 소독하는 것이 사망률을 크게 낮출 수 있다고 주장하였으나, 당시는 세균설보다 체질 건강설이 우위였기 때문에 이 주장은 무시되었다. 세균을 최초로 과학적 방법론에 따라 배양한 사람은 루이 파스퇴르와 그의 동료 클로드 베르나르로, 1862년 미생물의 번식이 부패의 원인이 된다는 것을 실험을 통해 증명하였다. 그는 또한 우유와 와인을 가열하여 살균하는 식품 보존법을 고안했다.
루이 파스퇴르의 세균설을 지지한 독일의 로베르트 코흐는 감염된 동물의 피를 다른 동물에 주입하는 실험을 통해 세균이 병리의 원인이 됨을 재확인하였으며, 이로써 본격적인 세균학의 문을 열었다. 그는 결핵, 콜레라, 탄저균을 발견한 것으로도 유명하다.
세균의 구조[편집]
세균은 원핵생물의 특징을 그대로 가지고 있으며 핵막이나 미토콘드리아, 엽록체와 같은 구조를 가지고 있지 않다. 세균의 구조 중에 가장 주목해야 할 것은 세포벽인데, 박테리아는 세포벽의 화학적 구성성분으로 두 가지의 박테리아로 나눌 수 있다. 첫 번째는 펩티도글리칸을 가진 세균이며, 두 번째는 지질다당체(lipopolysaccharide)를 밖에 가지고 있고 세포벽과 세포막 사이에 펩티도글리칸을 가지고 있는 세균으로 나뉜다. 전자를 그람양성균, 후자를 그람음성균으로도 나눌 수 있다. 이러한 구분은 백신개발 등을 할 때 매우 중요한 구분이 된다.
세균의 특징[편집]
세균은 펩티도글리칸으로 구성된 세포벽을 가지며, 세포 내에 핵이나 막으로 둘러싸인 소기관이 결여되어 있고, 유전체는 대부분의 경우 원형의 단일한 염색체로 구성되어 있으며, 편모운동이나 활주운동 등을 통해 운동성을 가지는 경우가 많다. 세균의 세포 형태는 구형, 막대형, 나선형, 필라멘트형, 부정형 등 다양하며, 이들은 각각 단세포에서부터 세포들의 군체 및 분화한 다세포 형태까지 나타난다. 세균 중에는 운동성을 가진 종류들이 많으며 세균의 운동은 편모(flagella) 또는 활주운동(gliding)에 의하고, 스피로헤타의 경우 내편모(endoflagella)를 이용한 독특한 운동성을 보여준다1).
세균 중에는 무성포자를 생성하는 종류들이 있으며 대표적으로는 방선균이 기균사(aerial hypha)의 말단에 분절을 통해 생성하는 분절포자, 고초균 등에서 세포 내부로부터 생성되는 내생포자(endospore), 점액세균이 만들어 내는 점액포자(myxospore) 등이 있다.
세균의 물질대사[편집]
고등생물과 달리 박테리아는 종류에 따라 여러 물질대사법을 가지고 있다. 크게 혐기성세균과 호기성세균으로 나눌 수 있는데, 혐기성세균은 산소를 매개로 에너지를 만들지 않고 발효를 하면서 부산물로 알코올과 같은 산화물들을 배출한다. 이러한 혐기성세균들을 이용하여 김치나 된장과 같은 발효식품을 만들거나 술을 담그기도 한다. 호기성세균은 고등생물과 마찬가지로 산소를 매개로한 호흡을 통해 에너지를 얻는다. 어떤 세균들은 환경에 따라 호기성세균이 되기도 하고 혐기성세균이 되기도 한다.
세균의 유전공학적 이용[편집]
대장균 등의 세균에는 플라스미드(plasmid)라고 하는 원형 DNA를 가지고 있다. 이 DNA는 대장균의 원래 DNA와는 다른 부수적인 것으로, 자체적으로 복제가 가능하며, 다른 세포로도 이동할 수 있다. 이러한 성질을 이용하여 원하는 유전자를 플라스미드에 끼워 넣고 대장균을 배양하면 그 유전자를 대량으로 얻을 수 있는데, 이를 유전자재조합 기술이라고 한다. 이 기술은 여러 유전학 실험실에서 널리 사용되고 있으며 항생제나 의약품 생산에 널리 쓰인다.
세균과 질병[편집]
질병과 관련된 세균으로는 결핵균, 파상풍균, 콜레라균 등이 있다. 이러한 균들은 체내에 감염되면 빠른 속도로 퍼지며, 공기나 물, 음식 등으로 전염될 가능성이 높기 때문에 위험하다. 세균에 따라서는 인간의 신체 중에 어느 부위에 존재하느냐에 따라 병원균이 되기도 하고 병원균이 아닐 수도 있다. 예를 들면 피부, 구강, 대장, 질 등에 존재하는 균들은 인간과 공생하면서 병을 일으키지 않는다.
세균의 서식처[편집]
세균은 지구상의 어느 곳에든 발견되고 있다. 각 물리화학적 환경요인을 위주로 하여 살펴본 세균의 생장 가능 범위는 다음과 같다.
온도[편집]
대부분의 세균은 20~60°C의 범위에서 생장이 가능하지만 초호열성인 Aquifex, Thermotoga 등은 80°C 이상에서도 생장이 가능하며, 특히 Aquifex의 경우 생장 상한선은 95°C로 알려져 있다. 반면 유산균에 속하는 Trichococcus patagoniensi는 -5°C에서도 증식이 가능한 것으로 알려져 있다.
pH[편집]
대부분의 세균은 pH 5-8의 범위에서 서식하지만 Gammaproteobacteria에 속하는 Acidithiobacillus는 pH 1에서 생장 가능한 극단적 호산성 세균으로 알려져 있다. 한편 광합성 세균인 남세균의 경우 pH 12에서 생장 가능하고, Bacillus, Trichococcus 등도 pH 10 이상에서 생장 가능한 호알칼리성 세균들로 알려져 있다.
염도[편집]
대부분의 세균은 5% 이내의 염도 범위에서 생장 가능하지만 Acidithiobacillus, Bacillus 등은 20%를 상회하는 염도에서도 생장이 가능한 것으로 알려져 있다.
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
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