미생물의 세계

미생물의 세계

 

 

세균의 형태

 

 

1-1 미생물(Microorganism)이란?

눈으로는 볼 수 없는 작은 생물체 ㎛(10-6m) 단위로 표시 종류 세균(Bacteria) 균류(Fungi; 효모와 곰팡이) 원생동물(Protozoa) 조류(Algae) 무생물 감염성 인자 바이러스(Virus) 프리온(Prion) 미생물학(Microbiology) : 미생물을 연구하는 학문

1-2 미생물의 기능

1. 물질순환

광합성 조류와 일부 세균은 햇빛으로부터 에너지를 얻어 영양물질로 전환하고 먹이사슬(food chain)의 기초를 형성한다. 분해자 미생물은 사체와 물질을 부식, 분해하고, 다른 생물체에 의해 이용될 수 있는 영양물질로 전환한다. 질소고정 일부 세균은 공기중의 질소를 고정할 수 있고 이것을 토양으로 보낸다.

2. 미생물의 유익한 생물학적 기능

소화(Digestion) : 동물은 소화와 비타민 합성에 필수적인 미생물을 소화관내에 가지고 있다. 반추동물(소, 토끼 등)에 의한 섬유소 분해 인체에서 비타민 K와 B의 합성 의료 많은 항생물질과 약품이 미생물에 의해 천연적으로 합성된다. 식품산업 여러 가지 중요한 식품과 음료가 미생물에 의해 만들어진다. 유전공학 : 유전자 재조합 기술의 진보는 중요한 물질을 생산하는 재조합 미생물(recombinant microbes)을 설계하는 것을 가능하게 했다. 인간 성장호르몬(소인증), 인슐린(당뇨병) 혈액응고인자(혈우병), 백신(간염 A 및 B 백신), 인간 헤모글로빈(응급 대용 혈액) 택솔(Taxol; 폐암 및 난소암), Erythropoietin(빈혈증), Monoclonal 항체(질병 진단 및 예방) 생물학 연구 : 미생물은 다음과 같은 이유에서 생물학과 의학 연구에 매우 적당하다. 비교적 단순하고 작은 구조이므로 연구하기 쉽다. 유전물질이 쉽게 처리된다. 매우 신속하고 값싸게 대량의 세포로 번식시킬 수 있다. 짧은 세대기간은 유전적 변화를 연구하는데 매우 유용하다.

3. 미생물의 유해한 작용

전염병과 식중독을 일으킨다. 경구전염병, 세균성식중독 등 식품을 부패시킨다. 각종 생활용품과 공산품을 부식, 파손시킨다.

4. 식품과 관련되는 미생물

식품의 악변(惡變) 부패 세균 변패 세균, 효모, 곰팡이 식중독 세균 경구전염병 세균 식품에의 이용 청주 곰팡이, 세균, 효모 맥주, 와인, 위스키 효모 된장, 간장 곰팡이, 효모, 세균 식초 곰팡이, 효모, 세균 빵 효모 침채류 세균, 효모 젓갈류 세균 치즈 세균, 곰팡이 요구르트 세균 청국장 세균 아미노산 세균 핵산(이노신산, 구아닐산) 효모, 방선균, 곰팡이, 세균 알코올 효모 유기산(구연산, 유산, 초산) 곰팡이, 세균 비타민(B2, B12, C) 곰팡이, 방선균, 세균 효소 곰팡이, 세균, 효모, 방선균 식품미생물 버섯, 단세포 조류, 효모

1-3 미생물학의 역사

1. 초기

17세기 전 미생물학의 연구는 미생물을 관찰하는 적당한 도구의 부족으로 제한되었다. 로버트 훅(Robert Hooke) 1665년에 복합 광학현미경을 조립하고 얇게 썬 코르크를 관찰하는데 사용하였다. 세포(cell)라는 새로운 용어를 만듬 안톤 반 레벤훅(Anton van Leeuwenhoeck) 1673년에 자신이 고안한 단일 렌즈 현미경으로 살아있는 미생물을 최초로 관찰함 Antony van Leeuwenhoek     Leeuwenhoek이 만든 현미경

2. 자연발생설과 생물속생설

자연발생설 1860년대 이전까지 많은 과학자는 "살아있는 생물체는 무생물체로부터 저절로 발생한다"고 생각했다. 구더기는 썩은 고기에서 발생한다. 개미는 꿀에서 발생한다. 미생물은 상한 국물에서 발생한다. 생물속생설 생물체는 다른 생물체로부터만 발생할 수 있다는 생각 Francesco Redi 1668년에 구더기는 썩은 고기에서부터 저절로 발생하지 않음을 증명 Lazaro Spallanzani 1765년에 봉해진 플라스크에서 가열되어진 영양국물은 미생물에 오염되지 않는다는 것을 발견했으나 일부 자연발생설 지지자들이 "끓이는 것은 플라스크내에서 공기의 생명력을 파괴하는 것"이라고 비판하였다. Louis Pasteur 1861년에 환경에서 미생물은 영양국물에서 미생물의 생육을 초래함을 설명하여 마침내 자연발생설을 반증하였다. 공기는 들어가지만 미생물은 목부분에서 걸러지는 백조 목 플라스크를 고안 무균 기술 개발 : 원하지 않는 미생물에 의한 오염을 방지하는 것을 실행하였다. "Omne vivum e vivo"(모든 생물은 생물로부터 발생한다.)라는 말을 남겼다. Louis Pasteur     Pasteur 의 goose-neck flask

3. 황금기 : 1857∼1914년

미생물학에 대한 파스퇴르의 공헌 효모가 혐기적 조건에서 당을 알코올로 전환함을 발견하여 발효(Fermentation)의 개념을 확립 음료 변질과 부패는 세균 오염에 의해 일어남을 밝히고 저온살균법(Pasteurization)을 개발 누에의 질병을 일으키는 3종류의 미생물을 확인하여 미생물이 질병의 원인임을 밝힘 감염된 토끼의 건조척수로부터 공수병 백신을 개발 질병의 병원균 설 그 때까지 대부분의 사람은 질병이 신의 징벌, 독성 증기, 저주, 마력 등에 의해 일어난다고 생각했으나 미생물학의 발전으로 질병은 미생물에 의해 일어난다고 생각하게 됨 Robert Koch Agostino Bassi(1835) : 곰팡이가 누에병을 일으킴을 발견 Ignaz Semmelweis(1840) : 분만 열(childbirth fever)은 손을 소독하지 않은 의사에 의해 한 환자에게서 다른 사람에게 전염됨을 증명 Joseph Lister(1860) : 수술에 의한 상처처리에 소독제를 사용하여 감염율을 크게 낮춤 Robert Koch(1876) : 최초로 특정한 세균이 질병을 일으킴을 증명하고 하나의 미생물이 하나의 특정한 질병을 일으킨다는 "병원균 설"을 확립 세균의 순수분리법, 염색법 등 미생물 연구방법 확립 탄저병균, 콜레라균, 결핵균, 티프스균 등 다양한 병원성 세균 발견

4. 화학요법 시대 개막 : 1910년대 이후

Alexander Fleming Paul Ehrlich(1910) : 매독에 효과가 있는 비소 유도체인 salvarsan 개발 Alexander Fleming(1928) : 곰팡이 Penicillium notatum이 생산하는 항생물질 penicillin 발견 Rene Dubos(1939): 세균 Bacillus brevis가 생산하는 항생물질 gramidin과 tyrocidine 발견 Waksman(1943) : 방선균 Streptomyces griseus가 생산하는 항생물질 streptomycin 발견

5. 현대 미생물학과 분자생물학의 발전 : 1940년대 이후

Beedle과 Tatum(1941년, 미국) 유전자와 효소와의 관계를 밝히고 1954년에 1유전자 1효소설(one gene-one enzyme theory)를 주장 유전생화학(biochemical genetics) 태동의 계기 Avey, McLeod, McCary(1944년) 폐염쌍구균의 S형균의 DNA를 R형균에게 주면 S형균의 협막다당류를 형성하게 되는 형질전환(transformation) 현상 발견 유전자의 화학적인 본체가 DNA(deoxyribonucleic acid)라는 것을 증명 Watson과 Crik(1953년) DNA의 이중나선구조의 모형이 제출 분자생물학(molecular biology) 발전의 계기 DNA와 상보적인 nucleotide 배열을 가지는 messenger RNA(mRNA)와, 아미노산을 운반하는 transfer RNA(tRNA)의 기능 해명 DNA → mRNA → 단백질이라는 생물학적 기본개념 확립 F. Jacob과 J. L. Monod operon설(operon theory) 제창 : 유전자(DNA)의 정보가 제어되며 최종적으로 단백질로서 발현되는 기구 설명 Jacob에 의한 유도, 억제라는 유전적 개념과 Monod에 의한 allosteric이라고 하는 생화학적인 개념을 결합시켜 효소의 생성, 제어의 기구를 해명 M. Nierenberg 유전자를 구성하는 핵산염기와 그 정보에 의해서 생합성되는 단백질 사이에는 밀접한 관계가 있고 3개의 염기배열(triplet)이 특정의 아미노산 한 개를 지정하게 되며, 이것은 대장균에서부터 사람에 이르기까지 지구상의 모든 생물세포에 공통이라는 것을 증명 C. Kornberg 모든 생물이 공통된 유전정보를 가지고 있는 한편, 세포는 다른 종류의 DNA가 들어오면 그것을 제한(restriction)하여 분해하거나 수식(modification)하여 고유의 종을 유지하고 있다는 것을 밝힘 제한효소(restriction enzyme)를 이용하여 다른 종류의 DNA나 화학합성한 유전자(DNA)를 원하는 곳에서 절단하거나 결합하는 데 이용하여 유전자조작기술이 발전 Watson F. Jacob J. L. Monod M. Nierenberg C. Kornberg

1-4 미생물의 분류

1. 생물학 분류의 5계 체제(Five-Kingdom System)

1969년 Robert Whitaker에 의해 제안됨 원핵생물계(Kingdom Procaryotae; Monera) 가장 오래된 것으로 알려진 세포, 35억년전부터 생존 핵과 막결합 세포소기관의 결여 ※ 다음의 4계는 진핵생물(eucaryote)로 진정한 핵과 막결합 세포소기관을 가짐 원생동물계(Kingdom Protista) 대부분 단세포, 조직 체제 결여, 편모(flagella)를 가지는 것이 많음 균류계(Kingdom Fungi) 단세포(효모류)이거나 다세포(곰팡이류), 대부분 부생성(saprotroph) 식물계(Kingdom Plantae) 다세포체, 광합성 동물계(Kingdom Animalia) 다세포체, 구강을 통해 먹이를 섭취하는 종속영양성(heterotroph) 생물학 분류의 5계 체제(Five-Kingdom System) 　   원핵세포 진핵세포   세포 크기   0.2∼2㎛(직경)   10∼100㎛(직경)   핵   없음   있음   막성 세포내 소기관   없음   있음   세포벽   화학적 복합체   있는 경우 단순   리보좀(ribosome)   70S   80S(세포소기관에는 70S)   DNA   한 개의 원형 염색체   여러 개의 선형 염색체(히스톤과 결합)   세포분열   이분법(Binary fission)   유사분열(Mitosis) 원핵세포와 진핵세포의 차이점   　 원핵세포(세균) 진핵세포(동물)

2. 계통발생론 : 3영역(Domain) 체제

1978년 Carl Woese가 세포벽 조성, 막지질, RNA 배열, 단백질 합성, 항생물질 감수성 등의 특징적인 기준에 근거하여 계(kingdom) 상위의 분류수준으로 "영역(Domain)"을 제안 진정세균(Eubacteria) 영역 : 진정세균류 세포벽에 peptidoglycan 함유 항생물질 감수성 고세균(Archaeabacteria) 영역 : 고(古)세균류 세포벽에 peptidoglycan 함유하지 않음, 항생물질 내성 극단적인 환경에서 생존, 메탄생산균(Methanogens), 고도 호염균(Extreme Halophiles), 고온 호산성균(Thermoacidophiles) 3계로 분류 진핵생물(Eucarya) 영역 : 모든 진핵세포 생물(원생동물, 균류, 식물, 동물) 원핵생물의 계통발생학적 관계

3. 학술적 명명법

생물의 분류 및 명명의 일반적인 체계, 18세기 Carl Linnaeus가 처음으로 개발 이명법(Binomial nomenclature) 각 생물(종; species)은 2 부분의 이름(속명과 종명)을 가지며, 이탤릭체나 밑줄로 표시함 속명(Genus name) : 항상 대문자로 시작하고 명사형이며, 약어로 쓰기도 한다. 종명(species name) : 항상 소문자로 쓰고 일반적으로 형용사형이다. 학명은 라틴어(또는 그리스어)에서 유래되거나 라틴어화 어미를 가진다. Homo sapiens (H. sapiens) : 인간 Penicillium notatum (Pen. notatum) : 페니실린을 생산하는 곰팡이 Canis familiaris (C. familiaris) : 개 분류체계의 계급 영역(DOMAIN) 계(Kingdom) 문(Phylum, 세균의 경우 Division)     : -phyta(균류 : -mycota) 강(Class)     : -phyceae(균류 : -mycetes) 목(Order)     : -ales 과(Family)     : -aceae 속(Genus) 종(species)

1-5 미생물의 다양성

1. 세균(Bacteria)

원핵세포 구조를 가지는 작은 단세포 생물 대분류 진정세균(Eubacteria) : 세포벽에 peptidoglycan 함유 고세균(Archaebacteria : 세포벽에 peptidoglycan 함유하지 않음 형태 간균(Bacillus) : 막대형 구균(Coccus) : 구형 나선균(Spirillum) : 나선형, 곡선형 이분법(binary fission)으로 분열(유사분열하지 않음) 다양한 영양요구성 종속영양(Heterotroph) : 유기화합물 섭취 독립영양(Autotroph) : 스스로 영양분 합성, 광합성세균 포함 편모(Flagella)를 가지는 것은 운동성이 있음

2. 균류(Fungi)

진핵세포 구조를 가지는 단세포(unicellular) 또는 다세포(multicellular) 생물 단세포체 : 효모(Yeast) 다세포체 : 곰팡이, 버섯 광합성을 하지 않음 환경에서 유기 영양물질을 섭취하여야 함 부생성(Saprotroph) : 사체와 부식성 물질을 먹이로 하는 분해자(Decomposer) 역할 기생성(Parasite) : 살아있는 동물과 식물에 기생하여 영양분을 획득 세포벽은 키틴(chitin)으로 만들어짐 유성적 또는 무성적으로 번식

3. 원생동물(Protozoa)

진핵세포 구조를 가지는 단세포 생물 유성 또는 무성 생식 운동성에 따라 분류 위족류(Pseudopod) : 위족, 원형질 신장으로 운동, Amoeba 편모충류(Flagella) : 길고 채찍같은 편모로 운동 섬모충류(Cilia) : 작고 털같은 섬모로 운동

4. 조류(Algae)

진핵세포 구조를 가지는 단세포 또는 다세포 생물 광합성을 하며 동물에게 이용되는 탄수화물과 산소를 생산하므로 먹이사슬의 중요한 부분을 차지 유성 또는 무성 생식 세포벽은 섬유소(cellulose)로 구성 수계환경(해양, 호수, 하천), 토양 및 식물과의 군집으로 발견

5. 바이러스(Virus)

무세포성 감염형으로 세포가 결여되어 있어 생물체로 취급하지 않음 다른 생물체의 세포기구를 사용하여야 증식할 수 있는 절대 세포내 기생체 단순한 구조 DNA나 RNA 둘 중의 어느 하나와 단백질 외피((capsid) 지질 외피(envelope)를 가지기도 함