미생물의중요성
미생물 (microbes, microorganisms) : 1879년프랑스과학자찰스세딜로가처음사용, : 확대해야만관찰할수있는생명체 : 세균, 바이러스, 곰팡이, 원생동물 미생물의역할 : 질병의원인 : 자원의재순환 : 병원성미생물의생장억제 : 식품및산업에이용
농업에서의미생물 (1) 반추동물 ( 소를포함한초식동물 ) : 위 ( 위 ) 가 4~5 방으로나뉘어있음 : 첫째위에서세균을이용하여섬유질 ( 셀룰로오스 ) 분해 (2) 생물농약 : 미생물을이용하여살충제나제초제로사용 : 대표적인예, Bacillus thuringiensis ( 세균, 살충효과 ) <Genetically Modified (GM) Food>
산업에서의미생물 (1) 식품제조에이용 - 생균제 : 유산균 ( 요거트 ), 효모 ( 빵, 맥주 ), 김치, 된장 - 화합물 : 에탄올 ( 맥주, 소주 ), 구연산 ( 드링크류 ), 초산 ( 식초 ), 아미노산 ( 라이신, 사료 ), 향미증진제 (MSG), 핵산 ( 조미료 ) 자일리톨, 에리스리톨 ( 감미료 ) - 단백질류 : 탄수화물분해 ( 전환 ) 효소 (amylase, 전분당제조 ) 포도당이성화효소 (glucose isomerase, 고과당시럽제조 ) 펙틴분해효소 (pectinase, 주스제조 )
산업에서의미생물 (2) 생활용품제조에이용 - 생균제 : 폐수처리 (bioremediation, 유기물분해 ) - 화합물 : 젖산, 숙신산, PHB ( 생분해성플라스틱원료 ) - 단백질류 : 지방분해효소 (lipase, 세제 ), 단백질분해효소 (protease, 세제, 연육효과 ) [ 생분해성플라스틱의예 ] [ 포항제철페수처리시설 ]
미생물학의역사
1) 초기 17 세기전 o 경험과관습에의해미생물을이용하였지만그존재를알지못함 ( 발효유, 포도주, 맥주, 빵등 ) o 미생물을관찰하는적당한도구의부족으로제한됨 로버트훅 (Robert Hooke) o 1665 년복합광학현미경을조립하고얇게썬코르크관찰 o 세포 (cell) 라는새로운용어를만듬 안톤반레벤훅 (Anton van Leeuwenhoeck) o 1673 년자작의단일렌즈현미경으로살아있는미생물최초관찰 o 빗물, 하수, 오염수등관찰 - 최초의미생물관찰 Antony van Leeuwenhoek Leeuwenhoek 이만든현미경
2) 자연발생설과생물속생설 ( 생물의발생설 ) 자연발생설 o 그리스의이리스토텔레스시대로부터르네상스 (18 세기 ) 까지많은과학자들이 " 살아있는생물체는무생물체로부터저절로발생한다 라고믿음 - 구더기는썩은고기에서발생한다. - 개미는꿀에서발생한다 o John Needhan : 끓인육즙에서밀폐해주어도며칠후에미생물이자연적으로발생 o 자연발생설의견해로 18 세기까지미생물학은거의답보상태 생물속생설 ( 실험세균학의태동 ) o 생물체는다른생물체로부터만발생할수있다 는생각 o Francesco Redi 1668 년구더기는썩은고기에서저절로발생하지않음을증명 o Lazaro Spallanzani 유기물의부패는자연적으로생기지않고세포분열에의해증식하는작은생물의의해서일어난다는것을실험적으로보여줌 o Schwann 과 Tyndall 열처리된배지에서부패가일어나는것은공기중의미생물때문
3) 논쟁의종지부 o Louis Pasteur 의실험 배양에서뿐만아니라직접적인현미경관찰로공기중에미생물이존재하는것을보여줌 발효를시작할때나멸균된배지가부패될때미생물이존재하는것을보여줌 공기는들어가지만미생물은목부분에서걸러지는백조목플라스크를고안 포도주제조시산패의원인밝혀냄 : 발효 - 효모, 산패 세균 발효가끝난후 60 에서 30 분가열 세균사멸 오늘날이용되는저온살균법발견 무균기술개발 : 원하지않는미생물에의한오염을방지 "Omne vivum e vivo"( 모든생물은생물로부터발생한다.) Louis Pasteur Pasteur 의 goose-neck flask 미생물학에대한파스퇴르의공헌 효모의혐기적알코올발효를발견, 발효의개념확립 저온살균법 (Pasteurization) 개발 누에병원균 3 종류확인, 질병의원인이미생물임을밝힘 광견병 ( 공수병 ) 백신개발
4) 황금기 (1857 1914 년 ) 질병의병원균설 o 그때까지질병은신의징벌, 독성증기, 저주, 마력등에의해일어난다고생각했으나미생물학의발전으로질병은미생물에의해일어난다고생각하게됨 Agostino Bassi(1835) 곰팡이가누에병을일으킴을발견 o Ignaz Semmelweis(1840) 분만열 (childbirth fever) 은손을소독하지않은의사에의해다른사람에게전염됨을증명 o Joseph Lister(1860) 수술에의한상처처리에소독제를사용하여감염율을크게낮춤 o Robert Koch 와그동료들 (1876) 최초로특정한세균이질병을일으킴을증명하고하나의미생물이하나의특정한질병을일으킨다는 " 병원균설 (Germ theory )" 을확립 세균의순수분리법, 염색법등미생물연구방법확립 탄저병균, 콜레라균, 결핵균, 티프스균등다양한병원균발견 Robert Koch
Koch 의가설 : 특정미생물이특정질병을유발시킨다 1. 해당미생물은병에걸린동물속에항상존재하고, 건강한동물속에는존재하지않는다. 2. 해당미생물은동물의체외에서도순수배양되어야한다. 3. 배양된미생물을감수성이있는동물에재접종하면특정질병증상이나타나야한다. 4. 해당미생물은실험동물로부터재분리되어야하고, 실험실에서재배양될수있어야하며, 배양된미생물은원래미생물과동일하여야한다.
Koch 와질병발생설 : Koch 의가설
Koch 의순수배양 : 1. 미생물이질병의원인이된다는것을밝히기위해서는한종류 (pure) 의미생물만이배양액내에존재하도록해야한다. 즉, 배양액이순수해야한다. 2. 세균을배양하면세균집락이발생하고, 각집락은독특한모양과색을가지고있다. 3. 이와같은집락은순수배양 (pure culture) 된것이다.
5) 화학요법시대개막 (1910 년대이후 ) o Paul Ehrlich(1910) 매독에효과가있는비소유도체인 salvarsan 개발 o Alexander Fleming(1928) Penicillium notatum 이생산하는항생물질 penicillin 발견 o Rene Dubos(1939) Bacillus brevis 가생산하는항생물질 gramidin, tyrocidine 발견 o Waksman(1943) Streptomyces griseus 가생산하는항생물질 streptomycin 발견 Alexander Fleming
6) 현대미생물학과분자생물학의발전 (1940 년대이후 ) o Beedle 과 Tatum(1941 년, 미국 ) 유전자와효소 ( 단백질 ) 와의관계해명 1954 년 1 유전자 1 효소설 (one gene-one enzyme theory) 주장 유전생화학 (biochemical genetics) 태동의계기 o Avey, McLeod, McCary(1944 년 ) 폐염쌍구균으로형질전환 (transformation) 현상발견 DNA 가유전자의화학적인본체가라는것을증명 o Watson 과 Crik(1953 년 ) DNA 이중나선구조모형제출 분자생물학 (molecular biology) 발전의계기 DNA 와상보적인 nucleotide 배열을가지는 mrna 와아미노산을운반하는 trna 의기능해명 DNA mrna 단백질이라는생물학적기본개념확립 Watson
o F. Jacob 과 J. L. Monod 유전자 (DNA) 의정보가최종적으로단백질로서발현되는기구설명 (operon 설제창 ) 유전적개념과생화학적개념을결합시켜효소생성, 제어기구해명 o M. Nierenberg 3 개의염기배열 (triplet codon) 이특정아미노산한개를지정하며이것은지구상의모든생물세포에공통이라는것을증명 o C. Kornberg 제한효소 (restriction enzyme) 를이용한유전자조작기술개발 F. Jacob J. L. Monod M. Nierenberg C. Kornberg
미생물의분류
세포에핵이 생물의분류 5 계 無 원핵생물 有 식물계동물계균계원생생물 광합성으로영양분섭취다른생물을잡아먹음다른생물이나생물의사체를분해나머지
핵 (nucleus) 의유무 - 원핵생물 (prokaryotes) vs 진핵생물 (eukaryotes) - 세포소기관 (organelles) : 미토콘드리아, 엽록체, 골지체, 리보좀 [ 원핵생물 ] [ 진핵생물 ]
원핵생물과진핵생물의비교 특징원핵생물진핵생물 핵없다핵막으로싸여있음 소기관없다다양한형태로존재 DNA 구조 엽록소 한개의고리형형태 DNA 를감싸는단백질이없음 존재한다면, 원형질막에녹아있음 리보좀진핵생물보다작음. 세포질에산재해있음 세포벽일반적으로존재. 복잡한화학구조 복제및생식 이분법으로의해분열유성생식은매우드믐 핵안에몇개의염색체가있음. DNA 가구조단백질 (histone) 으로감싸여있음 있다면, 엽록체의막에존재 원핵생물보다큼막에붙어있거나산재해있음 유무는종에따라다름복잡한화학구조 유사분열유성생식이일반적 예세균, 시아노박테리아.. 진균류, 원생동물, 식물, 동물, 사람, 나머지생명체
세균 (bacteria) - 약 35억년전부터지구상에분포 ( 사체의재순환 ) - 다양한환경에서도존재 ( 북극, 남극, 해저, 화산지역, 사막등 ) - 핵 ( 핵막 ) 이없음 - 분류 : 구형, 막대형, 나선형 - 영양소요구성 / 비요구성, 산소요구성 / 비요구성 - 다양한분야에이용되는이로운 (?) 미생물 ( 예 ) 콩과식물에질소원제공 ( 질소고정미생물, 공기중질소를고정 ) - 질병에관여 [ 장내세균 ] [ 대장균 ]
바이러스 (Virus) - 유전자 (DNA/RNA)+ 단백질외피 (coat protein) - 자체증식불가능, 생명현상이일어나지않음 - 숙주내에서생장, 숙주세포파괴 - 감염성질병의원인 : 독감, AIDS
원생동물 (Protozoa) - 핵 (nucleus) 을보유 - 세포질에초미세세포구조물보유 - 편모 / 섬모, 광합성등
조류 (Algae) - 단세포광합성미생물 - 담수 / 해수에서생장 ( 대부분해수에서발견 ) - 규조류 (diatoms), 쌍편모조류 (dinoflagellates) : 해양먹이사슬의토대 - 단세포단백질 (single cell protein) : 식품으로이용되는조류 - 바이오에너지생산에이용
균류 (Fungi) - 지구상에서가장대표적인유기물분해자 - 다량의효소를분비하여복합체를분해 - 영양분자를세포막을통해서흡수 - 균사 (hyphae, 세포와뒤엉킨사슬 ), 균사체 (mycelium, 균사의망상구조 ) - 일반적곰팡이 (mold) 는균사체를의미 - 효모 (yeast) : 균사가없는단일세포의균류 [Filamentous fungi: Aspergillus niger] [Budding yeast: Saccharomyces cerevisiae]
명명법 (Nomenclature) - 생명표본에이름을붙이는체계 - 1700 년대칼로스린네에의해서처음사용 영역 (Domain) : 생물체 계 (Kingdom) : 동물계, 식물계 문 (Phylum)-( 동물 + 동물성미생물 ), 류 (division)-( 식물 + 식물성미생물 ) 강 (Class) 목 (Order) 과 (Family) : 고양이과 ( 사자 ( 고양이속 ), 팬더 ( 팬더속 )) 속 (Genus) : 고양이속 ( 집고양이, 사자, 호랑이등 ) 종 (Species) : DNA가 70% 이상동일
대표적인명명법 : 이명법 - 속명 + 종명 (+ 명명자의이름 ) - 속명의첫문자는항상대문자 - 속명과족명은반드시이탤릭체또는밑줄 - 두번이상지면에나올경우속명의첫대문자이후 콤마 를사용하여줄인단어를사용 ( 예 ) 대장균 (Escherichia coli, E. coli ) 맥주효모 (Saccharomyces cerevisiae, S. cerevisiae) 인간 (Homo sapiens Linne, H. sapiens Linne)
미생물의크기 - 측정단위 : 마이크로미터 (micrometer, μm, 10-6 m) 세균이상의크기나노미터 (nanometer, nm, 10-9 m) 바이러스, 세포내기관의크기
- 1620 년대완전한현미경의제작 ( 갈릴레오갈릴레이, 천문학자 ) - 안톤반퀴벤호크는최초로세균을자세히묘사
총배율 = 접안랜즈확대비율 x 대물랜즈확대비율
광학현미경 (light microscope)
위상차현미경 (phase contrast microscope) 관찰물질의회절 (diffraction) 에의한위상차이용 ( 용도 ) 명시야 (BF: Bright-field)) 상과암시야 (DF: Dark-field) 상관찰
형광현미경 (fluorescence microscope) 관찰물질의형광 (fluorescence) 염색을이용 ( 용도 ) 세포의내부구조관찰 ( 실시간, 삼차원관찰 : 공초점현미경 )
투과전자현미경 (Transmission electron microscope) TEM 생물절편같은엷은시료를전자선 (electron beam) 을전자렌즈 (electron lens) 로확대하는현미경
주사전자현미경 (Scanning electron microscope) SEM 가는전자선을시료에조사하면시료로부터 2 차전자등이방출. 이전자프로브를음극선관 (CRT) 위에밝기의변화로서상을나타내는장치
미생물세포의형태와구조
미생물 : 하나의미생물세포는독립된세포이다. 원핵생물 (prokaryotes) : Pro 원시적 + Karyo 핵 : 원시적생물 세포내구조가거의없는단세포생명체 지구를변화시킨세균 (1) 메탄합성세균 : 산소가없는대기환경에서수소와이산화탄소로메탄합성 (2) 광합성세균 (cyanobacteria) 1) 태양에너지로이산화탄소를탄수화물로전환 2) 광합성을통한산소생성 ( 지구산소농도 1% 21%) 다양한역할 (1) 생태계의유지, (2) 유용산물의생산, (3) 전염성질병의원인 ( 콜레라, 흑사병, 장티프스, 메독 ) 자색세균 ( 좌 ): 지구최초의광영양체 시안세균 ( 우 ): 지구최초산소방출광영양체
Life system 1. Envelope 2. Metabolism 3. Reproduction
모든세포성생물체 : 물질대사 (metabolism) 를수행한다. plasmid 편모, 섬모 세포생물의특성 분화와운동성이모든미생물의특징은아니다.
세포 : 화학적변형을일으키는화학적기계로간주된다. 화학반응을촉매하는효소 (enzyme, 단백질 ) 가필요 세포 : 유전정보 (DNA) 를저장하고처리하는암호장치이다. 세포의기계장치와합성기능. 세포가자신을복제하기위해갖춰야할것 1. 새로운거대분자를합성하기위한적절한에너지의공급 2. 분열된각각의세포가받을유전정보의복제 3. 새로운세포를만들기위해필요한적절한양의단백질과다른거대분자들을만들기위한유전자발현 ( 전사, 번역과정 )
세포로서의미생물 : 세포 (cell) 는모든생명체의기본단위이다. 단일세포는세포막 ( 벽 ) 에의해다른세포와분리된하나의실체이며내부에다양한화학물질과세포소기관이존재한다. 세포의주요화합물 (4): 단백질 (protein), 핵산 (nucleic acid), 지질 (lipid), 다당류 (polysaccharide) 세포의주요구조물 : 세포막, 세포질, 핵 ( 핵양체, DNA 저장소 ), 리보솜 ( 단백질합성 )
1. 세균의형태세균의형태는영양과배양조건에따라차이 - 구균 coccus, spherical shape bacteria - 간균 bacillus, rod shape bacteria - 나선균 spiral shape bacteria
1) 구균 (coccus) Monococcus( 단구균 ) : 분열후세포가각각떨어져서존재 diplococcus ( 쌍구균 ) : 분열후 2개씩연결 Diplococcus pneumoniae pediococcus, tetracoccus ( 사련구균 ) : 2 방향으로분혈 Pediococcus halophilus Sarcinacoccus ( 팔련구균 ) : 3방향으로분열 Sarcina flava Streptococcus ( 연쇄상구균 ) : 한방향으로만분열하며길게연결 Sc lactis Staphylococcus ( 포도상구균 ) : 분열방향이불규칙하여포도송이와같은모양 Staphy aureus
2) 간균 (bacillus) 단간균 (shirt rod) : 길이가폭 2배이하인것 Escherichia coli, Brevibacterium속장간균 (long rod) : 길이가폭 2배이상인것 Lactobacillus bulgaricus 연쇄상간균 (streptobacillus) : 간균이한방향으로길게연결된것 Coryne형 : 세포가 V.Y.L자모양으로연결각형 : Bacillus anthrasis 예각 : 초산균가성분기 : Sphaerotilus 균초에싸여있음. sheath 방추형 : Clostridium속주걱형 : Clostridium속 C. tetani
3) 나선균 (spirillum) 호균 (vibrio): Comms type( 짧은쉼표모양 ) 의 Vibrio 만곡형나선균 (Spirillum ): S자형긴나선형 Spirochaete : spirosoma : 파상형 treponema : 심한만곡 leptospira : coil 모양
2. 세균의크기 (Sizes of Bacteria) 배양조건이나배양시기에따라세균의크기는다르다. 비중은물보다크다. : E. coli-1.07 일반적으로 Young cell > Old cell
Size-Shape Relationship important for nutrient uptake surface to volume ratio (S/V) small size may be protective mechanism from predation
Metric Units of Length Unit Abbreviation Value 1 centimeter 1 millimeter 1 micrometer 1 nanometer 1 angstrom 1 picometer cmmmμmnm A pm 10-2 meter 10-3 meter 10-6 meter 10-9 meter 10-10 meter 10-12 meter
smallest: 0.3 μm (Mycoplasma) average rod: 1.1~1.5 x 2~6 μm (E. coli) very large: 600 x 80 μm (Epulopiscium fishelsoni) - Firmicutes에속함
원핵생물과진핵생물의공통구조요소 1. 세포막 (cytoplasmic membrane): 세포내. 외부분리장벽 2. 세포질 (cytoplasm): 세포막으로둘러싸인세포내부 원핵세포 3. 리보솜 (ribosomes): 세포의단백질합성공장 리보핵산 (RNA) 과다양한단백질로이루어진특이적인구조물 4. 세포벽 (cell wall): 세포에구조적강도를부여 세포막보다훨씬더강한층. 식물세포와대부분의미생물 진핵세포
원핵생물과진핵생물의비교 특징원핵생물진핵생물 핵없다핵막으로싸여있음 소기관없다다양한형태로존재 DNA 구조 한개의고리형형태 DNA 를감싸는단백질이없음 핵안에몇개의염색체가있음. DNA 가구조단백질 (histone) 으로감싸여있음 엽록소존재한다면, 원형질막에녹아있음있다면, 엽록체의막에존재 리보좀 진핵생물보다작음. 70S (50S/30S) 세포질에산재해있음 세포벽일반적으로존재 ( 일부 -) 복잡한화학구조주요성분 : Peptidoglycan 복제및생식 이분법으로의해분열유성생식은매우드믐 원핵생물보다큼. 80S (60S/40S) 막에붙어있거나산재해있음 유무는종에따라다름복잡한화학구조주요성분 : Chitin or cellulose 유사분열유성생식이일반적 예세균, 시아노박테리아.. 진균류, 원생동물, 식물, 동물, 사람, 나머지생명체
구조기능화학조성분 편모 (Flagella) 운동력단백질 (flagellin) 섬모 (pili) 협막 ( 또는점질층 ) 세포벽 (Cell wall) 유성적인접합과정에서 DNA 의이동통로와부착기관 건조와기타유해요인에대한세포의보호 세포의기계적보호 단백질 (pilin) 다당류나폴리펩타이드중합체 Gram 양성균 : peptidoglycan, teichoic acid Gram 음성균 : peptidoglycan, lipopolysaccharide, lipoprotein 세포외피 (cell envelope) - 3겹구조 ( 세포막, 세포벽, 외각층 ) 세포질구조 (cytoplasm) 세포부착물 (appendage): 편모, 섬모 세포막 (plasma memebrane) 원형질 (periplasmic space) 메소좀 (mesosome) 투과및수송능 세포의호흡능이집중된부위로추정 단백질과지질 단백질과지질 리보좀 (ribosome) 단백질합성대부분 RNA 와단백질 세포함유물 ( 또는액포 ) 영양원의저장, 축적 핵 (Nucleoid) 세균세포의유전 (genome) 대부분 DNA 변화가심하나대개탄수화물
1. 세포막 -지질이중층 ( 인지질 ) -단백질과지질로구성 -> peripheral protein -> integral protein -기능 : 형태유지, 투과장벽, 대사작용, 수용체분자
2. 세포벽 (cell wall) -단단한껍질 -세포의모양유지 -병원성의원인 ( 일부 ) -Peptidoglycan이주성분 -> gram+ : 2 층 -> gram-: 3 층
β-lactam 계항생제 세포벽합성저해
1. 시료처리및염색 1-1. 고정 (fixation) : 세포의내외부구조를보존하여 slide에부착 * 물리적고정 -Slide에세균도말-> 건조-> 열처리 -전체적형태유지, 내부구조변형 * 화학적고정 -세포내부구조형태유지 -화학고정액사용-> 단백질, lipid, 탄수화물과반응 -> 분자활성정지 -> 불용화, 고정화 -Ethanol, Acetic acid, Formaldehyde, Glutaldehyde
1-2. 염색 1) 단순염색 : 발색기 (Chromophoregroup) 을가진염료가세포와결합 염기성염료 (basic dye) -Methyleneblue, Basic fuchsin, Crystal violet, Safranin -positively charged dye -negatively charged molecule 과결합 ( 핵산, 단백질..) -bacteria 표면-> negatively charged 산성염료 (acid dye) -Eosin, Rose bengal, Acid fuchsin -negatively charged group (carboxyl, phenol) -세포의양전하부분에결합 2) 분별염색 (differential staining, Gram staining) -덴마크의사Christian Gram 개발, 1884년 -염색특징에따른세균분류-> Gram 양성 or Gram 음성
3. 세포질 -세포막과핵양체사이의물질 -대부분물로구성 -inclusion body, vacuole, ribosome 함유 inclusion body - 물질저장-> 세포의영양상태에따라수변화 gas vacuole - 내부공기주머니 -부력제공-> 미생물이동조절 ribosome - 단백질 + RNA의복합구조 - 단백질합성 -> 세포질내 ribosome -> 세포내재단백질세포막부착 ribosome -> 세포외분비단백질 - 70S ribosome ( 진핵세포 : 80S)
4. Nucleoid( 핵양체 ) -유전물질보관장소 -불규칙한모양 -단일한환상의이중나선 DNA -일반적으로세포막에연결 -> 세포분열시막의역할-> DNA분리 -60%:DNA, 30%:RNA, 10%:protein * Plasmid -염색체이외의환형이중나선DNA 분자 -자손에게복제유전 -성장생식에비필수적 -세균숙주에선택적이점제공 -> 약물내성, 새로운대사능력 이종세균에침입가능
5. 세포외부구성요소 1) Capsule( 협막 ) -조직화되어있으며세포에부착되어있음 -숙주식세포의식균작용으로부터보호 -물분자포함-> 건조방지 소수성독성물질침투방지 ex) detergent 일반적으로다당류로구성 2) Slime layer - 넓게퍼져있으며특정구조없음 - 쉽게제거가능 3) Glycocalyx - 세포표면에서외부로퍼져있는다당류의망상구조 - 세포의부착 ( 고체, 조직 ) 을도와줌
5. 세포외부구성요소 4) Fimbriae -얇고운동성과관계없음 -고체부착관련 5) Pili(Sex pili, pilus) -1-10개/cell -세균접합과정에관여-> 유전정보전달 -fimbria 보다크다 6) Flagella(flagellum, 편모 ) - 세포운동에관여 -15-20um