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gm 미생물



‘경험으로부터의 DNA’첫번째 : 전통 작물육종과 유전자변형기술 두번째 : 전통 동물육종과 유전자변형동물 세번째 : 유전체 시대의 미생물산업 유전체 시대의 미생물산업■ 글 : 오태광/교육과학기술부 21세기 프론티어 미생물유전체활용기술개발사업단장 수 천년을 거쳐 온 발효의 비밀   미생물의 존재는 1673년, 네덜란드의 안토이 반 레벤후크(Antonie van Leeuwenhoek)가 제작한 현미경에 의해 처음 발견되었다.

그리고 약 200년 후인 1864년, 루이 파스퇴르(Louis Pasteur)에 의해 발효나 부패는 자연적으로 발생하는 화학적 현상이 아닌 ‘아주 작은 생물’ 즉, 미생물에 의해 일어난다는 것이 발견되었다.

사실 사람들은 레벤후크가 미생물의 존재를 발견하기 전부터 포도주, 맥주, 치즈, 된장, 김치 등과 같이 미생물에 의한 발효식품을 이용해왔다.

성서 노아시대의 포도주, 그리스로마신화에서 나오는 술의 신, ‘박카스’의 포도주, 이집트 신화의 맥주 등에서 보듯이 발효의 역사는 선사시대 이전으로 추정된다.

  항생제, 세제 생산에 이용되어 온 효소 미생물산업은 미생물이 생산하는 효소를 식품에 이용하면서 발전하였고, 1894년 일본인 다카미네 조키치가 코오지(koji) 배양법에 의해서 곰팡이를 통한 아밀라아제 생산의 상업화에 성공하면서 본격적으로 대량생산이 가능하게 되었다.

  20세기에 들면서 독일의 오토 룀(Otto Rohm)가 미생물의 효소를 세제나 피혁 가공에 이용하는 기술을 개발하였다.

또한 미국의 레오 월터스텐(Leo Waltersten)는 효소를 이용하여 낮은 온도에서 맥주의 성분들이 응고되어 가라앉는 혼탁을 제거한 맥주(chill proofing)를 개발하였다.

이처럼 미생물 효소의 산업적 수요가 점점 확대됨에 따라 관련 연구투자가 활발히 이루어지기 시작하였다.

  하지만 실제적인 미생물산업의 확대는 당시 박테리아로 인한 병에 있어 기적의 치료제로 불리던 페니실린이 1929년 알렉산더 플레밍(Alexander Fleming)에 의해서 발견된 후인 1950년대 후반, 산업적 생산을 위해 2층 건물 크기의 10만 리터 규모의 대형 발효조에서 이 페니실린을 생산하는 푸른곰팡이(Penicilium notatum)를 대량생산하기 시작한 때부터였다.

그때부터 미국에서 대형 산업화로 전환되었고, 이때부터 다량으로 발생하는 발효 후 제품을 수거하고, 폐 배양액을 처리하는 등과 같은 환경에 대한 영향도 고려되기 시작하였다.

    물 속에서 효소를 얻다?   대량의 탱크인 발효조를 이용해 액체 상태에서 미생물의 효소를 생산하는 것은 배양기술 흐름에 있어 가장 중요한 인자로 1960년대를 미생물 기술의 효시로 보고, 또 이를 제1세대의 미생물 기술 발전 단계의 시작으로 보고 있다.

1908년, 보이딘(Boidin)과 에프론트(Effront)가  바실루스 수브틸리스(Bacillus subtilis)를 액체에서 배양하여 아밀라아제를 생산하는 기술을 개발한 이후, 제2차 세계대전을 전후하여 심부배양법(Submerged fermentation)에 의해 효소를 대량생산하는 기술이 정립되어 효소산업이 미생물 산업에 중요한 분야로 대두되었다.

  제2세대는 1953년, 열이나 약물에 대한 저항성을 증가시켜 물질을 장기간 안정적으로 보존하는 방법인 효소고정화기술(Immobilization)이 성공하고 또 1969년, 글루코스 이성화효소(Glucose Isomerase)의 효소고정화 반응기를 이용해서 고과당시럽(high fructose syrup)을 생산하는 등 식품산업을 포함한 정밀화학제품의 생산에 미생물이 이용되면서 시작되었다.

이때의 미생물 생산방법은 제1세대의 심부배양법 도중 영양분이 다 소모되는 발효 중간에 미생물 배지를 다시 추가 하는 유가배양(Fed batch fermentation)법으로 발전하였고, 미생물자원도 배양시간이 짧은 세균을 많이 택하게 되었다.

  물에서 벗어나다! GM미생물을 통한 신물질 생산 제3세대는 1977년, 물을 사용하지 않는 비수계 효소 반응합성이 성공하고 1988년, 비수계 효소반응기가 실용화되면서 활성화되었다.

이때는 주로 특정 유전자를 대장균, 효모 등의 미생물에 도입하거나 유전자가 변형된 미생물을 발효에 이용함으로써 효소나 의약용 단백질을 보다 효율적으로 생산하고자 하였다.

   대사과정을 예측하고, 유전자를 부품처럼 이용하기 시작하다!   1996년, 미생물 헤모필루스 인플루엔자(Haemophillus inflenzae)의 유전정보가 완전히 서열화(Sequencing)된 후, 2000년대에 들어서면서 미생물의 유전체 해독능력이 급격히 증가함에 따라 2010년 4월 기준 완전히 유전체 해석된 1,250개와 현재 해독 중인 4,200개를 합한 5,450개의 유전체가 해독되거나 해독 중에 있다.

제1세대에서 3세대까지는 주로 미생물의 대사산물(Metabolite)의 합성에 중요한 효소를 생육시킨 생물체에서 분리해 생산한 데 비해서 제4세대에는 해독된 미생물의 유전정보에서 다양한 효소 또는 대사공정을 사전에 탐색할 수 있는 시스템이 보편화되기 시작하였다.

이에 따라 아미노산, 비타민 등의 중요한 산업소재를 적어도 80

100g/L 수준으로 대량생산할 수 있는 미생물의 등장으로 소재의 범위가 더욱 확대되었으며, 사실 이를 통해 상당히 많은 산업적 유기합성 공정이 미생물 공정으로 대체되기도 했다.

  또한 최근에는 바이오부품(biobricks), 인공세포(artificial cell)과 같은 신개념의 합성생물학(Synthetic biology) 분야에 응용되면서 의학, 식품, 당류, 분석, 세제, 섬유, 펄프, 동물용, 화학 및 화장품 이외에 에너지 분야에도 광범위하게 사용되는 바이오리파이너리(Biorefinery) 분야까지 확대되고 있다.

            미생물을 통해 유용물질을 보다 효율적, 보다 많이 생산하고자 한 노력은 미생물의 유전정보를 바탕으로 원하는 물질만을 생산하도록 하는 유전자를 가진 생명체의 탄생으로 이어지고 있다.

    미생물 유전체 시대의 유전자재조합기술 제3세대 미생물 기술의 대표하는 유전자재조합(GM)기술은 1973년 미국의 스탠포드대학교 코헨과 보이어박사가 최초로 개발한 이후, 1980년대부터 사람에게 유용한 물질이나 기능이 향상된 GM미생물, GM작물, GM동물 등을 생산하는데 보편적으로 사용하기 시작하였다.

초기의 GM기술은 1978년, 인간의 인슐린 유전자가 삽입된 GM대장균에서 인슐린을 제조하는 데 성공하면서 이루어졌고 1990년, 치즈를 만드는데 사용해왔던 응유효소 키모신을 송아지 위가 아닌 GM미생물에서 생산이 가능해지면서 치즈 생산이 확대되었다.

또한 1993년, 미국의 몬산토사가 GM미생물을 통해 생산한 소의 성장호르몬(BST)이 미국 식품의약국(FDA)에 허가되면서 붐을 타기 시작하였고, 1995년 1월에는 미국에서 세계 최초의 유전자재조합백신이 상품화되면서 GM미생물의 개발이 가속화 되었다.

현재는 호르몬, 항체, 생체기능 단백질 등이 미생물을 이용한 GM기술에 의해서 생산하고 있고 상품화되었다.

이외에도 제초제에 영향을 적게 받거나 해충에 강한 미생물의 유전자를 유채, 대두, 목화, 옥수수, 감자, 목화, 쌀과 같은 작물에 삽입하는 등 농업 분야에서도 상품화되어 우리의 식탁에도 오르고 있다.

  산업적 이용을 위한 안전성 검증 필요  한편 유전자재조합(GM) 미생물을 이용하여 최종제품을 생산하는데 있어 대두될 수 있는 안전성 문제는 크게 두 가지 이다.

첫째로는 현재 가장 많이 이용되고 있는 GM미생물의 개발이나 산업화에서 나타나는 안전성 문제이고, 두 번째 문제는 미생물이 생산한 고분자 및 저분자 물질의 허가와 사용에 관한 제품의 안전성 문제이다.

위의 두 가지 안전성 문제는 이미 국내적으로나 국제적으로나 주목의 대상이 되는 문제로 이에 대한 충분한 사전고려가 반드시 필요한데, 사실 두 가지 모두 법적 규제체계가 마련되어 있거나 마련 중에 있는 현실적인 문제이다.

첫 번째 안전성 문제의 경우 실제로도 특정 GM미생물을 산업화 하거나 또는 수출입하기 위해서는 인체위해성 및 환경위해성을 시험 평가하여야 하고, 산업화 이전의 연구개발 단계에 있어서도 연구시설의 안전관리체계가 갖추어져 이에 대한 신고 혹은 허가가 필요하다.

  두 번째의 안전성문제인 미생물 생산물의 허가와 사용에 관한 제품의 안전성 문제를 살펴보면 미생물이 생산한 최종제품은 정밀화학소재용 특수 기능성 효소, 혁신적인 발현시스템을 기반으로 한 유전자재조합 의약품 등 고분자 물질이 될 수 있으며, 또한 대사과정이 재설계된 고기능성 미생물을 이용한 유용 대사산물 등 저분자물질이 될 수 있다.

이러한 고분자 및 저분자의 미생물 생산물을 제품으로 산업화하기 위해서는 최종제품 및 그 원료에 대한 안전성 검증이 필요하며, 이는 그 제품의 용도와 출처에 따라 법적으로 반드시 수행하여야 할 항목이 결정되어 있다.

 결론적으로 GM미생물을 이용한 최종제품을 생산하기 위해서는 GM미생물에 대한 안전성 검증과 미생물의 생산물인 고분자 및 저분자 물질에 대한 안전성 검증을 모두 고려해야하며, 이에 대한 현실적이고 법적인 대처방안의 마련도 반드시 필요하다고 볼 수 있다.

■ 오태광 단장은 서울대학교 농과대학을 졸업하고 동대학원에서 미생물효소학으로 박사학위를 받았다.

현재는 교육과학기술부 21C 프론티어 미생물유전체활용기술개발사업단장직과 2010년 한국과학기술한림원 정회원, 농림수산식품부 간사 및 녹색과학기술 위원회 위원직을 역임하고 있으며, 한국미생물생명공학회 부회장으로서도 활동하고 있다.

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2. 비록 이런 이식유전자가 식품에서 발견되지 않더라고, GM(유전자변형)처리는 여전히 위험을   수반한다.

3. GM(유전자변형)단백질은 건강에 좋지 않을 수 있고, 성질을 변형시키며, 예상치 못한 방식으로   화합물과 반응한다.

4. 유전자삽입과정은 미생물의 정상적인 유전자 발현을 방해할 수도 있다.

   > 원본글(영어) └ 접기   출처 : The Institute for Responsible Technology 번역 : 베지파파  미생물학 입문 1.1 미생물학 ○미생물학의 2대 주제  ⑴생명현상의 이해   -미생물(microbe, microorganism)(그림1.1)은 세포로 이루어진 생물체에서 일어나는 과정을 이해하는데 있어 훌륭한 모형(모델, model)→기초생명과학(basic life science)  ⑵실생활에 응용   -의학, 농업, 산업 분야에 응용하여 인간생활에 도움→응용생명과학(applied life science) ○미생물의 중요성  -지구상에서 가장 오래된 생물체  -지구상에서 생물량(생체량, 바이오매스, biomass)이 가장 많은 생물체  -생물지구화학적 물질순환(biogeochemical cycle)의 핵심 역할  1.2 세포로서의 미생물  -세포(cell)(그림1.2)   *생명체(life)의 기본 단위   *막으로서 주변환경과 분리되어 있지만, 주변환경과 끊임없는 상호작용을 하고 있는 역동적이며 개방된 구조 ○세포화학 및 주요 구조  -세포를 구성하는 4대 고분자(macromolecule)   *단백질(protein), 핵산(nucleic acid), 지질(lipid), 다당류(polysaccharide; 탄수화물, carbohydrate)   *세포 건조중량의 95% 이상 차지 ○세포의 주요 구조  -세포막(cytoplasmic membrane, cell membrane) : 세포의 경계  -세포질(cytoplasm): 세포를 채우고 있는 액체  -핵(nucleus) 또는 핵모양(nucleoid) : 세포의 성장과 기능에 필요한 유전체 즉 DNA 저장  -리보솜(ribosome): 세포의 성장과 기능에 필요한 단백질 합성  -세포벽(cell wall): 세균이 가지고 있으며 세포모양 유지 ○생물체의 특성(그림1.3)  ①대사(metabolism): 구획화된 공간에서 영양소를 화학적으로 변화시킴  ②생식(reproduction; 생장, growth): 자손을 번식시키며 세포구조물을 재생  ③분화(differentiation): 세포를 변형시켜 새로운 물질이나 구조 합성(일부 미생물만)  ④연락(communication): 화학신호를 통하여 연락(일부 미생물만)  ⑤운동(movement): 운동기관을 이용  ⑥진화(evolution): 오랜 시간에 걸쳐 자손은 생존에 유리한 방향으로 유전형질 획득 ○기계 및 암호장치로서의 세포(그림1.4)  -세포는 기계와 암호장치의 두 기능을 가진다.

  ⑴효소(enzyme)를 촉매로 하여 영양소를 생물고분자와 에너지로 변형시키는 생화학적 기계   ⑵DNA(deoxyribonucleic acid)에 유전암호를 저장하면서 자손에게 전달하는 암호장치  1.3 미생물과 자연환경  -미생물은 자연계에서 생식을 통하여 둘 이상의 개체(individual)가 모인 집단(개체군, population)으로 서식  -미생물 집단이 살고 있는 자연환경을 서식지(habitat)  -서식지에서 미생물은 여러 집단이 모여 군집(community)을 이루어 서로 상호작용을 하며 살고 있다(그림1.5)  -생태계(ecosystem)이란 생물체와 생물체가 서식하고 있는 주변환경을 말한다.

 -미생물생태학(microbial ecology)은 생태계의 미생물을 연구하는 학문으로서, 미생물과 주변환경과의 상호작용(interaction)을 연구  -자원(영양소)과 환경조건(서식지)에 따라 미생물 다양성과 풍부도가 결정  -미생물군집의 활성도는 서식지의 물리화학적 특성에 따라 변화 ○미생물 상호작용  -미생물군집을 이루는 집단까리 서로 상호작용을 하고 있다: 협동(cooperation)과 경쟁(competition)  -미생물은 또한 주변환경과도 상호작용을 한다.

  *미생물은 서식지 환경조건에 따라 다양성과 풍부도가 결정되는 동시에, 서식지 또한 미생물 활동에 따라 변화된다 : 영양소 소모와 노폐물 배출의 결과  1.4 최초의 미생물과 미생물의 범위 ○최초의 세포  -최초의 자가복제 능력을 가진 생물체는 세포가 아니었을 것이다.

 -현존하는 세포성 생물체는 공통조상(universal ancestor)에서 유래  -최초의 생명체는 RNA 분자 즉 RNA 생명체(RNA life) : 자가복제 능력과 효소 능력을 동시에 지님 ○지구상의 시대별 생명체(그림1.6)  -지구 나이는 46억년  -최초의 세포는 38

39억년 전 탄생  -20억년 전까지 지구 대기에는 산소가 없었다.

  *원시지구 대기는 질소와 이산화탄소가 대부분   *따라서 20억년 전까지는 혐기성미생물만 존재  -10억년 전까지는 지구에서 미생물만 존재 ○미생물의 범위  -지구환경에서 미생물이 발견되지 않는 곳은 거의 없다.

 -지구상의 미생물 세포수는 5×1030, 해양과 지하에서 대부분 발견  -미생물생물량은 식물생물량과 같을 정도로 풍부  -따라서 미생물 세포는 동식물의 필수영양소(C, N, P)의 핵심 저장소  1.5 미생물이 인간에게 미치는 영향  -미생물은 인간에게 이롭기고 하고, 해롭기도 하다(그림1.7)  -인간에게 질병을 일으키는 해로운 미생물에 초점을 두고 연구  -그러나 최근 인간에게 이로운 미생물에 대한 연구 활발 ○질병인자로서의 미생물  -미생물 감염병(infectious disease)에 의한 사망자 수는 전 세기에 비해 현저히 감소(그림1.8) ○미생물과 농업  -농업생산성은 미생물 활동에 크게 좌우  -농업에 영향을 주는 미생물: 질소고정세균, 반추동물의 혹위미생물, 토양과 물에서 영양소를 재생하는 분해자 ○미생물과 식품  -해로운 영향: 식품부패  -이로운 영향   *발효: 낙농제품, 기타제품[사워크라우트, 오이절임(피클), 빵, 맥주 등 ○미생물, 에너지, 환경  -생물연료(biofuel): 메탄, 에탄올, 수소  -생물정화(bioremediation): 미생물을 이용한 오염된 환경정화 ○미생물과 유전자원  -항생제, 효소, 다양한 화학물질을 생산하는 미생물 유전자원(genetic resource) 탐색  -생명공학(biotechnology): 유전공학기법을 이용하여 미생물을 변형시켜 의약품(인슐린)과 같은 인간에게 유용한 물질 생산 ○직업으로서의 미생물학  -임상의학  -연구개발: 제약, 화학, 생화학, 생명공학  -자연계에서 극히 작은 것의 역할을 무한정이다-파스퇴르  Ⅱ. 미생물학 발달사 1.6 미생물학의 역사적 뿌리  -질병 기?c설   ①신벌설(천벌설, theurgical theory): 신이 내린 형벌(고대)   ②독기설(miasma theory: 오염된 나쁜 공기 즉 독기가 몸에 들어가서 발병, 히포크라테스의 주장(중세)   ③접촉전염설(미생물병인설, contagium theory): 병에 걸린 사람과 접촉하면 발병(근대)   ④삼요인설이나 다요인설: 병원체, 숙주, 환경의 세 요인이 질병의 원인, 특히 암의 원인은 여러 가지(현대)  -후크(1665): 곰팡이 균사를 현미경으로 처음 관찰(그림1.9)  -레벤후크(1684): 세균을 현미경으로 처음 관찰, 소동물(animalcule)이라 명명(그림1.10)  -콘: 사상세균(그림1.11), 열에 대한 내성이 강한 세균의 내생포자(endospore) 발견(1876)  1.7 파스퇴르와 자연발생설의 몰락 ○광학이성체와 발효  -파스퇴르는 생물체가 광학이성체(optical isomer)를 식별한다는 사실 발견(그림1.12)  -알코올발효는 효모라는 미생물에 의한 반응임을 확인(1860) ○자연발생설(spontaneous generation)의 몰라(1864)  -자연발생설이란 생물체는 무생물에서 자연적으로 생긴다는 가설  -파스퇴르의 백조목 플라스크를 이용한 실험에서 자연발생설 종지부  -부패된 식품에서 미생물과 구더기가 생기는 것은 자연발생된 것이 아니라 공기 중의 미생물에 의해 오염된 결과(그림1.13)  -식품의 저온살균법(파스퇴르살균법, pasteurization) 발견 ○파스퇴르의 다른 업적들  -탄저병, 닭콜레라, 광견병 백신 개발(1885)  -파리에 파스퇴르연구소 설립(1888)(그림1.14)  1.8 코흐, 감염병, 순수배양  -질병과 미생물의 연계성은 의사인 코흐에 의해 실험적으로 증명 ○질병에 대한 미생물설과 코흐가설  -미생물설(배종설, germ theory)   *미생물에 감염된 결과 감염병을 앓는다.

  *탄저병과 결핵의 원인이 되는 세균 검출  -코흐가설(Koch's postulates)(1884)(그림1.15) ○코흐와 순수배양(1881)  -순수배양(pure culture): 한 종류의 미생물만을 배양하는 기술  -감자를 사용한 고체배지에서 세균의 순수배양을 최초로 성공시킨 후, 젤라틴을 거쳐 현재의 고체배지인 우무(한천, agar)까지 개발  -1905 노벨 생리의학상 ○코흐의 가설 검증: 결핵  -결핵균(Mycobacterium tuberculosis) 발견  -항산성염색으로 결핵균 현미경 관찰하고 순수배양 성공(그림1.16) ○오늘날의 코흐가설  -적당한 실험동물을 사용하면 코흐가설은 비교적 손쉽게 증명  -그래서 현대 병원미생물학에서도 코흐가설은 “귀중한 표준(gold standard)"로 평가  -하지만 코흐가설을 충족시키지 못하는 감염병도 많다.

  *콜레라균(Vibrio cholerae), 리케챠(rickettsia) 병, 클라미디아(chlamydia) 병 등   *적당한 실험동물이 없다(실험동물에서는 질병을 일으키지 않는다)   *배양할 수 없다(배양불가능미생물)  1.9 미생물 다양성과 일반미생물학의 등장  -일반미생물학(general microbiology): 의학분야을 제외한 미생물학, 20세기부터 시작 ○바이예린크(바이제링크)  -증균배양(농화배양, enrichment culture) 기술 개발  -질소고정세균(Azotobacter chroococcum)을 적절한 영양소와 배양조건을 적용하여 증균배양 성공(그림1.17)  -토양에서 황산염환원세균, 황산화세균, 질소고정뿌리혹세균, 유산균(젖산균, lactobacillus), 녹조류, 호기성세균들을 순수배양하여 증균 성공  -미생물생태학의 선구자 ○위노그라스드키  -특정 세균집단이 토양에서의 생물지구화학적 변환(황순환이나 질소순환)을 수행  -화학무기영양성(chemolithotrophy) 개념 확립   *황순환에 관여하는 자생광영양세균의 순수분리(그림1.18)   *무기황이나 무기질소와 같은 무기화합물을 산화시켜 에너지인 ATP를 생산하는 대사(그림1.19)  -토양미생물학의 선구자  1.10 미생물학의 새 시대  -20세기 응용미생물학(응용)과 기초미생물학(발견)이 서로 보완하면서 비약적으로 발전  -레벤후크 세균 관찰 이후 PCR이 개발되기까지의 300년 동안(1684

1985)의 미생물학 핵심 발달사(표1.1)  -그 후부터 지금까지의 미생물학 최근 발달사(그림1.20) ○응용미생물학에 속하는 주요 세부학문  -의학미생물학(medical microbiology), 면역학(immunology): 코흐의 업적에서부터 발전  -농업미생물학(agricultural microbiology), 산업미생물학(industrial microbiology): 바이예린크와 위노그라드스키에서부터 발전  -물미생물학(aquatic microbiology), 해양미생물학(marine microbiology): 토양미생물학(soil microbiology)에서부터 발전  -미생물생태학(microbial ecology), 환경미생물학(environmental microbiology): 1960

1970년대 시작  ○미생물학의 주요 사건  ?1665 후크: 현미경으로 코르크에서 세포를 관찰, 곰팡이 균사 관찰로 미생물 최초관찰자  ?1676 레벤후크: 현미경으로 호수물의 세균과 원생동물 관찰로 미생물학 시작  ?1796 제너: 천연두 백신 접종  ?1857

1885 파스퇴르: 자연발생설 부정, 효모에 의한 알코올 발효, 파스퇴르살균법(저온살균법), 광견병 백신  ?1867 리스터: 최초로 수술할 때 소독 실시  ?1876

1884 코흐: 내생포자형성균인 탄저균(Bacillus anthracis) 발견, 세균 순수배양법, 결핵균(Mycobacterium tuberculosis) 배양 및 염색 관찰, 코흐의 가설 발표  ?1884 그람: 그람염색법  ?1885 에셔리히: 대장균(Escherichia coli) 발견  ?1886 프랑켈: 폐렴균(Streptococcus pneumoniae) 발견  ?1887 페트리: 페트리 배양접시(Petri dish) 개발  ?1892 이바노브스키: 담배모자이크바이러스(TMV) 발견  ?1894 예르신: 페스트균(Yersinia pestis) 발견  ?1903 라이트: 면역동물의 혈액에서 항체 발견  -1906 바서만: 매독혈청반응시험(바서만시험) 개발  ?1908 에를리히: 매독 치료제 살바르산 발명으로 최초의 화학요법(요술탄환, magic bullet) 시행  ?1928 그리피스: 세균 형질전환 발견  ?1929 플레밍: 최초의 항생제인 페니실린 발견  ?1944 에이버리: 세균 형질전환 물질은 DNA임을 발견  ?1944 왁스만: 스트렙토마이신 발견  ?1953 왓슨, 크릭: DNA 이중나선 구조 발표  ?1970 아버, 스미스: 제한효소 발견  ?1970 테민, 볼티모어: 역전사효소 발견  ?1982 마샬: 위궤양 원인균 헬리코박터 파일로리(Helicobacter pylori) 발견  ?1983 몽타니에, 갈로: AIDS 원인균인 HIV(human immunodeficiency virus) 발견  ?1983 멀리스: PCR기법 개발  ?1996 월머트: 복제양 돌리(Dolly) 탄생  -1997 효모의 유전체 염기서열 처음으로 완성  ?2001 미국에서 탄저균이 우편물로 배달됨으로써 최초의 생물테러  ?2003 남아시아에서 SARS 발생  ?2005 조류독감 세계 강타  ?2009 신종플루 세계 강타 ○기초미생물학에 속하는 주요 세부학문  -미생물분류학, 미생물생리학, 세포학, 미생물생화학, 세균유전학, 분자생물학, 바이러스학 ○분자미생물학 시대  -생명공학(biotechnology): 유전체 조작, 어떤 생물체의 DNA를 다른 생물체에 이식하여 필요한 단백질 대량 생산  -유전체학(genomics): 세포에 들어 있는 모든 종류의 유전물질인 유전체(genome) 연구  -단백질체학(proteomics): 세포의 발현 최종산물인 분자량이 아주 큰 단백질체(proteome) 연구  -대사체학(metabolomcis): 세포의 대사과정 도중에 만들어지는 분자량이 작은 모든 대사체(metabolome) 연구  2장. 미생물세계로의 여행  핵심용어 -현미경(microscope), 현미경검사(microscopy) -분해능(해상력, resolution), 배율(magnification), 대비(contrast) -그람염색(Gram stain), 물감(염료, dye) -원핵세포(prokaryotic cell), 진핵세포(eukaryotic cell) -원핵생물(prokaryote), 진핵생물(eukaryote), 바이러스(virus) -세포막(cytoplasmic membrane), 세포질(cytoplasm), 세포벽(cell wall) -소기관(organelle), 핵(nucleus), 핵모양(nucleoid), 리보솜(ribosome) -유전체(게놈, genome), 유전자(gene), 염색체(chromosome), 세균염색체(bacterial chromosome), 플라스미드(plasmid) -계통수(phylogenetic tree), 계통학(phylogeny) -영역(domain), 문(phylum) -세균(Bacteria), 고세균(Archaea), 진핵생물(Eukarya) -화학영양생물(chemotroph), 광영양생물(phototroph), 화학유기영양생물(chemoorganotroph), 화학무기영양생물(chemolithotroph) -종속영양생물(heterotroph), 독립영양생물(autotroph) -극한생물(extremophile), 극한환경(extreme environment) -진균(균류, fungi), 조류(algae), 원생동물(protozoa), 점균류(slime mold)  Ⅰ. 미생물의 관찰 ○현미경  -미생물 연구에 있어 가장 중요한 도구  -광원을 이용하여 검체(검사물, 표본, 시료, specimen) 관찰  -광원의 종류에 따라 태양광선을 이용하는 광학현미경, 전자빔을 이용하는 전자현미경, 원자력을 이용하는 원자힘현미경 등  -현미경의 3대 요소: 배율, 분해능, 대비  -현미경검사: 현미경을 이용하여 검체를 관찰하고 검사하는 기술로서, 검체제작기술과 염색기술을 포함  2.1 광학현미경의 원리  -가시광선을 이용하여 물체를 확대 관찰하는 현미경  -최대배율은 1,600×, 최대분해능 0.2㎛ ○광학현미경(optical or light microscope)  -광학현미경의 종류: 명시야현미경, 위상차현미경, 암시야현미경, 형광현미경  -명시야현미경(bright-field microscope)(그림2.1)   *검체와 주위환경(매질) 사이에 존재하는 대비차(밀도차)에 의해 검체 관찰(그림2.2)   *배율은 대물렌즈 배율과 대안렌즈 배율의 곱   *1,000× 이상의 배율에서는 유침유(immersion oil) 필요  2.2 광학현미경의 대비 개선 및 조절 ○염색  -대비란 검체를 배경과 구별할 수 있는 정도를 말하므로, 대비를 증가시키면 검체의 상이 더욱 뚜렷해짐  -염색은 대비를 증가시킬 수 있는 가장 손쉬운 방법   *물감(염료, dye)은 유기화합물로서 (+) 또는 (-) 전하를 띠고 있어 반대전하를 가진 세포물질과 결합   *염기성(+)물감과 산성(-)물감으로 구분   *양전하를 띤 염기성물감은 음전하를 띤 세포물질과 잘 결합하므로 세포염색에 사용   *반면 음전하를 띤 산성물감은 세포가 밀어냄으로써 배경을 염색하는 음성염색(매질염색)에 사용   *단순염색(simple stain)(그림2.3)은 한 종류의 염기성물감만 사용하는 세포염색법: methylene blue, safranin, crystal violet, malachite green   *배경을 염색하는 음성염색도 한 종류의 산성물감인 India ink를 사용하므로 단순염색의 일종 ○분별염색(differential stain): 그람염색(Gram stain)  -분별염색이란 서로 다른 종류의 세포를 구별하는 염색법으로서 2종류 이상의 물감 사용  -그람염색은 가장 많이 사용되는 대표적인 세균의 분별염색법   *1884 Hans Christian Gram 개발   *염색 결과 2종류의 세균집단으로 분류: 그람양성균(Gram-positive bacteria)은 보라색, 그람음성균(Gram-negative bacteria)은 붉은색을 염색(그림2.4) ○위상차현미경(phase-contrast microscope)  -1936 Frits Zernike 발명; 노벨물리학상(1953)  -검체의 굴절률과 주위배경의 굴절률 차이를 증폭시킨 결과 배경을 더 어둡게 보이게 함으로써(대비를 더 높게 만듬) 검체를 선명하게 보이도록 만든 현미경(그림2.5b)  -검체를 염색하지 않으므로 살아있는 미생물 관찰 가능 ○암시야현미경(dark-field microscope)  -빛이 측면에서 검체에 도달하게 하여 산란된 빛만이 렌즈에 도달  -깜깜한 방에 햇빛이 비칠 때 먼지가 보이는 원리  -따라서 명시야현미경과는 명암이 반대인 어두운 배경에 밝은 검체의 상으로 나타남(그림2.5c)  -위상차현미경과 마찬가지로 염색을 하지 않으므로 살아있는 미생물의 운동성 관찰 가능 ○형광현미경(fluorescence microscope)  -형광을 방출하는 검체를 관찰하는데 사용  -형광이란 자외선에 노출될 때 발생하는 빛  -형광을 자연발생하는(자가형광, autofluorescence) 세균이나, 형광물감으로 염색한 세균을 자외선을 방출하는 형광현미경으로 관찰  -깜깜한 배경에 형광이 나타난다(그림2.6)  -자연환경에서 세균을 관찰하는 미생물생태학에서 널리 이용→직접계수(direct count)  2.3 3차원 세포 영상 ○차별간섭대비현미경(differential interference contrast, DIC, microscope)  -2개의 독특한 편광빔을 발생시켜 3차원(3-D) 영상으로 검체를 관찰할 수 있는 광학현미경  -내생포자, 공포(액포, vacuole), 과립과 같은 구조를 3-D로 나타냄(그림2.7a)  -명시야현미경으로 분명하게 관찰하기 어렵거나 전혀 보이지 않는 구조를 DIC 현미경을 통해 관찰 가능 ○원자힘현미경(atomic force microscope, AFM)  -극소형 침을 검체에 극히 가깝게 위치하여 검체 표면의 단일원자의 움직임을 관찰할 수 있는 현미경  -컴퓨터는 침에서 전달받은 정보를 기반으로 3-D 영상 구현(그림2.7b)  -분해능이 전자현미경보다 훨씬 좋다.

 -특별한 검체 전처리 과정이 없다.

○동일초점주사레이저현미경(공초점, confocal scanning laser microscope, CSLM)  -컴퓨화된 현미경은 레이저와 결합하여 3-D 영상 구현  -두께가 두꺼운 검체에 대하여 단면별로 레이저빔을 쬐어 내부를 스캐닝하여 얻은 영상을 조합하여 3-D로 나타낸다(그림2.8)  -CSLM의 분해능은 0.1㎛  2.4 전자현미경(electron microscope, EM)  -광선 대신 파장이 훨씬 짧은 전자를 광원으로 하고, 전자기렌즈를 사용하여 분해능을 극대화시킨 현미경  -세포표면이나 세구내부구조물 관찰 목적  -배율과 분해능은 100,000×, 0.2nm  -2종류 전자현미경: 투과전자현미경(TEM), 주사전자현미경(SEM) ○투과전자현미경, transmission electron microscope, TEM)(그림2.9)  -검체 내부구조 관찰(그림2.10a,b)  -전자빔이 검체내부를 통과하면서 스캐닝할 때 나타나는 전자빔의 산란정도에 따라 명암으로 표시   *단단한 구조일수록 진공에서의 산란이 많아 더 어둡게 나타난다.

 -검체는 20

60nm 정도의 아주 얇은절편(세절편, thin sectioning)이어야 하며, 염색 필요 ○주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)  -검체표면 관찰(그림2.10c)  -전자빔이 금과 같은 금속을 씌운 검체표면을 스캐닝  Ⅱ. 세포의 구조와 진화학적 역사 2.5 세포와 바이러스 구조의 요소들 ○세포의 공통구조(그림2.11)  -세포막(cytoplasmic membrane): 세포와 주변환경과의 경계  -세포질(cytoplasm): 세포막 안을 채우고 있는 액체  -리보솜(ribosome): rRNA와 단백질로 구성된 단백질 합성 소기관 ○원핵세포와 진핵세포  -진핵세포(그림2.12c)   *막으로 둘러싸인 핵 속에 DNA가 들어 있다.

  *원핵세포보다 더 크며(지름 1

수백㎛), 구조 복잡   *소기관(organelle) 존재   *조류, 진균, 원생동물  -원핵세포(그림2.12a,b)   *핵이 없고, DNA가 세포질에 노출된 핵모양(nucleoid)   *막으로 둘러싸인 소기관이 없다.

  *진핵세포보다 훨씬 작고(지름 1㎛, 길이 1

5㎛), 구조 단순   *세포벽이 있어 세포모양 유지   *세균 ○바이러스(virus)  -세포가 아닌 비세포성(acellular) 생물체 또는 무생물인자(non-living agent)라고 부름  -스스로의 대사능력이 없어 숙주(host)에 기생해야만 증식이 가능한 절대기생체(obligate parasite)  -숙주특이성(host specificity): 동물바이러스, 식물바이러스, 미생물바이러스  -유전체는 DNA 또는 RNA: DNA바이러스, RNA바이러스  -가장 작은 바이러스는 지름 10nm(그림2.13)  2.6 미생물 세포 내부의 DNA 배치 ○유전체(게놈, genome)  -세포가 가진 전체 유전자  -유전체의 염기서열결정(sequencing)에 관한 학문이 유전체학(genomics) ○핵(nucleus) 대 핵모양(nucleoid)  -원핵세포는 핵 없이 원형(circular) DNA가 응집되어 초나선을 이루어(supercoiled) 세포질에 노출되어 있는 핵모양 형성(그림2.14)  -원핵세포의 DNA를 세균염색체(bacterial chromosome)라고 하여, 진핵세포의 염색체와 구별  -원핵세포의 DNA는 복제수(copy number)가 1개이므로 유전학적으로 홑배수체(반수체, haploid)  -핵모양 외에 원핵세포는 플라스미드(plasmid)라고 불리는 작은 크기의 원형 DNA도 가진 것도 있다.

 -진핵세포의 DNA는 선형(linear)이고 핵 안에 저장  -진핵세포의 DNA는 접힘을 도와주는 히스톤(histone) 단백질과 결합하여 응축된 염색체(chromosome)로 존재  -보통 1개 이상의 염색체를 가지며, 염색체마다 2개의 복제수를 가지므로 유전학으로 두배수체(이배체, diploid)  -세포분열 과정에서 체세포는 두배수체 염색체가 복제된 다음 2개의 두배수체 염색체로 나누어지는 유사분열(mitosis)(그림2.15)  -반면 생식세포(정자, 난자)는 두배수체 염색체가 홑배수체 염색체로 나누어지는 감수분열(meiosis) ○유전자(gene), 유전체(genome) 및 단백질  -대장균(Escherichia coli, E. coli) 유전체   *467만개의 염기쌍, 4,300개의 유전자, 1,900가지 종류의 단백질, 240만 개의 단백질 분자  -사람 세포의 유전체   *E. coli 세포 DNA의 1,000배, E. coli 세포 유전자의 7배  2.7 생물의 전체 계통수 ○진화(evolution)  -오랜 시간에 걸쳐 유전형질의 변화가 일어나 축적된 결과 신종이나 변종이 생기는 현상  -돌연변이나 자연선택의 결과  -종의 생존에 유리한 발전적 변화 ○계통학(phylogeny)  -생명체 사이의 진화상의 유연관계(relationship)를 규명하는 학문  -rRNA 유전자(리보솜 RNA 유전자, ribosomal RNA gene) 즉 rDNA(리보솜DNA, ribosomal DNA)의 상동성과 이질성을 비교분석한 결과를 계통수(phylogenetic tree)로 나타냄(그림2.16) ○생물체의 3영역(도메인, domain)  -rDNA 염기서열을 비교하여 계통수를 작성한 결과, 세포로 구성된 지구상의 모든 생물체는 3종류의 영역으로 분류(그림2.17): 세균, 고세균, 진핵생물  -3영역의 생물체는 공통조상(universal ancestor)에서 진화  -원핵생물인 고세균과 세균은 계통학적으로 밀접한 관계가 없다.

 -계통학적으로 고세균은 세균보다 오히려 진핵생물과 더 유연관계가 크다.

○진핵생물(Eukarya)  -현존하는 다세포생물체의 조상은 진핵미생물인 것으로 추정  -미토콘드리아와 엽록체는 자체의 별도 유전체와 리보솜을 가짐\   *이들 소기관은 특정세균의 조상에서 기원된 것으로 추정   *미토콘드리아는 자색세균의 조상이, 엽록체는 남세균의 조상이 각각 크기가 큰 진핵생물의 조상 세포 안으로 들어와 공생하면서 소기관으로 진화→내공생(내부공생, endosymbiosis)  Ⅲ. 미생물의 다양성 2.8 미생물의 생리적 다양성  -현존하는 미생물 다양성은 40억년 동안 진화의 결과임  -또한 미생물은 아주 큰 대사 다양성 즉 생리적 다양성을 가짐  -대사에는 크게 세포물질을 만들어내는 생합성(동화, anabolism)과 에너지를 만들어내는 생분해(이화, catabolism)가 있다.

 -유기물질인 세포물질의 원료가 되는 탄소원(carbon source, C source)에는 무기탄소(CO2)와 유기탄소  -에너지인 ATP를 만드는 원료가 되는 에너지원(energy source, E source)에는 햇빛과 화학물질   -대사방식에 따른 생물 분류    ○화학영양생물(chemotroph)  -화학물질에서 에너지를 얻는 생물(그림2.18)  -유기화합물에서 에너지를 얻으면 화학유기영양생물(chemoorganotroph), 무기화합물에서 얻으면 화학무기영양생물(chemolithotroph)  -화학유기영양생물이 에너지를 만들 때 필요한 최종전자수용체로서 산소를 사용하면 호기성생물(aerobe), 산소가 아닌 다른 화합물을 사용하면 혐기성생물(anaerobe)  -화학무기영양생물은 세균에서만 발견 ○광영양생물(heterotroph)  -햇빛을 에너지원으로 사용하여 ATP를 만드는 생물  -광합성색소에서 일어나는 과정인 광합성 결과로서 에너지 생산  -광합성 결과 산소가 만들어지는 산소성광합성과 산소가 만들어지지 않는 무산소성광합성의 2종류 ○독립영양생물(autotroph)과 종속영양생물(heterotroph)  -독립영양생물은 무기탄소인 이산화탄소를 탄소원으로 하여 고분자를 만드는 생물  -종속영양생물은 유기물을 탄소원을 하여 고분자를 만드는 생물  -독립영양생물은 무기물에서 유기물을 생산하는 능력을 가지고 있으므로 1차생산자(primary producer)라고 불림  -화학유기영양생물은 모두 종속영양생물  -종속영양생물은 다양한 종류의 유기물을 탄소원으로 이용할 수 있는 능력  -종속영양생물은 독립영양생물을 잡아먹거나, 독립영양생물이 분비하는 광합성산물인 유기물을 섭취하여 살아감 ○극한생물(extremophile)  -일반 지구환경과는 달리 악조건인 극한환경(extreme environment)에서 살아가는 생물을 극한생물이라고 하며, 이들 대부분이 미생물이므로 극한미생물이라고도 함.  -극한환경에는 뜨거운 온천, 빙산, 염분이 대단히 많은 물, pH가 아주 높거나 낮은 환경, 공기가 통하지 않는 곳, 심해열수분출구, 깊은 지하 등이 포함  -현재 많은 극한미생물이 속속 발견되고 있다(표2.1)  2.9 세균(Bacteria; 진정세균, Eubacteria)  -세균 영역은 계통학적으로 많은 종류의 문(phylum, phyla)으로 구성(그림2.19)  -모든 병원성 원핵세포는 세균 ○프로테오박테리아(Proteobacteria)(그림2.20)  -세균 영역 가운데 속 및 종 수가 가장 많아 다양성이 가장 큰 문  -화학유기영양세균, 화학무기영양세균, 광영양세균이 모두 포함  -그람음성  -대장균(E. coli), Pseudomonas, Salmonella 등 ○그림양성세균(Gram-positive bacteria)(그림2.21)  -그람양성의 특징을 나타내는 문  -내생포자형성균인 Bacillus, Clostridium과, 항생물질을 생산하는 방선균(actinomycetes), 유산균, 세포막이 없는 Mycoplasma 등 ○남세균(시안세균, cyanobacteria)(그림2.22)  -그람양성세균과 계통학적으로 유사  -산소성광영양세균으로서 지구상에서 최초로 대기 중으로 산소 공급 ○기타 세균의 주요 문  -Planctomyces   *부속지의 일종으로 줄기가 달린 줄기세균(자루세균, stalked bacteria)이 포함   *여러 개의 줄기세균 세포들이 한데 모여 줄기들이 한 곳에 집중되어 로제트(rosette) 형성(그림2.23)  -스피로헤타(spirochetes)(그림2.24): 나선형 세균, 매독균이나 라임병균  -녹색황세균(green sulfur bacteria)과 녹색비황세균(green nonsulfur bacteria)(그림2.25): 광영양세균  -Chlamydia: 대부분이 병원성인 절대기생세균  -Deinococcus: 방사능에 강력한 저항성(그림2.26)  -Aquifex: 초고온균(hyperthermophile)이며, 계통학적으로 공통조상과 가장 가까운 세균으로서, 이 세균을 통하여 원시지구의 온도가 매우 높은 것으로 추정(그림2.27)  2.10 고세균(Archaea)  -고세균 영역은 2종류의 아문(subphylum)으로 분류(그림2.28): Euryarchaeota, Crenarchaeota  -많은 종류가 극한미생물로서 현재까지 알려진 생물체 가운데 가장 초고온균 포함  -거의대부분이 화학유기영양세균 즉 종속영양세균 ○Euryarchaeota  -메탄생성균(methanogen): 혐기적으로 유기물질을 분해하여 생물가스(biogas)인 메탄 생성, Methanobacterium  -극호염균(extreme halophile): 대사와 증식을 위해 다량의 염(NaCl)을 요구, Halobacterium(그림2.30)  -고온호산균(thermoacidophile): 고온이며 강산성 환경에서 서식, 세포벽이 없다, Thermoplasma(그림2.31) ○Crenarchaeota  ?대부분이 혐기성 초고온균으로서 심해열수분출구에 서식: Pyrolobus(그림2.29)  ?일부는 해양, 토양, 담수와 같은 일반환경에서도 발견되는 등 자연계에 널리 분포  2.11 진핵미생물(Eukarya) ○진핵미생물의 다양성  -진핵생물 가운데 진핵미생물은 5계분류법의 원생생물(protist)에 해당  -진핵미생물 계통수에는 조류, 진균, 원생동물, 점균류 등이 포함(그림2.32)  -조류(algae, alga)(그림2.33a)   *광영양생물, 독립영양생물, 엽록체, 세포벽, 토양과 물에서 서식하는 1차생산자   *단세포, 다세포 등 다양  -진균(균류, fungi, fungus)(그림2.33b)   *종속영양생물, 세포벽, 습도가 높은 산성토양에서 주로 서식   *단세포(효모), 다세포(곰팡이, 버섯)   *효모는 출아로서, 곰팡이와 버섯은 균사로서 생장  -원생동물(protozoa, protozoan)(그림2.33c)   *종속영양생물, 세포벽이 없는 단세포, 운동성  -점균류(slime molds, slime mold)   *과거 진균으로 분류   *원생동물과 진균의 두 종류 생활사를 모두 가짐   *악조건에서는 원생동물 형태의 단세포들이 결집되어 진균과 같은 자실체 형성  -지의류(lichen)(그림2.34)   *두 종류의 진핵미생물의 상리공생체   *곰팡이와 남세균, 곰팡이와 조류   3장. 세포성분의 화학  핵심용어 -분자(molecule), 원자(atom), 원소(element) -공유결합(covalent bond), 이온결합(ionic bond), 수소결합(hydrogen bond) -고분자(macromolecule), 중합체(polymer), 단량체(monomer) -극성(polar), 비극성(nonpolar), 친수성(hydrophilic), 소수성(hydrophobic) -작용기(functional group) -다당류(polysaccharide), 탄수화물(carbohydrate), 당(sugar), 글리코시드결합(배당결합, glycosidic bond) -지질(lipid), 중성지방(neutral fat)=트리글리세라이드(triglyceride), 에스테르결합(ester bond) -지방산(fatty acid), 포화지방산(saturated fatty acid), 불포화지방산(unsaturated fatty acid) -핵산(nucleic acid), 뉴클레오티드(nucleotide), 폴리뉴클레오티드(polynucleotide), 인산디에스테르결합(phosphodiester bond) -DNA(deoxyribonucleic acid), RNA(ribonucleic acid) -단백질(protein), 폴리펩티드(polypeptide), 아미노산(amino acid), 펩티드결합(peptide bond) -이성체(isomer) -1차구조(primary structure), 2차구조(secondary structure), 3차구조(tertiary structure), 4차구조(quaternary structure) -변성(denaturation), 변성제(denaturant)  Ⅰ. 화학결합, 고분자, 물 3.1 강한 화학결합과 약한 화학결합  -분자(molecule): 2개 이상의 원자가 화학결합을 이룬 물질  -세포에서 화학결합의 종류는 공유결합, 이온결합, 수소결합  -생명체는 11종의 원소(element)로 구성   *C, H, O, P, K, I, N, S, Ca, Fe, Mg(CHOPKINS Cafe Might Good!)   *이 가운데 C, H, O, N의 4개 원소가 생물체 무게의 99.5% ○공유결합(covalent bond)  -두 원자의 최외각 에너지준위(energy level)에 있는 전자를 서로 공유함으로써 안정된 분자를 형성하는 강한 화학결합  -둘 이상의 공유결합도 가능하며, 공유결합의 수가 많을수록 강한 결합(그림3.1): 이중결합(C=O), 삼중결합(N≡N)  -단량체(monomer): 중합체를 이루는 기본 단위체인 작은 분자  -중합체(polymer): 여러 개의 단량체가 결합된 큰 분자  -고분자(macromolecule)   *여러 개의 중합체들이 공유결합을 이루어 만들어진 아주 거대한 분자   *물을 제외한 세포성분의 대부분은 4종류의 고분자로 구성: 다당류, 지질, 핵산, 단백질 ○수소결합(hydrogen bond)과 극성(polarity)  -한 극성분자(polar molecule)의 양(+)전하를 띠고 있는 수소원자의 인력에 의해 다른 극성분자의 음(-)전하를 띤 원자(O, N)가 수소원자 가까이 있게 하는 가장 약한 결합(그림3.2)  -물, 단백질, DNA와 같은 세포 구성분자 결합에 있어 중요  -효소가 기질의 공유결합을 파괴하는 반응을 촉매하기 위해서는 수소결합, 반데르발스힘, 이온결합, 소수성상호작용과 같은 약한 결합을 통해 효소가 먼저 기질에 부착  -극성이란 분자를 구성하는 원자들이 전하를 띠는 성질로서, 극성분자는 친수성(hydrophilic)이므로 수용성(water soluble)  -비극성은 분자를 구성하는 원자들이 전기적으로 중성인 성질로서, 비극성분자는 소수성(hydrophobic)이므로 불수용성(water insoluble) ○다른 약한 결합들  -반데르발스힘(van der Waals force)   *원소 사이 간격이 3

4Å(1Å=10-10m)보다 더 가까이 있게 될 때 생기는 인력  -이온결합(ionic bond)   *한 원자는 전자를 얻는 대신 다른 원자를 전자를 잃어버림으로써 안정성을 얻는 결합   *전자를 잃는 원자는 양(+)이온(cation), 전자를 얻는 원자는 음(-)이온(anion)  -소수성 상호작용(hydrophobic interaction)   *극성환경에서 비극성분자 혹은 분자의 비극성부분들이 용해되지 않으려고 서로 연합하는 약한 결합 ○생물고분자의 결합형태  -탄소는 모든 생물고분자의 핵심원소  -작용기(functional group)(표3.1)   *유기화합물이 독특한 화학적 성질을 갖게 하는 원자들의 조합   *생물고분자에서 중요한 7대 작용기: ①히드록실기(hydroxyl, -OH) ②카르보닐기(carbonyl; 케토기, keto, -CO-)(cf, 알데히드, aldehyde, -CHO) ③카르복실기(carboxyl, -COOH)(cf, 에스테르, ester ④아미노기(amino, -NH2) ⑤술프하이드릴기(sulfhydryl, -SH) ⑥인산기(phosphate, -PO4) ⑦메틸기(methyl, -CH3)  3.2 고분자와 물  -물은 세포 습윤중량(wet weight, wt)의 가장 많은 성분으로서 70% 이상 차지  -고분자는 세포 건조중량(dry weight, dw)의 95%, 고분자의 절반 이상은 단백질(표3.2)  -세포를 구성하는 4대 고분자(그림3.3): ①단백질 ②핵산 ③지질 ④다당류 ○생물학적 용매로서의 물  -세포질을 액체이므로 세포구성분자는 물에 잠겨 있고 생화학적 반응은 수용액에서 일어난다.

 -물이 생물학적 용매로서 작용할 수 있는 가장 중요한 특성 두 가지는 극성과 응집력(cohesiveness)   *수소원자 2개와 산소원자 1개가 극성공유결합   *물분자는 주위의 다른 물분자와 수소결합   *고분자는 대부분 극성분자이므로 물에 잘 녹는다.

  *소수성상호작용의 결과 비극성분자들이 결집됨으로써 안정성 유지   *응집력은 표면장력이 생기게 하고 비열을 높게 하여 외부온도 변화에 대하여 항상성 유지   *얼음의 비중이 물보다 낮아 물의 결빙 방지  -생명체는 물에서 진화된 것으로 추정  Ⅱ. 비정보성 고분자 3.3 다당류  -유전정보와 관련없는 비정보성고분자(noninformational macromolecule)는 다당류와 지질 ○탄수화물(carbohydrate)  -단량체인 당(sugar)의 중합체  -C:H:O=1:2:1인 유기화합물로서 (CH2O)n으로 표기  -생명체가 최우선적으로 이용하는 1차에너지원  -핵산과 ATP의 기본구조이며 세포벽성분  -당의 개수로서 분류   ①단당류(monosaccharide)    *1개의 당만 가짐    *생물체에는 5탄당(pentose, C5당류)과 6탄당(hexose, C6당류)이 가장 중요(그림3.4)    *6탄당에는 포도당(glucose), 과당(fructose), 갈락토오스(galactose)의 3종류 구조이성체    *입체이성(D-glucose, L-glucose)도 있음   ②이당류(disaccharide)    *2개의 단당류가 탈수합성되면서 형성되는 글리코시드결합(배당결합, glycosidic bond)을 통하여 연결(그림3.6)    *설탕(수크로오스, sucrose), 젖당(락토오스, lactose), 엿당(말토오스, maltose)   ③소당류(올리고당류, oligosaccharide)    *3

10개의 단당류가 결합    *천연소당류는 식물에 많이 함유    *칼로리가 낮아 다이어트에 효과    *프룩토소당류(fructo-oligosaccharide, FOS), 갈락토소당류(galacto-oligosaccharide, GOS), 만난소당류(mannan-oligosaccharide, MOS) 등   ④다당류(polysaccharide)    *10개 이상의 많은 단당류가 결합    *녹말(전분, starch), 글리코겐(glycogen), 셀룰로오스(섬유소, cellulose) ○복합다당류(complex polysaccharide)  -다른 종류의 고분자들이 결합된 다당류  -당단백질(glycoprotein), 당지질(glycolipid)  -세포에서의 기능: 세포표면의 수용체 분자, 당지질은 그람음성세균의 세포막 성분  3.4 지질(lipid)  -세포막의 주요 구성성분: 세포막은 인지질이중층(phospholipid bilayer) 구조  -다양한 구조로서 중합체가 아님  -친수성과 소수성 성질을 모두 가진 양수성(amphipathic) 고분자  -대표적인 특징은 물에 녹지 않는 비극성 고분자라는 것으로서, 가장 흔한 이름은 지방(fat)  -비극성용매(에테르, 아세톤)에는 녹는다.

 -생물고분자 가운데 가장 크기가 작다.

 -구성원소에 따라 단순지질(simple lipid)과 복합지질(compound lipid)로 분류 ○단순지질  -C, H, O의 3가지 원소로만 구성된 지질  -지방은 상온에서 고체인 중요한 에너지 저장분자  -글리세롤[glycerol; 글리세린, glycerin; C3H5(OH)3]과 지방산(fatty acid)으로 구성  -중성지방과 스테로이드의 2종류  -중성지방(neutral fat)   *글리세롤 1분자와 지방산 3분자가 탈수합성으로 공유결합된 구조로서 트라이글리세라이드(triglyceride)라고도 함(그림3.7⒝)    √세균과 진핵생물 세포막에서의 결합은 에스테르(ester, -CO-O-C-)결합    √고세균 세포막에서의 결합은 에테르(ether, -C-O-C-)결합  -포화지방산과 불포화지방산(그림3.7⒜)   *포화지방산(saturated fatty acid)이란 탄소골격에 이중결합 없이 모두 수소로 포화된 지방산    √동물조직에 많이 들어 있으며, 상온(실온, 15℃)에서 고체   *불포화(unsaturated)지방산은 탄소골격에 1개 이상의 이중결합을 가진 지방산    √불포화지방산은 대개 식물지방이며 상온에서 액체    √고도불포화(polyunsaturated)지방산은 여러 갱의 이중결합    √화학구조식은 탄소개수, 이중결합개수, 첫 이중결합이 나타나는 탄소번호를 붙이고, 이중결합의 존재는 ω(오메가)로 표기하며, 첫 이중결합이 나타난 탄소번호(메틸기탄소가 1번)를 따서 명명(예; 오메가-3 지방산)  -스테로이드(steroid)   *탄소가 4개의 고리구조인 스테로이드를 가진 비극성 단순지질(그림⒜)   *물에 녹지 않으므로 지질로 분류   *스테롤 종류인 콜레스테롤(cholesterol)은 세포막의 주요 성분, 쓸개즙의 원료, 비타민D합성에 중요한 반면, 혈청 콜레스테롤은 동맥경화의 원인 ○복합지질  -C, H, O 외에 다른 원소를 가진 구조가 보다 복잡한 지질  -인지질(phospholipid)이 세포에서 가장 중요한 복합지질(그림3.7⒞)   *세포막은 인지질이중층 구조이며, 이 구조를 단위막(unit membrane)이라고 부른다.

   Ⅲ. 정보성 고분자 3.5 핵산(nucleic acid)  -유전정보를 가진 정보성고분자(informational macromolecule)는 핵산과 단백질  -크기가 가장 큰 생물고분자  -세포 안에서 유전정보를 저장하고 운반  -핵산은 단량체인 뉴클레오티드(nucleotide)의 중합체로서 폴리뉴클레오티드(polynucleotide)라고도 부른다.

 -뉴클레오티드의 기본구조(그림3.8): 오탄당(pentose), 질소염기(nitrogenous base), 인산기(phosphate group)  -DNA와 RNA의 2종류 ○뉴클레오티드  -질소염기는 푸린과 피리미딘의 2종류(그림3.9)   *푸린(purine): 2개의 고리로 이루어진 A(아데닌, adenine)와 G(구아닌, guanine)   *피리미딘(pyrimidine): 고리 1개로 이루어진 T(티민, thymine) 또는 U(우라실, uracil)와 C(시토신, cytosine)  -질소염기는 당의 1번탄소(1‘))에서, 그리고 인산기는 당의 5번탄소(5’)에 각각 결합하여 뉴클레오티드 형성(그림3.10)  -인산기 없이 당에 염기만 결합된 유기물을 뉴클레오시드(nucleoside)  -생물체 에너지인 ATP(adenosine triphosphate, 아데노신3인산)는 아데노신에 3개의 인산기가 결합(그림3.10) ○핵산  -뉴클레오티드의 중합체인 폴리뉴클레오티드  -핵산은 2개의 당이 인산디에스테르결합(phosphodiester bond)으로 연결(그림3.11⒜)   *당의 3번탄소(3‘, three prime)에 붙은 OH에 다른 당의 5번탄소(5’, five prime)에 붙은 PO4가 연결  -1차구조(primary structure)(그림3.11⒞): DNA 혹은 RNA 분자의 뉴클레오티드서열로서 염기만 표시  -2차구조(secondary structure)(그림3.11⒞): 단일가닥인 RNA의 경우 상보적인(complementary) 뉴클레오티드끼리 수소결합을 이루어 접히거나 고리모양을 이루는 것 ○DNA(deoxyribonucleic acid, 데옥시리보핵산)  -세포의 특징을 결정짓는 지배분자(master molecule)  -뉴클레오티드의 구성: 오탄당(데옥시리보오스), 질소염기(A, G, T, C), 인산기  -뉴클레오티드 단량체가 공유결합으로 연결   *5‘→3’ 방향으로 인산디에스테르결합을 이루어 당-인산골격(sugar-phosphate backbone) 형성(그림)  -DNA는 이중가닥(double-stranded)의 폴리뉴클레오티드가 서로 꼬여있는 나선(helix) 구조(그림)   *두 가닥은 각각의 질소염기 사이의 수소결합으로 연결   *수소결합을 이룬 2개의 염기를 염기쌍(base pair)이라고 하며, 반드시 A=T, C≡G의 상보적 염기쌍을 이룬다.

○RNA(ribonucleic acid, 리보핵산)  -DNA 유전부호 즉 코돈(유전자부호, codon)의 해독과 관련된 핵산  -구조는 DNA와 비슷하지만 몇 군데 차이   *이중가닥이 아닌 단일가닥(single-stranded)으로 2차구조 형성   *오탄당은 데옥시리보오스 대신 리보오스   *질소염기 가운데 T 대신 U를 가져 A, G, U, C의 4종류   *대체로 DNA보다 길이가 짧다.

 -RNA에는 4종류가 알려져 있다: ①mRNA ②rRNA ③tRNA ④miRNA  3.6 아미노산과 펩티드결합  -아미노산(amino acid)은 단백질의 단량체  -아미노산의 기본구조(그림3.12⒜)는 중앙의 α-탄소에 4종류의 화합물이 결합되어 있으며, 이 가운데 아미노기와 카르복실기가 공통으로 붙어 있어 아미노산이라고 명명   *아미노기(-NH2): N-말단(terminus)   *카르복실기(-COOH): C-말단   *수소(-H)   *R기: 곁사슬(side chain)  -유전자부호해독(번역, translation)되는 아미노산의 종류는 모두 22종류(그림3.12)  -22종 아미노산 모두 C, H, O, N의 4가지 원소로 구성되며, 2종(Cys, Met)은 S를, 1종(Sec)은 Se 포함  -R기의 종류에 따라 아미노산 성질 결정: 산성 또는 염기성, 극성 또는 비극성, 친수성 또는 소수성  -아미노산 단량체들은 공유결합인 펩티드결합(peptide bond)으로 연결되어 폴리펩티드(polypeptide) 즉 단백질 형성(그림3.13)  -필수아미노산(essential or indispensable amino acid)이란 생물체가 합성하지 못하여 음식물로서 섭취해야 하는 아미노산   *성인: 8종(Ile, Leu, Met, Phe, Thr, Trp, Val)   *유아, 어린이: 성인 8종 +2종(His, Tyr) ○이성체(isomer)  -분자식은 같지만 성질이 서로 다른 화합물   *구조이성체(structural isomer): 구조가 서로 다른 이성체(포도당, 과당, 갈락토오스)   *광학이성체(optical isomer): 거울상 대칭구조의 이성체(D-형, L-형)   *생명체에는 L-아미노산과 D-당이 대부분   (라세미화효소(racemase): 광학이성체를 상호전환할 수 있는 효소  3.7 단백질: 1차구조와 2차구조  -세포 건조중량의 50% 이상 차지  -단량체인 아미노산의 중합체  -주요기능에 따른 단백질 분류   ①구조단백질: 세포막, 근육, 힘줄, 혈구, 리보솜과 같은 세포구성성분을 만들고 세포형태 유지하는 단백질   ②조절단백질: 효소(enzyme) 활성이나 유전자 작용과 같은 생체활성을 조절하는 단백질   ③운반단백질: 지질단백질과 같이 분자를 운반하는 단백질 ○1차구조  -단백질은 여러 개의 아미노산이 펩티드결합으로 연결된 고분자인 폴리펩티드   *디펩티드(dipeptide), 트리펩티드(tripeptide), 폴리펩티드   *단백질을 이루는 아미노산의 수는 수십개에서 수만개  -단백질은 1개 이상의 폴리펩티드로 구성  -1차구조란 폴리펩티드를 이루는 아미노산 서열  -1차구조에 따라 2,3,4차 구조 결정 ○2차구조  -폴리펩티드가 꼬이고 접힌 형태: α-나선(α-helix, 그림3.15⒜), β-병풍(β-sheet, 그림3.15⒝)  3.8 단백질: 고차구조와 변성 ○3차구조(tertiary structure)  -3차구조와 4차구조를 합하여 고차(higher-order)구조라고 부른다.

 -여러 개의 2차구조 즉 α-나선 구조와 β-병풍 구조가 상호작용하여 만들어낸 공모양이나 섬유모양의 3차원 구조(그림3.16)  -전화선이 꼬여 있는 구조를 연상하면 된다.

 -2개 이상의 아미노산 사슬은 이황결합(disulfide bond; -S-S-)으로 연결  -3차구조의 특징은 폴리펩티드가 고랑(groove)을 형성하여 활성부위(active site)로 작용 ○4차구조(quaternary structure)  -3차구조를 이룬 2개 이상의 폴리펩티드가 결합된 구조(예: 헤모글로빈, 그림3.17)  -각 폴리펩티드는 자신의 독자적인 3차구조를 그대로 유지 ○변성(denaturation)  -주로 단백질의 고차구조가 파괴되어 단백질의 고유한 성질이 변하는 현상  -변성 결과 활성단백질은 생물학적 기능을 잃어버려 불활성단백질로 변한다.

 -변성은 가역적이거나 비가역적  -강산성이나 강염기성, 높은 온도, 화학물질, 금속과 같은 변성제(denaturant)에 의함  4장. 원핵세포의 구조와 기능  핵심용어 -원핵세포(prokaryotic cell), 진핵세포(eukaryotic cell) -세균(Bacteria), 고세균(Archaea), 진핵생물(Eukarya) -세포막(원형질막, cytoplasmic membrane), 원형질체(protoplast) -인지질이중층(phospholipid bilayer), 단위막(unit membrane) -능동수송(active transport), 막단백질(membrane protein), 수송단백질(transport protein) -세포벽(cell wall), 펩티도글리칸(peptidoglycan), -외막(outer membrane), LPS(지질다당류, lipopolysaccharide), 내독소(endotoxin) -원형질막공간(periplasm) -편모(flagella), 필리(pili), 핌브리아(fimbriae), 협막(capsule), 점액층(slime layer) -과립(granule), 포함물(봉입체, inclusion) -내생포자(endospore), 가스소포(gas vesicle), 가스액포(gas vacuole), -주성(쏠림성, taxis), 화학주성(chemotaxis), 주광성(phototaxis), 활주(gliding)  Ⅰ. 세포 모양과 크기 4.1 세포형태  -대표적 세균 형태(그림4.1): 알균(구균, coccus), 막대균(간균, bacillus), 비브리오(vibrio), 나선균(스피릴룸, spirillum), 스피로헤타(spriochete), 부속기세균(appendaged bacteria), 사상세균(filamentous bacteria) 등  -세포 형태만으로는 세균 종류를 알 수 없다.

[gm 미생물] 누구의 잘못인가


 4.2 세포크기와 작은 크기의 중요성 ○세포크기  -원핵세포 크기(표4.1)   *지름 0.2

700㎛, 배양가능한 막대균의 크기는 폭 0.5

4.0㎛, 길이 15㎛ 이하   *무척 큰 거대세균도 존재(그림4.2)  -진핵세포 크기: 지름 10

200㎛ ○표면적 대 부피 비(S/V ratio)  -작은 크기의 이점: 작을수록 부피 대비 표면적이 커져 물질수송속도가 빠르므로 더 빨리 생장, 빠른 생장률은 진화속도를 증진시켜 더 빨리 진화함으로써 더 오래 생존  -원핵세포가 진핵세포보다 더 빨리 진화함으로써 지구에서 더 오랫동안 생존 ○세포 크기의 최소한계  -존재가능한 이론적인 최소 세포크기는 지름 0.15㎛의 나노세균(nanobacteria)  -바다에 특히 작은 세포(지름 0.2

0.4㎛)가 많다.

 Ⅱ. 세포막과 수송 4.3 세균과 고세균의 세포막 ○세포막(원형질막, cytoplasmic membrane)  -세포와 주변환경과의 경계  -인지질이중층(phospholipid bilayer)으로 이루어진 단위막 구조(그림4.4, 4.5)   *인지질이 에스테르 결합(그림4.7), 친수성 글리세롤-인산 꼬리(-), 소수성 지방산꼬리  -선택적 투과성을 가진 유동성 구조 ○막단백질  -인지질이중층 군데군데 삽입  -막단백질은 조금씩 움직임→유동모자이크모델  -물질수송 기능: 수송단백질의 도움  -수소결합과 소수성상호작용에 의하여 안정 ○막 강화물질(그림4.6): 스테롤, 호파노이드 ○고세균의 세포막  -인지질단일층(그림4.8d), 에테르결합(그림4.7c), 지방산 대신 이소프렌(그림4.7c)  4.4 세포막 기능  -세포막의 3대 기능(그림4.9): 물질수송, 단백질고정, 에너지생성 ○물질수송  -인지질이중층이어서 물질 크기나 전하, 친수성/소수성 정도에 따라 선택적 투과(표4.2)  -물이나 작은 크기의 소수성 분자는 확산 투과  -친수성 및 전하를 띤 극성분자는 투과 불가능 ○수송단백질  -확산 투과가 안되는 물질의 능동수송 담당  -확산에 의한 물질투과량은 세포가 필요한 양보다 훨씬 적다.

 -수송은 물질의 농도기울기에 역행하는 수송이므로 에너지 소모  -수송단백질의 특성: 포화효과, 높은 특이성, 수송단백질 생합성은 세포가 결정    4.5 수송과 수송체계 ○원핵생물의 3가지 주요 수송체계(그림4.11)  ①단순수송: 수송물질이 양성자동력(pmf, proton motive force)에 의해 막관통수송체 통과  ②작용기전달수송: 수송물질이 고에너지결합물질에 포함된 에너지에 의해 수송되면서 떨어져나온 작용기가 붙어 화학적으로 변형되면서 막관통수송체 통과  ③ABC 수송체계; 수송물질이 원형질막공간 결합단백질에 먼저 결합한 다음 세포질의 ABC(ATP-binding cassette)의 ATP에 의해 막관통수송체 통과  -막관통수송체의 종류(그림4.12): 단일수송체, 역수송체, 공동수송체 ○단백질과 같은 큰 물질(세포외효소, 독소 등)의 분비는 관련 효소의 작용으로 이루어짐  Ⅲ. 원핵생물의 세포벽 4.6 세균 세포벽: 펩티도글리칸  -세포벽의 기능: 모양유지, 삼투압에 의한 용균방지, 견고함  -세포벽의 종류에 따라 세균 분류(그림4.16): 그람양성균, 그람음성균 ○펩티도글리칸(peptidoglycan)  -세포벽을 단단하게 유지하는 층  -N-아세틸글루코사민과 N-아세틸뮤람산이 글리코시드결합으로 반복적으로 연결된 글리칸 다당류 사슬(그림4.18)  -평행하는 글리칸 사슬은 아미노산으로 구성된 펩티드가교로 서로 연결되면서 교차결합(그림4.19) ○그람양성균의 세포벽(그림4.20)  -세포벽의 90% 이상이 펩티도글리칸 ○용균효소와 원형질체  -용균효소(lysozyme)는 글리칸사슬의 G-M의 글리코시드 결합 파괴  -글리칸사슬이 끊어지면 삼투에 의해 물이 세포속으로 들어와 세포가 팽창하여 터지는 용균(lysis) 발생(그림4.21a)  -반면 등장액에서는 삼투가 일어나지 않고 원형질이 세포벽을 빠져나가 용액속에서 원형질체(protoplast) 형성(그림4.21b) ○세포벽이 없는 세포  -병원균인 Mycoplasma 속 세균과 Thermoplasma 속 고세균  -대신 세포막이 견고하거나(스테롤), 삼투의 영향을 별로 받지 않는 동물의 몸에서 기생  4.7 그람음성균의 외막 ○외막 구조  -세포벽의 일부만 펩티도글리칸, 나머지는 외막  -외막은 세포막과 비슷한 지질이중층이지만, 바깥층은 지질다당류(LPS) 층→보통 외막을 LPS층이라고 부름(그림4.23a) ○내독소(endotoxin)  -세균의 LPS층은 숙주에 독성 유발  -병원균 자체에 존재하는 독소가 내독소(endotoxin)로서 LPS층의 지질A가 독성 물질 ○포린(porin): 외막에는 포린이라는 작은 구멍이 있어 작은 친수성 분자 통과 가능(그림4.23b) ○원형질막공간(periplasm)  -세포막과 외막 사이의 공간이 원형질막공간(그림4.24)  -약 15nm 폭으로서 펩티도글리칸층이 들어 있다.

 -겔과 같은 점성을 가지며, 많은 종류의 단백질이 들어 있다.

○그람양성균과 그람음성균의 차이  -세포벽의 펩티도글리칸층 두께의 차이  -펩디도글리칸층이 얇은 그람음성균은 알코올에 의해 쉽게 녹아 내부의 보라색물감복합체가 빠져나오고 대비염색용 물감이 사프라닌의 붉은색으로 염색  4.8 고세균의 세포벽  -펩티도글리칸층도 외막도 없다  -고세균의 세포벽 종류는 매우 다양 ○슈도뮤레인(pseudomurein) 층  -펩티도글리칸과 비슷한 구조이지만 N-아세틸글루코사민과 N-아세틸로사미누론산이 β-1,3 글리코시드 결합으로 연결  -글리칸사슬의 펩티드가교의 아미노산 종류도 다름  -따라서 용균효소나 페니실린에 의해 펩티도글리칸이 파괴되지 않음  -슈도뮤레인이 없는 고세균도 많다 ○S층  -고세균의 가장 보편적 세포벽 구조로서 단백질이나 당단백질로 구성  Ⅳ. 다른 세포 표면구조와 포함물 4.9 세포표면층, 필리와 핌브리아 ○협막(capsule)과 점액층(slime layer)  -끈적끈적한 다당류 층으로 고체표면에 부착하여 생물막(biofilm) 형성  -동물면역세포(포식세포)의 포식 회피  -수분이 많아 건조에 대한 저항성  -다당류층이 물질이 스며들지 못할 정도로 조밀하게 바탕질을 형성하면 협막(그림4.28)이고, 느슨하여 세포표면에서 분리되면 점액층 ○핌브리아와 필리  -세포표면에 돌출된 단백질 성분의 작고 가는 털(그림4.29)  -핌브리아: 고체표면에 부착, 질병 유발(살모넬라증, 임질, 백일해 등)  -필리: 핌브리아보다 길며 1개 내지 몇 개로서 수가 적다(그림4.30), 바이러스의 수용체, 표면부착, 접합, 운동성 등  4.10 세포 포함물(봉입체, inclusion)  -세포 안에 저장되어 있는 물질로서 과립(granule) 형성 ○탄소 저장중합체  -PHB(poly-β-hydroxybutylate) : 지질(그림4.31)  -글리코겐: 포도당 중합체 ○중합인산염(polyphosphate): 무기인산염 중합체 ○황과립: 황 원소의 집합체(그림4.32) ○마그네토솜(magnetosome): 자철광입자로서 자기주성을 나타냄(그림4.33)  4.11 가스소포(gas vesicle) ○기능: 물에서 사는 부유미생물이 부력을 갖게 하여 적당한 수심에서 생활 가능, 특히 광합성미생물에게 유용 ○구조  -단백질로 이루어진 방추형(그림4.35)  -막은 불투수성으로 기체만 통과  -가스소포의 개수를 조절하여 부력 조절  -가스소포가 여러 개 모여 가스액포(gas vacuole) 형성(그림4.36)  4.12 내생포자(endospore) ○내생포자의 특징  -일종의 휴지기세포로서 열, 독성물질, 방사선, 건조, 굶주림 등 열악한 환경조건에 ?옳� 강한 저항성을 가진 고도로 분화된 세포  -내생포자의 종류: 중심형(Bacillus), 말단형(Clostridium)(그림4.38)  -바람, 물, 동물의 장을 통해 쉽게 확산→생물무기로 활용  -일부 그람양성균에만 존재  -수명은 최대 몇 억년에 이르는 것으로 추정 ○내생포자의 생성과 발아  -영양세포(vegetative cell)의 포자화로 내생포자가 생성되고, 내생포자가 발아하여 영양세포가 됨(그림4.39, 4.40)  -영양세포와 내생포자는 특성이 아주 다름(표4.3) ○내생포자의 구조  -몇 겹의 두꺼운 막으로 둘러싸임(그림4.41)  -말라카이트그린으로 염색하면 내생포자는 초록색  -디피콜린산(dipicolinic acid)가 열악한 환경조건(특히 내성)에서 생존에 도움  Ⅴ. 미생물의 운동 4.13 편모와 운동성 ○세균의 편모(flagella)  -세균의 운동기관  -다양한 편모배열: 주모성, 극모성, 속모성(그림4.44, 4.45)  -나선형 형태이며, 회전에 의하여 이동  -한 종류의 플라젤린 단백질만으로 구성된 필라멘트 ○고세균의 편모  -편모를 가진 고세균이 많다(그림4.48)  -세균 편모보다 훨씬 얇고, 여러 종류의 플라젤린 단백질로 구성 ○편모의 속도와 이동형태  -액체 속에서 초당 자신의 세포길이의 60배 이동 가능  -질주, 후진, 방향전환 가능(그림4.50)  4.14 활주운동 -활주(gliding)란 편모가 없는 세균의 이동방법 -편모운동보다 속도가 느리고 부드러운 이동으로 원생동물인 아메자 운동 -세포의 긴 축을 따라 이동 -활주운동을 하는 세균은 사상이거나 긴 막대형(그림4.51)  4.15 행동반응으로서의 세포운동: 미생물의 주성 ○주성(쏠림성, taxis)  -주성이란 물리적 또는 화학적 인자의 농도기울기에 따른 이동으  -주성의 종류: 화학주성, 주광성, 산소주성, 삼투주성, 물주성 ○화학주성  -세균 세포는 이동 도중 공간적이 아닌 시간적인 화학물질의 농도기울기에 반응하면서 질주와 방향전환 반복  -세균의 화학수용체가 유인물질과 배척물질을 감지하여 이동(그림4.53) ○화학주성의 측정  -편모를 가진 세균을 액체가 든 그릇에 넣고 여기에 3종류의 물질(그릇내 액체, 유인물질, 배척물질)이 각각 든 모세관을 꽂아 일정시간 후에 모세관 안의 세균수 계수(그림4.54a

e)  -현미경 관찰도 가능(그림4.54f)     ‘경험으로부터의 DNA’첫번째 : 전통 작물육종과 유전자변형기술 두번째 : 전통 동물육종과 유전자변형동물 세번째 : 유전체 시대의 미생물산업 유전체 시대의 미생물산업■ 글 : 오태광/교육과학기술부 21세기 프론티어 미생물유전체활용기술개발사업단장 수 천년을 거쳐 온 발효의 비밀   미생물의 존재는 1673년, 네덜란드의 안토이 반 레벤후크(Antonie van Leeuwenhoek)가 제작한 현미경에 의해 처음 발견되었다.

그리고 약 200년 후인 1864년, 루이 파스퇴르(Louis Pasteur)에 의해 발효나 부패는 자연적으로 발생하는 화학적 현상이 아닌 ‘아주 작은 생물’ 즉, 미생물에 의해 일어난다는 것이 발견되었다.

사실 사람들은 레벤후크가 미생물의 존재를 발견하기 전부터 포도주, 맥주, 치즈, 된장, 김치 등과 같이 미생물에 의한 발효식품을 이용해왔다.

성서 노아시대의 포도주, 그리스로마신화에서 나오는 술의 신, ‘박카스’의 포도주, 이집트 신화의 맥주 등에서 보듯이 발효의 역사는 선사시대 이전으로 추정된다.

  항생제, 세제 생산에 이용되어 온 효소 미생물산업은 미생물이 생산하는 효소를 식품에 이용하면서 발전하였고, 1894년 일본인 다카미네 조키치가 코오지(koji) 배양법에 의해서 곰팡이를 통한 아밀라아제 생산의 상업화에 성공하면서 본격적으로 대량생산이 가능하게 되었다.

  20세기에 들면서 독일의 오토 룀(Otto Rohm)가 미생물의 효소를 세제나 피혁 가공에 이용하는 기술을 개발하였다.

또한 미국의 레오 월터스텐(Leo Waltersten)는 효소를 이용하여 낮은 온도에서 맥주의 성분들이 응고되어 가라앉는 혼탁을 제거한 맥주(chill proofing)를 개발하였다.

이처럼 미생물 효소의 산업적 수요가 점점 확대됨에 따라 관련 연구투자가 활발히 이루어지기 시작하였다.

  하지만 실제적인 미생물산업의 확대는 당시 박테리아로 인한 병에 있어 기적의 치료제로 불리던 페니실린이 1929년 알렉산더 플레밍(Alexander Fleming)에 의해서 발견된 후인 1950년대 후반, 산업적 생산을 위해 2층 건물 크기의 10만 리터 규모의 대형 발효조에서 이 페니실린을 생산하는 푸른곰팡이(Penicilium notatum)를 대량생산하기 시작한 때부터였다.

그때부터 미국에서 대형 산업화로 전환되었고, 이때부터 다량으로 발생하는 발효 후 제품을 수거하고, 폐 배양액을 처리하는 등과 같은 환경에 대한 영향도 고려되기 시작하였다.

    물 속에서 효소를 얻다?   대량의 탱크인 발효조를 이용해 액체 상태에서 미생물의 효소를 생산하는 것은 배양기술 흐름에 있어 가장 중요한 인자로 1960년대를 미생물 기술의 효시로 보고, 또 이를 제1세대의 미생물 기술 발전 단계의 시작으로 보고 있다.

1908년, 보이딘(Boidin)과 에프론트(Effront)가  바실루스 수브틸리스(Bacillus subtilis)를 액체에서 배양하여 아밀라아제를 생산하는 기술을 개발한 이후, 제2차 세계대전을 전후하여 심부배양법(Submerged fermentation)에 의해 효소를 대량생산하는 기술이 정립되어 효소산업이 미생물 산업에 중요한 분야로 대두되었다.

  제2세대는 1953년, 열이나 약물에 대한 저항성을 증가시켜 물질을 장기간 안정적으로 보존하는 방법인 효소고정화기술(Immobilization)이 성공하고 또 1969년, 글루코스 이성화효소(Glucose Isomerase)의 효소고정화 반응기를 이용해서 고과당시럽(high fructose syrup)을 생산하는 등 식품산업을 포함한 정밀화학제품의 생산에 미생물이 이용되면서 시작되었다.

이때의 미생물 생산방법은 제1세대의 심부배양법 도중 영양분이 다 소모되는 발효 중간에 미생물 배지를 다시 추가 하는 유가배양(Fed batch fermentation)법으로 발전하였고, 미생물자원도 배양시간이 짧은 세균을 많이 택하게 되었다.

  물에서 벗어나다! GM미생물을 통한 신물질 생산 제3세대는 1977년, 물을 사용하지 않는 비수계 효소 반응합성이 성공하고 1988년, 비수계 효소반응기가 실용화되면서 활성화되었다.

이때는 주로 특정 유전자를 대장균, 효모 등의 미생물에 도입하거나 유전자가 변형된 미생물을 발효에 이용함으로써 효소나 의약용 단백질을 보다 효율적으로 생산하고자 하였다.

   대사과정을 예측하고, 유전자를 부품처럼 이용하기 시작하다!   1996년, 미생물 헤모필루스 인플루엔자(Haemophillus inflenzae)의 유전정보가 완전히 서열화(Sequencing)된 후, 2000년대에 들어서면서 미생물의 유전체 해독능력이 급격히 증가함에 따라 2010년 4월 기준 완전히 유전체 해석된 1,250개와 현재 해독 중인 4,200개를 합한 5,450개의 유전체가 해독되거나 해독 중에 있다.

제1세대에서 3세대까지는 주로 미생물의 대사산물(Metabolite)의 합성에 중요한 효소를 생육시킨 생물체에서 분리해 생산한 데 비해서 제4세대에는 해독된 미생물의 유전정보에서 다양한 효소 또는 대사공정을 사전에 탐색할 수 있는 시스템이 보편화되기 시작하였다.

이에 따라 아미노산, 비타민 등의 중요한 산업소재를 적어도 80

100g/L 수준으로 대량생산할 수 있는 미생물의 등장으로 소재의 범위가 더욱 확대되었으며, 사실 이를 통해 상당히 많은 산업적 유기합성 공정이 미생물 공정으로 대체되기도 했다.

  또한 최근에는 바이오부품(biobricks), 인공세포(artificial cell)과 같은 신개념의 합성생물학(Synthetic biology) 분야에 응용되면서 의학, 식품, 당류, 분석, 세제, 섬유, 펄프, 동물용, 화학 및 화장품 이외에 에너지 분야에도 광범위하게 사용되는 바이오리파이너리(Biorefinery) 분야까지 확대되고 있다.

            미생물을 통해 유용물질을 보다 효율적, 보다 많이 생산하고자 한 노력은 미생물의 유전정보를 바탕으로 원하는 물질만을 생산하도록 하는 유전자를 가진 생명체의 탄생으로 이어지고 있다.

    미생물 유전체 시대의 유전자재조합기술 제3세대 미생물 기술의 대표하는 유전자재조합(GM)기술은 1973년 미국의 스탠포드대학교 코헨과 보이어박사가 최초로 개발한 이후, 1980년대부터 사람에게 유용한 물질이나 기능이 향상된 GM미생물, GM작물, GM동물 등을 생산하는데 보편적으로 사용하기 시작하였다.

초기의 GM기술은 1978년, 인간의 인슐린 유전자가 삽입된 GM대장균에서 인슐린을 제조하는 데 성공하면서 이루어졌고 1990년, 치즈를 만드는데 사용해왔던 응유효소 키모신을 송아지 위가 아닌 GM미생물에서 생산이 가능해지면서 치즈 생산이 확대되었다.

또한 1993년, 미국의 몬산토사가 GM미생물을 통해 생산한 소의 성장호르몬(BST)이 미국 식품의약국(FDA)에 허가되면서 붐을 타기 시작하였고, 1995년 1월에는 미국에서 세계 최초의 유전자재조합백신이 상품화되면서 GM미생물의 개발이 가속화 되었다.

현재는 호르몬, 항체, 생체기능 단백질 등이 미생물을 이용한 GM기술에 의해서 생산하고 있고 상품화되었다.

이외에도 제초제에 영향을 적게 받거나 해충에 강한 미생물의 유전자를 유채, 대두, 목화, 옥수수, 감자, 목화, 쌀과 같은 작물에 삽입하는 등 농업 분야에서도 상품화되어 우리의 식탁에도 오르고 있다.

  산업적 이용을 위한 안전성 검증 필요  한편 유전자재조합(GM) 미생물을 이용하여 최종제품을 생산하는데 있어 대두될 수 있는 안전성 문제는 크게 두 가지 이다.

첫째로는 현재 가장 많이 이용되고 있는 GM미생물의 개발이나 산업화에서 나타나는 안전성 문제이고, 두 번째 문제는 미생물이 생산한 고분자 및 저분자 물질의 허가와 사용에 관한 제품의 안전성 문제이다.

위의 두 가지 안전성 문제는 이미 국내적으로나 국제적으로나 주목의 대상이 되는 문제로 이에 대한 충분한 사전고려가 반드시 필요한데, 사실 두 가지 모두 법적 규제체계가 마련되어 있거나 마련 중에 있는 현실적인 문제이다.

[gm 미생물] 대체 무엇때문에.



첫 번째 안전성 문제의 경우 실제로도 특정 GM미생물을 산업화 하거나 또는 수출입하기 위해서는 인체위해성 및 환경위해성을 시험 평가하여야 하고, 산업화 이전의 연구개발 단계에 있어서도 연구시설의 안전관리체계가 갖추어져 이에 대한 신고 혹은 허가가 필요하다.

  두 번째의 안전성문제인 미생물 생산물의 허가와 사용에 관한 제품의 안전성 문제를 살펴보면 미생물이 생산한 최종제품은 정밀화학소재용 특수 기능성 효소, 혁신적인 발현시스템을 기반으로 한 유전자재조합 의약품 등 고분자 물질이 될 수 있으며, 또한 대사과정이 재설계된 고기능성 미생물을 이용한 유용 대사산물 등 저분자물질이 될 수 있다.

이러한 고분자 및 저분자의 미생물 생산물을 제품으로 산업화하기 위해서는 최종제품 및 그 원료에 대한 안전성 검증이 필요하며, 이는 그 제품의 용도와 출처에 따라 법적으로 반드시 수행하여야 할 항목이 결정되어 있다.

 결론적으로 GM미생물을 이용한 최종제품을 생산하기 위해서는 GM미생물에 대한 안전성 검증과 미생물의 생산물인 고분자 및 저분자 물질에 대한 안전성 검증을 모두 고려해야하며, 이에 대한 현실적이고 법적인 대처방안의 마련도 반드시 필요하다고 볼 수 있다.

■ 오태광 단장은 서울대학교 농과대학을 졸업하고 동대학원에서 미생물효소학으로 박사학위를 받았다.

현재는 교육과학기술부 21C 프론티어 미생물유전체활용기술개발사업단장직과 2010년 한국과학기술한림원 정회원, 농림수산식품부 간사 및 녹색과학기술 위원회 위원직을 역임하고 있으며, 한국미생물생명공학회 부회장으로서도 활동하고 있다.

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‘경험으로부터의 DNA’첫번째 : 전통 작물육종과 유전자변형기술 두번째 : 전통 동물육종과 유전자변형동물 세번째 : 유전체 시대의 미생물산업 유전체 시대의 미생물산업■ 글 : 오태광/교육과학기술부 21세기 프론티어 미생물유전체활용기술개발사업단장 수 천년을 거쳐 온 발효의 비밀   미생물의 존재는 1673년, 네덜란드의 안토이 반 레벤후크(Antonie van Leeuwenhoek)가 제작한 현미경에 의해 처음 발견되었다.

그리고 약 200년 후인 1864년, 루이 파스퇴르(Louis Pasteur)에 의해 발효나 부패는 자연적으로 발생하는 화학적 현상이 아닌 ‘아주 작은 생물’ 즉, 미생물에 의해 일어난다는 것이 발견되었다.

사실 사람들은 레벤후크가 미생물의 존재를 발견하기 전부터 포도주, 맥주, 치즈, 된장, 김치 등과 같이 미생물에 의한 발효식품을 이용해왔다.

성서 노아시대의 포도주, 그리스로마신화에서 나오는 술의 신, ‘박카스’의 포도주, 이집트 신화의 맥주 등에서 보듯이 발효의 역사는 선사시대 이전으로 추정된다.

  항생제, 세제 생산에 이용되어 온 효소 미생물산업은 미생물이 생산하는 효소를 식품에 이용하면서 발전하였고, 1894년 일본인 다카미네 조키치가 코오지(koji) 배양법에 의해서 곰팡이를 통한 아밀라아제 생산의 상업화에 성공하면서 본격적으로 대량생산이 가능하게 되었다.

  20세기에 들면서 독일의 오토 룀(Otto Rohm)가 미생물의 효소를 세제나 피혁 가공에 이용하는 기술을 개발하였다.

또한 미국의 레오 월터스텐(Leo Waltersten)는 효소를 이용하여 낮은 온도에서 맥주의 성분들이 응고되어 가라앉는 혼탁을 제거한 맥주(chill proofing)를 개발하였다.

이처럼 미생물 효소의 산업적 수요가 점점 확대됨에 따라 관련 연구투자가 활발히 이루어지기 시작하였다.

  하지만 실제적인 미생물산업의 확대는 당시 박테리아로 인한 병에 있어 기적의 치료제로 불리던 페니실린이 1929년 알렉산더 플레밍(Alexander Fleming)에 의해서 발견된 후인 1950년대 후반, 산업적 생산을 위해 2층 건물 크기의 10만 리터 규모의 대형 발효조에서 이 페니실린을 생산하는 푸른곰팡이(Penicilium notatum)를 대량생산하기 시작한 때부터였다.

그때부터 미국에서 대형 산업화로 전환되었고, 이때부터 다량으로 발생하는 발효 후 제품을 수거하고, 폐 배양액을 처리하는 등과 같은 환경에 대한 영향도 고려되기 시작하였다.

    물 속에서 효소를 얻다?   대량의 탱크인 발효조를 이용해 액체 상태에서 미생물의 효소를 생산하는 것은 배양기술 흐름에 있어 가장 중요한 인자로 1960년대를 미생물 기술의 효시로 보고, 또 이를 제1세대의 미생물 기술 발전 단계의 시작으로 보고 있다.

1908년, 보이딘(Boidin)과 에프론트(Effront)가  바실루스 수브틸리스(Bacillus subtilis)를 액체에서 배양하여 아밀라아제를 생산하는 기술을 개발한 이후, 제2차 세계대전을 전후하여 심부배양법(Submerged fermentation)에 의해 효소를 대량생산하는 기술이 정립되어 효소산업이 미생물 산업에 중요한 분야로 대두되었다.

  제2세대는 1953년, 열이나 약물에 대한 저항성을 증가시켜 물질을 장기간 안정적으로 보존하는 방법인 효소고정화기술(Immobilization)이 성공하고 또 1969년, 글루코스 이성화효소(Glucose Isomerase)의 효소고정화 반응기를 이용해서 고과당시럽(high fructose syrup)을 생산하는 등 식품산업을 포함한 정밀화학제품의 생산에 미생물이 이용되면서 시작되었다.

이때의 미생물 생산방법은 제1세대의 심부배양법 도중 영양분이 다 소모되는 발효 중간에 미생물 배지를 다시 추가 하는 유가배양(Fed batch fermentation)법으로 발전하였고, 미생물자원도 배양시간이 짧은 세균을 많이 택하게 되었다.

  물에서 벗어나다! GM미생물을 통한 신물질 생산 제3세대는 1977년, 물을 사용하지 않는 비수계 효소 반응합성이 성공하고 1988년, 비수계 효소반응기가 실용화되면서 활성화되었다.

이때는 주로 특정 유전자를 대장균, 효모 등의 미생물에 도입하거나 유전자가 변형된 미생물을 발효에 이용함으로써 효소나 의약용 단백질을 보다 효율적으로 생산하고자 하였다.

   대사과정을 예측하고, 유전자를 부품처럼 이용하기 시작하다!   1996년, 미생물 헤모필루스 인플루엔자(Haemophillus inflenzae)의 유전정보가 완전히 서열화(Sequencing)된 후, 2000년대에 들어서면서 미생물의 유전체 해독능력이 급격히 증가함에 따라 2010년 4월 기준 완전히 유전체 해석된 1,250개와 현재 해독 중인 4,200개를 합한 5,450개의 유전체가 해독되거나 해독 중에 있다.

제1세대에서 3세대까지는 주로 미생물의 대사산물(Metabolite)의 합성에 중요한 효소를 생육시킨 생물체에서 분리해 생산한 데 비해서 제4세대에는 해독된 미생물의 유전정보에서 다양한 효소 또는 대사공정을 사전에 탐색할 수 있는 시스템이 보편화되기 시작하였다.

이에 따라 아미노산, 비타민 등의 중요한 산업소재를 적어도 80

100g/L 수준으로 대량생산할 수 있는 미생물의 등장으로 소재의 범위가 더욱 확대되었으며, 사실 이를 통해 상당히 많은 산업적 유기합성 공정이 미생물 공정으로 대체되기도 했다.

  또한 최근에는 바이오부품(biobricks), 인공세포(artificial cell)과 같은 신개념의 합성생물학(Synthetic biology) 분야에 응용되면서 의학, 식품, 당류, 분석, 세제, 섬유, 펄프, 동물용, 화학 및 화장품 이외에 에너지 분야에도 광범위하게 사용되는 바이오리파이너리(Biorefinery) 분야까지 확대되고 있다.

            미생물을 통해 유용물질을 보다 효율적, 보다 많이 생산하고자 한 노력은 미생물의 유전정보를 바탕으로 원하는 물질만을 생산하도록 하는 유전자를 가진 생명체의 탄생으로 이어지고 있다.

    미생물 유전체 시대의 유전자재조합기술 제3세대 미생물 기술의 대표하는 유전자재조합(GM)기술은 1973년 미국의 스탠포드대학교 코헨과 보이어박사가 최초로 개발한 이후, 1980년대부터 사람에게 유용한 물질이나 기능이 향상된 GM미생물, GM작물, GM동물 등을 생산하는데 보편적으로 사용하기 시작하였다.

초기의 GM기술은 1978년, 인간의 인슐린 유전자가 삽입된 GM대장균에서 인슐린을 제조하는 데 성공하면서 이루어졌고 1990년, 치즈를 만드는데 사용해왔던 응유효소 키모신을 송아지 위가 아닌 GM미생물에서 생산이 가능해지면서 치즈 생산이 확대되었다.

또한 1993년, 미국의 몬산토사가 GM미생물을 통해 생산한 소의 성장호르몬(BST)이 미국 식품의약국(FDA)에 허가되면서 붐을 타기 시작하였고, 1995년 1월에는 미국에서 세계 최초의 유전자재조합백신이 상품화되면서 GM미생물의 개발이 가속화 되었다.

현재는 호르몬, 항체, 생체기능 단백질 등이 미생물을 이용한 GM기술에 의해서 생산하고 있고 상품화되었다.

이외에도 제초제에 영향을 적게 받거나 해충에 강한 미생물의 유전자를 유채, 대두, 목화, 옥수수, 감자, 목화, 쌀과 같은 작물에 삽입하는 등 농업 분야에서도 상품화되어 우리의 식탁에도 오르고 있다.

  산업적 이용을 위한 안전성 검증 필요  한편 유전자재조합(GM) 미생물을 이용하여 최종제품을 생산하는데 있어 대두될 수 있는 안전성 문제는 크게 두 가지 이다.

첫째로는 현재 가장 많이 이용되고 있는 GM미생물의 개발이나 산업화에서 나타나는 안전성 문제이고, 두 번째 문제는 미생물이 생산한 고분자 및 저분자 물질의 허가와 사용에 관한 제품의 안전성 문제이다.

위의 두 가지 안전성 문제는 이미 국내적으로나 국제적으로나 주목의 대상이 되는 문제로 이에 대한 충분한 사전고려가 반드시 필요한데, 사실 두 가지 모두 법적 규제체계가 마련되어 있거나 마련 중에 있는 현실적인 문제이다.

첫 번째 안전성 문제의 경우 실제로도 특정 GM미생물을 산업화 하거나 또는 수출입하기 위해서는 인체위해성 및 환경위해성을 시험 평가하여야 하고, 산업화 이전의 연구개발 단계에 있어서도 연구시설의 안전관리체계가 갖추어져 이에 대한 신고 혹은 허가가 필요하다.

  두 번째의 안전성문제인 미생물 생산물의 허가와 사용에 관한 제품의 안전성 문제를 살펴보면 미생물이 생산한 최종제품은 정밀화학소재용 특수 기능성 효소, 혁신적인 발현시스템을 기반으로 한 유전자재조합 의약품 등 고분자 물질이 될 수 있으며, 또한 대사과정이 재설계된 고기능성 미생물을 이용한 유용 대사산물 등 저분자물질이 될 수 있다.

이러한 고분자 및 저분자의 미생물 생산물을 제품으로 산업화하기 위해서는 최종제품 및 그 원료에 대한 안전성 검증이 필요하며, 이는 그 제품의 용도와 출처에 따라 법적으로 반드시 수행하여야 할 항목이 결정되어 있다.

 결론적으로 GM미생물을 이용한 최종제품을 생산하기 위해서는 GM미생물에 대한 안전성 검증과 미생물의 생산물인 고분자 및 저분자 물질에 대한 안전성 검증을 모두 고려해야하며, 이에 대한 현실적이고 법적인 대처방안의 마련도 반드시 필요하다고 볼 수 있다.

■ 오태광 단장은 서울대학교 농과대학을 졸업하고 동대학원에서 미생물효소학으로 박사학위를 받았다.

현재는 교육과학기술부 21C 프론티어 미생물유전체활용기술개발사업단장직과 2010년 한국과학기술한림원 정회원, 농림수산식품부 간사 및 녹색과학기술 위원회 위원직을 역임하고 있으며, 한국미생물생명공학회 부회장으로서도 활동하고 있다.

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" 라고 이야기 했습니다.

?대변 속에는 굉장히 많은 세균들이 존재하고 있는데 약 100여 종의 세균이 존재하며, 면역력이 약한 경우 2차 세균 감염으로 인한 ?피부염을 유발할 수  있으며, 장티푸스, 콜레라 같은 감염성 설사가 발생하게 되고, 경우에 따라서는 방광염이라든지 A형 감염 등을 유발할 수 있다고 합니다.

?매년 세계 인구의 약 200만 명이 세균 감염으로 사망하고 있다고 합니다.

- UN 세계보건자료 -?미국 퀴니피악 대학의 연구팀은 화장실에 비치된 칫솔이 '똥'에 오염될 확률이 무려 60%라는 다소 충격적인 연구 결과를 발표했습니다.

습도가 높고 밀폐된 욕실에 비치되는 칫솔은 각종 세균의 온상이 되기 싶습니다.

더 큰 문제는 칫솔이 입으로 들어가기 때문으로 위생을 위한 사용이 오히려 건강을 해치는 도구가 될 수 있다고 합니다.

?로엔 아버 박사는 "인간의 배설물에는 박테리아, 바이러스, 기생충 등 많은 세균들이 있다.

"면서 "진짜 문제는 다른 사람의 세균에 칫솔이 오염될 수 있는 점"이라고 밝혔습니다.

???직장인들 상대로 칫솔 보관 장소에 대해서 물었습니다.

 화장실이나 책상 서랍에 칫솔을 두는 경우는 각각 29%, 책상 위는 19%, 가방 속은 5%로 나타났습니다.

?  6개월 정도 쓴 칫솔들의 오염도를 측정해 봤습니다.

평소 소독기 등으로 자주 말리는 칫솔은 변기의 3배    책상 위에 꽂아둔 건 5배    서랍 속에 넣어 둔 건 7배    휴대용기에 넣어 둔 칫솔은 변기의 13배에 달했습니다.

잘 말리지 않고 밀폐된 곳에 보관할수록 오염도가 높게 나타났습니다.

   이 칫솔들에서 표본을 추출해 30시간 배양을 해봤습니다.

충치의 주범인 뮤탄스균 등 연쇄상구균(streptococcus)과    구강염을 등을 일으킬 수 있는 황색포도상구균(Staphylococcusaureus) ?  대장균등 장내세균(enterobacteria)도 쉽게 확인할 수 있었습니다.

   김영수 고려대 구로병원 예방치과 교수님은 "자외선 살균기나 오존 살균기가 도움이 되는 것은 사실이지만 꼭 필요한 것은 아닙니다.

오히려 햇볕에 말리는 것이 더 좋은 살균 효과를 얻고요.    칫솔 두 개를 구매하셔서 서로 교대로 쓰면서 2

3개월 사용하시는 것이 더 경제적입니다.

"라고 하셨습니다.

       저는 유용미생물 이엠(em)인 GM원액(맑은이엠)을 스프레이 용기에 넣어 두었다가 양치 후 칫솔모에 유용미생물 이엠(EM) 맑은이엠을 뿌려서 칫솔을 보관하고 있습니다.

  한번 사용해 보세요 추천드립니다.

     미생물학 입문 1.1 미생물학 ○미생물학의 2대 주제  ⑴생명현상의 이해   -미생물(microbe, microorganism)(그림1.1)은 세포로 이루어진 생물체에서 일어나는 과정을 이해하는데 있어 훌륭한 모형(모델, model)→기초생명과학(basic life science)  ⑵실생활에 응용   -의학, 농업, 산업 분야에 응용하여 인간생활에 도움→응용생명과학(applied life science) ○미생물의 중요성  -지구상에서 가장 오래된 생물체  -지구상에서 생물량(생체량, 바이오매스, biomass)이 가장 많은 생물체  -생물지구화학적 물질순환(biogeochemical cycle)의 핵심 역할  1.2 세포로서의 미생물  -세포(cell)(그림1.2)   *생명체(life)의 기본 단위   *막으로서 주변환경과 분리되어 있지만, 주변환경과 끊임없는 상호작용을 하고 있는 역동적이며 개방된 구조 ○세포화학 및 주요 구조  -세포를 구성하는 4대 고분자(macromolecule)   *단백질(protein), 핵산(nucleic acid), 지질(lipid), 다당류(polysaccharide; 탄수화물, carbohydrate)   *세포 건조중량의 95% 이상 차지 ○세포의 주요 구조  -세포막(cytoplasmic membrane, cell membrane) : 세포의 경계  -세포질(cytoplasm): 세포를 채우고 있는 액체  -핵(nucleus) 또는 핵모양(nucleoid) : 세포의 성장과 기능에 필요한 유전체 즉 DNA 저장  -리보솜(ribosome): 세포의 성장과 기능에 필요한 단백질 합성  -세포벽(cell wall): 세균이 가지고 있으며 세포모양 유지 ○생물체의 특성(그림1.3)  ①대사(metabolism): 구획화된 공간에서 영양소를 화학적으로 변화시킴  ②생식(reproduction; 생장, growth): 자손을 번식시키며 세포구조물을 재생  ③분화(differentiation): 세포를 변형시켜 새로운 물질이나 구조 합성(일부 미생물만)  ④연락(communication): 화학신호를 통하여 연락(일부 미생물만)  ⑤운동(movement): 운동기관을 이용  ⑥진화(evolution): 오랜 시간에 걸쳐 자손은 생존에 유리한 방향으로 유전형질 획득 ○기계 및 암호장치로서의 세포(그림1.4)  -세포는 기계와 암호장치의 두 기능을 가진다.

  ⑴효소(enzyme)를 촉매로 하여 영양소를 생물고분자와 에너지로 변형시키는 생화학적 기계   ⑵DNA(deoxyribonucleic acid)에 유전암호를 저장하면서 자손에게 전달하는 암호장치  1.3 미생물과 자연환경  -미생물은 자연계에서 생식을 통하여 둘 이상의 개체(individual)가 모인 집단(개체군, population)으로 서식  -미생물 집단이 살고 있는 자연환경을 서식지(habitat)  -서식지에서 미생물은 여러 집단이 모여 군집(community)을 이루어 서로 상호작용을 하며 살고 있다(그림1.5)  -생태계(ecosystem)이란 생물체와 생물체가 서식하고 있는 주변환경을 말한다.

 -미생물생태학(microbial ecology)은 생태계의 미생물을 연구하는 학문으로서, 미생물과 주변환경과의 상호작용(interaction)을 연구  -자원(영양소)과 환경조건(서식지)에 따라 미생물 다양성과 풍부도가 결정  -미생물군집의 활성도는 서식지의 물리화학적 특성에 따라 변화 ○미생물 상호작용  -미생물군집을 이루는 집단까리 서로 상호작용을 하고 있다: 협동(cooperation)과 경쟁(competition)  -미생물은 또한 주변환경과도 상호작용을 한다.

  *미생물은 서식지 환경조건에 따라 다양성과 풍부도가 결정되는 동시에, 서식지 또한 미생물 활동에 따라 변화된다 : 영양소 소모와 노폐물 배출의 결과  1.4 최초의 미생물과 미생물의 범위 ○최초의 세포  -최초의 자가복제 능력을 가진 생물체는 세포가 아니었을 것이다.

 -현존하는 세포성 생물체는 공통조상(universal ancestor)에서 유래  -최초의 생명체는 RNA 분자 즉 RNA 생명체(RNA life) : 자가복제 능력과 효소 능력을 동시에 지님 ○지구상의 시대별 생명체(그림1.6)  -지구 나이는 46억년  -최초의 세포는 38

39억년 전 탄생  -20억년 전까지 지구 대기에는 산소가 없었다.

  *원시지구 대기는 질소와 이산화탄소가 대부분   *따라서 20억년 전까지는 혐기성미생물만 존재  -10억년 전까지는 지구에서 미생물만 존재 ○미생물의 범위  -지구환경에서 미생물이 발견되지 않는 곳은 거의 없다.

 -지구상의 미생물 세포수는 5×1030, 해양과 지하에서 대부분 발견  -미생물생물량은 식물생물량과 같을 정도로 풍부  -따라서 미생물 세포는 동식물의 필수영양소(C, N, P)의 핵심 저장소  1.5 미생물이 인간에게 미치는 영향  -미생물은 인간에게 이롭기고 하고, 해롭기도 하다(그림1.7)  -인간에게 질병을 일으키는 해로운 미생물에 초점을 두고 연구  -그러나 최근 인간에게 이로운 미생물에 대한 연구 활발 ○질병인자로서의 미생물  -미생물 감염병(infectious disease)에 의한 사망자 수는 전 세기에 비해 현저히 감소(그림1.8) ○미생물과 농업  -농업생산성은 미생물 활동에 크게 좌우  -농업에 영향을 주는 미생물: 질소고정세균, 반추동물의 혹위미생물, 토양과 물에서 영양소를 재생하는 분해자 ○미생물과 식품  -해로운 영향: 식품부패  -이로운 영향   *발효: 낙농제품, 기타제품[사워크라우트, 오이절임(피클), 빵, 맥주 등 ○미생물, 에너지, 환경  -생물연료(biofuel): 메탄, 에탄올, 수소  -생물정화(bioremediation): 미생물을 이용한 오염된 환경정화 ○미생물과 유전자원  -항생제, 효소, 다양한 화학물질을 생산하는 미생물 유전자원(genetic resource) 탐색  -생명공학(biotechnology): 유전공학기법을 이용하여 미생물을 변형시켜 의약품(인슐린)과 같은 인간에게 유용한 물질 생산 ○직업으로서의 미생물학  -임상의학  -연구개발: 제약, 화학, 생화학, 생명공학  -자연계에서 극히 작은 것의 역할을 무한정이다-파스퇴르  Ⅱ. 미생물학 발달사 1.6 미생물학의 역사적 뿌리  -질병 기?c설   ①신벌설(천벌설, theurgical theory): 신이 내린 형벌(고대)   ②독기설(miasma theory: 오염된 나쁜 공기 즉 독기가 몸에 들어가서 발병, 히포크라테스의 주장(중세)   ③접촉전염설(미생물병인설, contagium theory): 병에 걸린 사람과 접촉하면 발병(근대)   ④삼요인설이나 다요인설: 병원체, 숙주, 환경의 세 요인이 질병의 원인, 특히 암의 원인은 여러 가지(현대)  -후크(1665): 곰팡이 균사를 현미경으로 처음 관찰(그림1.9)  -레벤후크(1684): 세균을 현미경으로 처음 관찰, 소동물(animalcule)이라 명명(그림1.10)  -콘: 사상세균(그림1.11), 열에 대한 내성이 강한 세균의 내생포자(endospore) 발견(1876)  1.7 파스퇴르와 자연발생설의 몰락 ○광학이성체와 발효  -파스퇴르는 생물체가 광학이성체(optical isomer)를 식별한다는 사실 발견(그림1.12)  -알코올발효는 효모라는 미생물에 의한 반응임을 확인(1860) ○자연발생설(spontaneous generation)의 몰라(1864)  -자연발생설이란 생물체는 무생물에서 자연적으로 생긴다는 가설  -파스퇴르의 백조목 플라스크를 이용한 실험에서 자연발생설 종지부  -부패된 식품에서 미생물과 구더기가 생기는 것은 자연발생된 것이 아니라 공기 중의 미생물에 의해 오염된 결과(그림1.13)  -식품의 저온살균법(파스퇴르살균법, pasteurization) 발견 ○파스퇴르의 다른 업적들  -탄저병, 닭콜레라, 광견병 백신 개발(1885)  -파리에 파스퇴르연구소 설립(1888)(그림1.14)  1.8 코흐, 감염병, 순수배양  -질병과 미생물의 연계성은 의사인 코흐에 의해 실험적으로 증명 ○질병에 대한 미생물설과 코흐가설  -미생물설(배종설, germ theory)   *미생물에 감염된 결과 감염병을 앓는다.

  *탄저병과 결핵의 원인이 되는 세균 검출  -코흐가설(Koch's postulates)(1884)(그림1.15) ○코흐와 순수배양(1881)  -순수배양(pure culture): 한 종류의 미생물만을 배양하는 기술  -감자를 사용한 고체배지에서 세균의 순수배양을 최초로 성공시킨 후, 젤라틴을 거쳐 현재의 고체배지인 우무(한천, agar)까지 개발  -1905 노벨 생리의학상 ○코흐의 가설 검증: 결핵  -결핵균(Mycobacterium tuberculosis) 발견  -항산성염색으로 결핵균 현미경 관찰하고 순수배양 성공(그림1.16) ○오늘날의 코흐가설  -적당한 실험동물을 사용하면 코흐가설은 비교적 손쉽게 증명  -그래서 현대 병원미생물학에서도 코흐가설은 “귀중한 표준(gold standard)"로 평가  -하지만 코흐가설을 충족시키지 못하는 감염병도 많다.

  *콜레라균(Vibrio cholerae), 리케챠(rickettsia) 병, 클라미디아(chlamydia) 병 등   *적당한 실험동물이 없다(실험동물에서는 질병을 일으키지 않는다)   *배양할 수 없다(배양불가능미생물)  1.9 미생물 다양성과 일반미생물학의 등장  -일반미생물학(general microbiology): 의학분야을 제외한 미생물학, 20세기부터 시작 ○바이예린크(바이제링크)  -증균배양(농화배양, enrichment culture) 기술 개발  -질소고정세균(Azotobacter chroococcum)을 적절한 영양소와 배양조건을 적용하여 증균배양 성공(그림1.17)  -토양에서 황산염환원세균, 황산화세균, 질소고정뿌리혹세균, 유산균(젖산균, lactobacillus), 녹조류, 호기성세균들을 순수배양하여 증균 성공  -미생물생태학의 선구자 ○위노그라스드키  -특정 세균집단이 토양에서의 생물지구화학적 변환(황순환이나 질소순환)을 수행  -화학무기영양성(chemolithotrophy) 개념 확립   *황순환에 관여하는 자생광영양세균의 순수분리(그림1.18)   *무기황이나 무기질소와 같은 무기화합물을 산화시켜 에너지인 ATP를 생산하는 대사(그림1.19)  -토양미생물학의 선구자  1.10 미생물학의 새 시대  -20세기 응용미생물학(응용)과 기초미생물학(발견)이 서로 보완하면서 비약적으로 발전  -레벤후크 세균 관찰 이후 PCR이 개발되기까지의 300년 동안(1684

1985)의 미생물학 핵심 발달사(표1.1)  -그 후부터 지금까지의 미생물학 최근 발달사(그림1.20) ○응용미생물학에 속하는 주요 세부학문  -의학미생물학(medical microbiology), 면역학(immunology): 코흐의 업적에서부터 발전  -농업미생물학(agricultural microbiology), 산업미생물학(industrial microbiology): 바이예린크와 위노그라드스키에서부터 발전  -물미생물학(aquatic microbiology), 해양미생물학(marine microbiology): 토양미생물학(soil microbiology)에서부터 발전  -미생물생태학(microbial ecology), 환경미생물학(environmental microbiology): 1960

1970년대 시작  ○미생물학의 주요 사건  ?1665 후크: 현미경으로 코르크에서 세포를 관찰, 곰팡이 균사 관찰로 미생물 최초관찰자  ?1676 레벤후크: 현미경으로 호수물의 세균과 원생동물 관찰로 미생물학 시작  ?1796 제너: 천연두 백신 접종  ?1857

1885 파스퇴르: 자연발생설 부정, 효모에 의한 알코올 발효, 파스퇴르살균법(저온살균법), 광견병 백신  ?1867 리스터: 최초로 수술할 때 소독 실시  ?1876

1884 코흐: 내생포자형성균인 탄저균(Bacillus anthracis) 발견, 세균 순수배양법, 결핵균(Mycobacterium tuberculosis) 배양 및 염색 관찰, 코흐의 가설 발표  ?1884 그람: 그람염색법  ?1885 에셔리히: 대장균(Escherichia coli) 발견  ?1886 프랑켈: 폐렴균(Streptococcus pneumoniae) 발견  ?1887 페트리: 페트리 배양접시(Petri dish) 개발  ?1892 이바노브스키: 담배모자이크바이러스(TMV) 발견  ?1894 예르신: 페스트균(Yersinia pestis) 발견  ?1903 라이트: 면역동물의 혈액에서 항체 발견  -1906 바서만: 매독혈청반응시험(바서만시험) 개발  ?1908 에를리히: 매독 치료제 살바르산 발명으로 최초의 화학요법(요술탄환, magic bullet) 시행  ?1928 그리피스: 세균 형질전환 발견  ?1929 플레밍: 최초의 항생제인 페니실린 발견  ?1944 에이버리: 세균 형질전환 물질은 DNA임을 발견  ?1944 왁스만: 스트렙토마이신 발견  ?1953 왓슨, 크릭: DNA 이중나선 구조 발표  ?1970 아버, 스미스: 제한효소 발견  ?1970 테민, 볼티모어: 역전사효소 발견  ?1982 마샬: 위궤양 원인균 헬리코박터 파일로리(Helicobacter pylori) 발견  ?1983 몽타니에, 갈로: AIDS 원인균인 HIV(human immunodeficiency virus) 발견  ?1983 멀리스: PCR기법 개발  ?1996 월머트: 복제양 돌리(Dolly) 탄생  -1997 효모의 유전체 염기서열 처음으로 완성  ?2001 미국에서 탄저균이 우편물로 배달됨으로써 최초의 생물테러  ?2003 남아시아에서 SARS 발생  ?2005 조류독감 세계 강타  ?2009 신종플루 세계 강타 ○기초미생물학에 속하는 주요 세부학문  -미생물분류학, 미생물생리학, 세포학, 미생물생화학, 세균유전학, 분자생물학, 바이러스학 ○분자미생물학 시대  -생명공학(biotechnology): 유전체 조작, 어떤 생물체의 DNA를 다른 생물체에 이식하여 필요한 단백질 대량 생산  -유전체학(genomics): 세포에 들어 있는 모든 종류의 유전물질인 유전체(genome) 연구  -단백질체학(proteomics): 세포의 발현 최종산물인 분자량이 아주 큰 단백질체(proteome) 연구  -대사체학(metabolomcis): 세포의 대사과정 도중에 만들어지는 분자량이 작은 모든 대사체(metabolome) 연구  2장. 미생물세계로의 여행  핵심용어 -현미경(microscope), 현미경검사(microscopy) -분해능(해상력, resolution), 배율(magnification), 대비(contrast) -그람염색(Gram stain), 물감(염료, dye) -원핵세포(prokaryotic cell), 진핵세포(eukaryotic cell) -원핵생물(prokaryote), 진핵생물(eukaryote), 바이러스(virus) -세포막(cytoplasmic membrane), 세포질(cytoplasm), 세포벽(cell wall) -소기관(organelle), 핵(nucleus), 핵모양(nucleoid), 리보솜(ribosome) -유전체(게놈, genome), 유전자(gene), 염색체(chromosome), 세균염색체(bacterial chromosome), 플라스미드(plasmid) -계통수(phylogenetic tree), 계통학(phylogeny) -영역(domain), 문(phylum) -세균(Bacteria), 고세균(Archaea), 진핵생물(Eukarya) -화학영양생물(chemotroph), 광영양생물(phototroph), 화학유기영양생물(chemoorganotroph), 화학무기영양생물(chemolithotroph) -종속영양생물(heterotroph), 독립영양생물(autotroph) -극한생물(extremophile), 극한환경(extreme environment) -진균(균류, fungi), 조류(algae), 원생동물(protozoa), 점균류(slime mold)  Ⅰ. 미생물의 관찰 ○현미경  -미생물 연구에 있어 가장 중요한 도구  -광원을 이용하여 검체(검사물, 표본, 시료, specimen) 관찰  -광원의 종류에 따라 태양광선을 이용하는 광학현미경, 전자빔을 이용하는 전자현미경, 원자력을 이용하는 원자힘현미경 등  -현미경의 3대 요소: 배율, 분해능, 대비  -현미경검사: 현미경을 이용하여 검체를 관찰하고 검사하는 기술로서, 검체제작기술과 염색기술을 포함  2.1 광학현미경의 원리  -가시광선을 이용하여 물체를 확대 관찰하는 현미경  -최대배율은 1,600×, 최대분해능 0.2㎛ ○광학현미경(optical or light microscope)  -광학현미경의 종류: 명시야현미경, 위상차현미경, 암시야현미경, 형광현미경  -명시야현미경(bright-field microscope)(그림2.1)   *검체와 주위환경(매질) 사이에 존재하는 대비차(밀도차)에 의해 검체 관찰(그림2.2)   *배율은 대물렌즈 배율과 대안렌즈 배율의 곱   *1,000× 이상의 배율에서는 유침유(immersion oil) 필요  2.2 광학현미경의 대비 개선 및 조절 ○염색  -대비란 검체를 배경과 구별할 수 있는 정도를 말하므로, 대비를 증가시키면 검체의 상이 더욱 뚜렷해짐  -염색은 대비를 증가시킬 수 있는 가장 손쉬운 방법   *물감(염료, dye)은 유기화합물로서 (+) 또는 (-) 전하를 띠고 있어 반대전하를 가진 세포물질과 결합   *염기성(+)물감과 산성(-)물감으로 구분   *양전하를 띤 염기성물감은 음전하를 띤 세포물질과 잘 결합하므로 세포염색에 사용   *반면 음전하를 띤 산성물감은 세포가 밀어냄으로써 배경을 염색하는 음성염색(매질염색)에 사용   *단순염색(simple stain)(그림2.3)은 한 종류의 염기성물감만 사용하는 세포염색법: methylene blue, safranin, crystal violet, malachite green   *배경을 염색하는 음성염색도 한 종류의 산성물감인 India ink를 사용하므로 단순염색의 일종 ○분별염색(differential stain): 그람염색(Gram stain)  -분별염색이란 서로 다른 종류의 세포를 구별하는 염색법으로서 2종류 이상의 물감 사용  -그람염색은 가장 많이 사용되는 대표적인 세균의 분별염색법   *1884 Hans Christian Gram 개발   *염색 결과 2종류의 세균집단으로 분류: 그람양성균(Gram-positive bacteria)은 보라색, 그람음성균(Gram-negative bacteria)은 붉은색을 염색(그림2.4) ○위상차현미경(phase-contrast microscope)  -1936 Frits Zernike 발명; 노벨물리학상(1953)  -검체의 굴절률과 주위배경의 굴절률 차이를 증폭시킨 결과 배경을 더 어둡게 보이게 함으로써(대비를 더 높게 만듬) 검체를 선명하게 보이도록 만든 현미경(그림2.5b)  -검체를 염색하지 않으므로 살아있는 미생물 관찰 가능 ○암시야현미경(dark-field microscope)  -빛이 측면에서 검체에 도달하게 하여 산란된 빛만이 렌즈에 도달  -깜깜한 방에 햇빛이 비칠 때 먼지가 보이는 원리  -따라서 명시야현미경과는 명암이 반대인 어두운 배경에 밝은 검체의 상으로 나타남(그림2.5c)  -위상차현미경과 마찬가지로 염색을 하지 않으므로 살아있는 미생물의 운동성 관찰 가능 ○형광현미경(fluorescence microscope)  -형광을 방출하는 검체를 관찰하는데 사용  -형광이란 자외선에 노출될 때 발생하는 빛  -형광을 자연발생하는(자가형광, autofluorescence) 세균이나, 형광물감으로 염색한 세균을 자외선을 방출하는 형광현미경으로 관찰  -깜깜한 배경에 형광이 나타난다(그림2.6)  -자연환경에서 세균을 관찰하는 미생물생태학에서 널리 이용→직접계수(direct count)  2.3 3차원 세포 영상 ○차별간섭대비현미경(differential interference contrast, DIC, microscope)  -2개의 독특한 편광빔을 발생시켜 3차원(3-D) 영상으로 검체를 관찰할 수 있는 광학현미경  -내생포자, 공포(액포, vacuole), 과립과 같은 구조를 3-D로 나타냄(그림2.7a)  -명시야현미경으로 분명하게 관찰하기 어렵거나 전혀 보이지 않는 구조를 DIC 현미경을 통해 관찰 가능 ○원자힘현미경(atomic force microscope, AFM)  -극소형 침을 검체에 극히 가깝게 위치하여 검체 표면의 단일원자의 움직임을 관찰할 수 있는 현미경  -컴퓨터는 침에서 전달받은 정보를 기반으로 3-D 영상 구현(그림2.7b)  -분해능이 전자현미경보다 훨씬 좋다.

 -특별한 검체 전처리 과정이 없다.

○동일초점주사레이저현미경(공초점, confocal scanning laser microscope, CSLM)  -컴퓨화된 현미경은 레이저와 결합하여 3-D 영상 구현  -두께가 두꺼운 검체에 대하여 단면별로 레이저빔을 쬐어 내부를 스캐닝하여 얻은 영상을 조합하여 3-D로 나타낸다(그림2.8)  -CSLM의 분해능은 0.1㎛  2.4 전자현미경(electron microscope, EM)  -광선 대신 파장이 훨씬 짧은 전자를 광원으로 하고, 전자기렌즈를 사용하여 분해능을 극대화시킨 현미경  -세포표면이나 세구내부구조물 관찰 목적  -배율과 분해능은 100,000×, 0.2nm  -2종류 전자현미경: 투과전자현미경(TEM), 주사전자현미경(SEM) ○투과전자현미경, transmission electron microscope, TEM)(그림2.9)  -검체 내부구조 관찰(그림2.10a,b)  -전자빔이 검체내부를 통과하면서 스캐닝할 때 나타나는 전자빔의 산란정도에 따라 명암으로 표시   *단단한 구조일수록 진공에서의 산란이 많아 더 어둡게 나타난다.

 -검체는 20

60nm 정도의 아주 얇은절편(세절편, thin sectioning)이어야 하며, 염색 필요 ○주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)  -검체표면 관찰(그림2.10c)  -전자빔이 금과 같은 금속을 씌운 검체표면을 스캐닝  Ⅱ. 세포의 구조와 진화학적 역사 2.5 세포와 바이러스 구조의 요소들 ○세포의 공통구조(그림2.11)  -세포막(cytoplasmic membrane): 세포와 주변환경과의 경계  -세포질(cytoplasm): 세포막 안을 채우고 있는 액체  -리보솜(ribosome): rRNA와 단백질로 구성된 단백질 합성 소기관 ○원핵세포와 진핵세포  -진핵세포(그림2.12c)   *막으로 둘러싸인 핵 속에 DNA가 들어 있다.

  *원핵세포보다 더 크며(지름 1

수백㎛), 구조 복잡   *소기관(organelle) 존재   *조류, 진균, 원생동물  -원핵세포(그림2.12a,b)   *핵이 없고, DNA가 세포질에 노출된 핵모양(nucleoid)   *막으로 둘러싸인 소기관이 없다.

  *진핵세포보다 훨씬 작고(지름 1㎛, 길이 1

5㎛), 구조 단순   *세포벽이 있어 세포모양 유지   *세균 ○바이러스(virus)  -세포가 아닌 비세포성(acellular) 생물체 또는 무생물인자(non-living agent)라고 부름  -스스로의 대사능력이 없어 숙주(host)에 기생해야만 증식이 가능한 절대기생체(obligate parasite)  -숙주특이성(host specificity): 동물바이러스, 식물바이러스, 미생물바이러스  -유전체는 DNA 또는 RNA: DNA바이러스, RNA바이러스  -가장 작은 바이러스는 지름 10nm(그림2.13)  2.6 미생물 세포 내부의 DNA 배치 ○유전체(게놈, genome)  -세포가 가진 전체 유전자  -유전체의 염기서열결정(sequencing)에 관한 학문이 유전체학(genomics) ○핵(nucleus) 대 핵모양(nucleoid)  -원핵세포는 핵 없이 원형(circular) DNA가 응집되어 초나선을 이루어(supercoiled) 세포질에 노출되어 있는 핵모양 형성(그림2.14)  -원핵세포의 DNA를 세균염색체(bacterial chromosome)라고 하여, 진핵세포의 염색체와 구별  -원핵세포의 DNA는 복제수(copy number)가 1개이므로 유전학적으로 홑배수체(반수체, haploid)  -핵모양 외에 원핵세포는 플라스미드(plasmid)라고 불리는 작은 크기의 원형 DNA도 가진 것도 있다.

 -진핵세포의 DNA는 선형(linear)이고 핵 안에 저장  -진핵세포의 DNA는 접힘을 도와주는 히스톤(histone) 단백질과 결합하여 응축된 염색체(chromosome)로 존재  -보통 1개 이상의 염색체를 가지며, 염색체마다 2개의 복제수를 가지므로 유전학으로 두배수체(이배체, diploid)  -세포분열 과정에서 체세포는 두배수체 염색체가 복제된 다음 2개의 두배수체 염색체로 나누어지는 유사분열(mitosis)(그림2.15)  -반면 생식세포(정자, 난자)는 두배수체 염색체가 홑배수체 염색체로 나누어지는 감수분열(meiosis) ○유전자(gene), 유전체(genome) 및 단백질  -대장균(Escherichia coli, E. coli) 유전체   *467만개의 염기쌍, 4,300개의 유전자, 1,900가지 종류의 단백질, 240만 개의 단백질 분자  -사람 세포의 유전체   *E. coli 세포 DNA의 1,000배, E. coli 세포 유전자의 7배  2.7 생물의 전체 계통수 ○진화(evolution)  -오랜 시간에 걸쳐 유전형질의 변화가 일어나 축적된 결과 신종이나 변종이 생기는 현상  -돌연변이나 자연선택의 결과  -종의 생존에 유리한 발전적 변화 ○계통학(phylogeny)  -생명체 사이의 진화상의 유연관계(relationship)를 규명하는 학문  -rRNA 유전자(리보솜 RNA 유전자, ribosomal RNA gene) 즉 rDNA(리보솜DNA, ribosomal DNA)의 상동성과 이질성을 비교분석한 결과를 계통수(phylogenetic tree)로 나타냄(그림2.16) ○생물체의 3영역(도메인, domain)  -rDNA 염기서열을 비교하여 계통수를 작성한 결과, 세포로 구성된 지구상의 모든 생물체는 3종류의 영역으로 분류(그림2.17): 세균, 고세균, 진핵생물  -3영역의 생물체는 공통조상(universal ancestor)에서 진화  -원핵생물인 고세균과 세균은 계통학적으로 밀접한 관계가 없다.

 -계통학적으로 고세균은 세균보다 오히려 진핵생물과 더 유연관계가 크다.

○진핵생물(Eukarya)  -현존하는 다세포생물체의 조상은 진핵미생물인 것으로 추정  -미토콘드리아와 엽록체는 자체의 별도 유전체와 리보솜을 가짐\   *이들 소기관은 특정세균의 조상에서 기원된 것으로 추정   *미토콘드리아는 자색세균의 조상이, 엽록체는 남세균의 조상이 각각 크기가 큰 진핵생물의 조상 세포 안으로 들어와 공생하면서 소기관으로 진화→내공생(내부공생, endosymbiosis)  Ⅲ. 미생물의 다양성 2.8 미생물의 생리적 다양성  -현존하는 미생물 다양성은 40억년 동안 진화의 결과임  -또한 미생물은 아주 큰 대사 다양성 즉 생리적 다양성을 가짐  -대사에는 크게 세포물질을 만들어내는 생합성(동화, anabolism)과 에너지를 만들어내는 생분해(이화, catabolism)가 있다.

 -유기물질인 세포물질의 원료가 되는 탄소원(carbon source, C source)에는 무기탄소(CO2)와 유기탄소  -에너지인 ATP를 만드는 원료가 되는 에너지원(energy source, E source)에는 햇빛과 화학물질   -대사방식에 따른 생물 분류    ○화학영양생물(chemotroph)  -화학물질에서 에너지를 얻는 생물(그림2.18)  -유기화합물에서 에너지를 얻으면 화학유기영양생물(chemoorganotroph), 무기화합물에서 얻으면 화학무기영양생물(chemolithotroph)  -화학유기영양생물이 에너지를 만들 때 필요한 최종전자수용체로서 산소를 사용하면 호기성생물(aerobe), 산소가 아닌 다른 화합물을 사용하면 혐기성생물(anaerobe)  -화학무기영양생물은 세균에서만 발견 ○광영양생물(heterotroph)  -햇빛을 에너지원으로 사용하여 ATP를 만드는 생물  -광합성색소에서 일어나는 과정인 광합성 결과로서 에너지 생산  -광합성 결과 산소가 만들어지는 산소성광합성과 산소가 만들어지지 않는 무산소성광합성의 2종류 ○독립영양생물(autotroph)과 종속영양생물(heterotroph)  -독립영양생물은 무기탄소인 이산화탄소를 탄소원으로 하여 고분자를 만드는 생물  -종속영양생물은 유기물을 탄소원을 하여 고분자를 만드는 생물  -독립영양생물은 무기물에서 유기물을 생산하는 능력을 가지고 있으므로 1차생산자(primary producer)라고 불림  -화학유기영양생물은 모두 종속영양생물  -종속영양생물은 다양한 종류의 유기물을 탄소원으로 이용할 수 있는 능력  -종속영양생물은 독립영양생물을 잡아먹거나, 독립영양생물이 분비하는 광합성산물인 유기물을 섭취하여 살아감 ○극한생물(extremophile)  -일반 지구환경과는 달리 악조건인 극한환경(extreme environment)에서 살아가는 생물을 극한생물이라고 하며, 이들 대부분이 미생물이므로 극한미생물이라고도 함.  -극한환경에는 뜨거운 온천, 빙산, 염분이 대단히 많은 물, pH가 아주 높거나 낮은 환경, 공기가 통하지 않는 곳, 심해열수분출구, 깊은 지하 등이 포함  -현재 많은 극한미생물이 속속 발견되고 있다(표2.1)  2.9 세균(Bacteria; 진정세균, Eubacteria)  -세균 영역은 계통학적으로 많은 종류의 문(phylum, phyla)으로 구성(그림2.19)  -모든 병원성 원핵세포는 세균 ○프로테오박테리아(Proteobacteria)(그림2.20)  -세균 영역 가운데 속 및 종 수가 가장 많아 다양성이 가장 큰 문  -화학유기영양세균, 화학무기영양세균, 광영양세균이 모두 포함  -그람음성  -대장균(E. coli), Pseudomonas, Salmonella 등 ○그림양성세균(Gram-positive bacteria)(그림2.21)  -그람양성의 특징을 나타내는 문  -내생포자형성균인 Bacillus, Clostridium과, 항생물질을 생산하는 방선균(actinomycetes), 유산균, 세포막이 없는 Mycoplasma 등 ○남세균(시안세균, cyanobacteria)(그림2.22)  -그람양성세균과 계통학적으로 유사  -산소성광영양세균으로서 지구상에서 최초로 대기 중으로 산소 공급 ○기타 세균의 주요 문  -Planctomyces   *부속지의 일종으로 줄기가 달린 줄기세균(자루세균, stalked bacteria)이 포함   *여러 개의 줄기세균 세포들이 한데 모여 줄기들이 한 곳에 집중되어 로제트(rosette) 형성(그림2.23)  -스피로헤타(spirochetes)(그림2.24): 나선형 세균, 매독균이나 라임병균  -녹색황세균(green sulfur bacteria)과 녹색비황세균(green nonsulfur bacteria)(그림2.25): 광영양세균  -Chlamydia: 대부분이 병원성인 절대기생세균  -Deinococcus: 방사능에 강력한 저항성(그림2.26)  -Aquifex: 초고온균(hyperthermophile)이며, 계통학적으로 공통조상과 가장 가까운 세균으로서, 이 세균을 통하여 원시지구의 온도가 매우 높은 것으로 추정(그림2.27)  2.10 고세균(Archaea)  -고세균 영역은 2종류의 아문(subphylum)으로 분류(그림2.28): Euryarchaeota, Crenarchaeota  -많은 종류가 극한미생물로서 현재까지 알려진 생물체 가운데 가장 초고온균 포함  -거의대부분이 화학유기영양세균 즉 종속영양세균 ○Euryarchaeota  -메탄생성균(methanogen): 혐기적으로 유기물질을 분해하여 생물가스(biogas)인 메탄 생성, Methanobacterium  -극호염균(extreme halophile): 대사와 증식을 위해 다량의 염(NaCl)을 요구, Halobacterium(그림2.30)  -고온호산균(thermoacidophile): 고온이며 강산성 환경에서 서식, 세포벽이 없다, Thermoplasma(그림2.31) ○Crenarchaeota  ?대부분이 혐기성 초고온균으로서 심해열수분출구에 서식: Pyrolobus(그림2.29)  ?일부는 해양, 토양, 담수와 같은 일반환경에서도 발견되는 등 자연계에 널리 분포  2.11 진핵미생물(Eukarya) ○진핵미생물의 다양성  -진핵생물 가운데 진핵미생물은 5계분류법의 원생생물(protist)에 해당  -진핵미생물 계통수에는 조류, 진균, 원생동물, 점균류 등이 포함(그림2.32)  -조류(algae, alga)(그림2.33a)   *광영양생물, 독립영양생물, 엽록체, 세포벽, 토양과 물에서 서식하는 1차생산자   *단세포, 다세포 등 다양  -진균(균류, fungi, fungus)(그림2.33b)   *종속영양생물, 세포벽, 습도가 높은 산성토양에서 주로 서식   *단세포(효모), 다세포(곰팡이, 버섯)   *효모는 출아로서, 곰팡이와 버섯은 균사로서 생장  -원생동물(protozoa, protozoan)(그림2.33c)   *종속영양생물, 세포벽이 없는 단세포, 운동성  -점균류(slime molds, slime mold)   *과거 진균으로 분류   *원생동물과 진균의 두 종류 생활사를 모두 가짐   *악조건에서는 원생동물 형태의 단세포들이 결집되어 진균과 같은 자실체 형성  -지의류(lichen)(그림2.34)   *두 종류의 진핵미생물의 상리공생체   *곰팡이와 남세균, 곰팡이와 조류   3장. 세포성분의 화학  핵심용어 -분자(molecule), 원자(atom), 원소(element) -공유결합(covalent bond), 이온결합(ionic bond), 수소결합(hydrogen bond) -고분자(macromolecule), 중합체(polymer), 단량체(monomer) -극성(polar), 비극성(nonpolar), 친수성(hydrophilic), 소수성(hydrophobic) -작용기(functional group) -다당류(polysaccharide), 탄수화물(carbohydrate), 당(sugar), 글리코시드결합(배당결합, glycosidic bond) -지질(lipid), 중성지방(neutral fat)=트리글리세라이드(triglyceride), 에스테르결합(ester bond) -지방산(fatty acid), 포화지방산(saturated fatty acid), 불포화지방산(unsaturated fatty acid) -핵산(nucleic acid), 뉴클레오티드(nucleotide), 폴리뉴클레오티드(polynucleotide), 인산디에스테르결합(phosphodiester bond) -DNA(deoxyribonucleic acid), RNA(ribonucleic acid) -단백질(protein), 폴리펩티드(polypeptide), 아미노산(amino acid), 펩티드결합(peptide bond) -이성체(isomer) -1차구조(primary structure), 2차구조(secondary structure), 3차구조(tertiary structure), 4차구조(quaternary structure) -변성(denaturation), 변성제(denaturant)  Ⅰ. 화학결합, 고분자, 물 3.1 강한 화학결합과 약한 화학결합  -분자(molecule): 2개 이상의 원자가 화학결합을 이룬 물질  -세포에서 화학결합의 종류는 공유결합, 이온결합, 수소결합  -생명체는 11종의 원소(element)로 구성   *C, H, O, P, K, I, N, S, Ca, Fe, Mg(CHOPKINS Cafe Might Good!)   *이 가운데 C, H, O, N의 4개 원소가 생물체 무게의 99.5% ○공유결합(covalent bond)  -두 원자의 최외각 에너지준위(energy level)에 있는 전자를 서로 공유함으로써 안정된 분자를 형성하는 강한 화학결합  -둘 이상의 공유결합도 가능하며, 공유결합의 수가 많을수록 강한 결합(그림3.1): 이중결합(C=O), 삼중결합(N≡N)  -단량체(monomer): 중합체를 이루는 기본 단위체인 작은 분자  -중합체(polymer): 여러 개의 단량체가 결합된 큰 분자  -고분자(macromolecule)   *여러 개의 중합체들이 공유결합을 이루어 만들어진 아주 거대한 분자   *물을 제외한 세포성분의 대부분은 4종류의 고분자로 구성: 다당류, 지질, 핵산, 단백질 ○수소결합(hydrogen bond)과 극성(polarity)  -한 극성분자(polar molecule)의 양(+)전하를 띠고 있는 수소원자의 인력에 의해 다른 극성분자의 음(-)전하를 띤 원자(O, N)가 수소원자 가까이 있게 하는 가장 약한 결합(그림3.2)  -물, 단백질, DNA와 같은 세포 구성분자 결합에 있어 중요  -효소가 기질의 공유결합을 파괴하는 반응을 촉매하기 위해서는 수소결합, 반데르발스힘, 이온결합, 소수성상호작용과 같은 약한 결합을 통해 효소가 먼저 기질에 부착  -극성이란 분자를 구성하는 원자들이 전하를 띠는 성질로서, 극성분자는 친수성(hydrophilic)이므로 수용성(water soluble)  -비극성은 분자를 구성하는 원자들이 전기적으로 중성인 성질로서, 비극성분자는 소수성(hydrophobic)이므로 불수용성(water insoluble) ○다른 약한 결합들  -반데르발스힘(van der Waals force)   *원소 사이 간격이 3

4Å(1Å=10-10m)보다 더 가까이 있게 될 때 생기는 인력  -이온결합(ionic bond)   *한 원자는 전자를 얻는 대신 다른 원자를 전자를 잃어버림으로써 안정성을 얻는 결합   *전자를 잃는 원자는 양(+)이온(cation), 전자를 얻는 원자는 음(-)이온(anion)  -소수성 상호작용(hydrophobic interaction)   *극성환경에서 비극성분자 혹은 분자의 비극성부분들이 용해되지 않으려고 서로 연합하는 약한 결합 ○생물고분자의 결합형태  -탄소는 모든 생물고분자의 핵심원소  -작용기(functional group)(표3.1)   *유기화합물이 독특한 화학적 성질을 갖게 하는 원자들의 조합   *생물고분자에서 중요한 7대 작용기: ①히드록실기(hydroxyl, -OH) ②카르보닐기(carbonyl; 케토기, keto, -CO-)(cf, 알데히드, aldehyde, -CHO) ③카르복실기(carboxyl, -COOH)(cf, 에스테르, ester ④아미노기(amino, -NH2) ⑤술프하이드릴기(sulfhydryl, -SH) ⑥인산기(phosphate, -PO4) ⑦메틸기(methyl, -CH3)  3.2 고분자와 물  -물은 세포 습윤중량(wet weight, wt)의 가장 많은 성분으로서 70% 이상 차지  -고분자는 세포 건조중량(dry weight, dw)의 95%, 고분자의 절반 이상은 단백질(표3.2)  -세포를 구성하는 4대 고분자(그림3.3): ①단백질 ②핵산 ③지질 ④다당류 ○생물학적 용매로서의 물  -세포질을 액체이므로 세포구성분자는 물에 잠겨 있고 생화학적 반응은 수용액에서 일어난다.

 -물이 생물학적 용매로서 작용할 수 있는 가장 중요한 특성 두 가지는 극성과 응집력(cohesiveness)   *수소원자 2개와 산소원자 1개가 극성공유결합   *물분자는 주위의 다른 물분자와 수소결합   *고분자는 대부분 극성분자이므로 물에 잘 녹는다.

  *소수성상호작용의 결과 비극성분자들이 결집됨으로써 안정성 유지   *응집력은 표면장력이 생기게 하고 비열을 높게 하여 외부온도 변화에 대하여 항상성 유지   *얼음의 비중이 물보다 낮아 물의 결빙 방지  -생명체는 물에서 진화된 것으로 추정  Ⅱ. 비정보성 고분자 3.3 다당류  -유전정보와 관련없는 비정보성고분자(noninformational macromolecule)는 다당류와 지질 ○탄수화물(carbohydrate)  -단량체인 당(sugar)의 중합체  -C:H:O=1:2:1인 유기화합물로서 (CH2O)n으로 표기  -생명체가 최우선적으로 이용하는 1차에너지원  -핵산과 ATP의 기본구조이며 세포벽성분  -당의 개수로서 분류   ①단당류(monosaccharide)    *1개의 당만 가짐    *생물체에는 5탄당(pentose, C5당류)과 6탄당(hexose, C6당류)이 가장 중요(그림3.4)    *6탄당에는 포도당(glucose), 과당(fructose), 갈락토오스(galactose)의 3종류 구조이성체    *입체이성(D-glucose, L-glucose)도 있음   ②이당류(disaccharide)    *2개의 단당류가 탈수합성되면서 형성되는 글리코시드결합(배당결합, glycosidic bond)을 통하여 연결(그림3.6)    *설탕(수크로오스, sucrose), 젖당(락토오스, lactose), 엿당(말토오스, maltose)   ③소당류(올리고당류, oligosaccharide)    *3

10개의 단당류가 결합    *천연소당류는 식물에 많이 함유    *칼로리가 낮아 다이어트에 효과    *프룩토소당류(fructo-oligosaccharide, FOS), 갈락토소당류(galacto-oligosaccharide, GOS), 만난소당류(mannan-oligosaccharide, MOS) 등   ④다당류(polysaccharide)    *10개 이상의 많은 단당류가 결합    *녹말(전분, starch), 글리코겐(glycogen), 셀룰로오스(섬유소, cellulose) ○복합다당류(complex polysaccharide)  -다른 종류의 고분자들이 결합된 다당류  -당단백질(glycoprotein), 당지질(glycolipid)  -세포에서의 기능: 세포표면의 수용체 분자, 당지질은 그람음성세균의 세포막 성분  3.4 지질(lipid)  -세포막의 주요 구성성분: 세포막은 인지질이중층(phospholipid bilayer) 구조  -다양한 구조로서 중합체가 아님  -친수성과 소수성 성질을 모두 가진 양수성(amphipathic) 고분자  -대표적인 특징은 물에 녹지 않는 비극성 고분자라는 것으로서, 가장 흔한 이름은 지방(fat)  -비극성용매(에테르, 아세톤)에는 녹는다.

 -생물고분자 가운데 가장 크기가 작다.

 -구성원소에 따라 단순지질(simple lipid)과 복합지질(compound lipid)로 분류 ○단순지질  -C, H, O의 3가지 원소로만 구성된 지질  -지방은 상온에서 고체인 중요한 에너지 저장분자  -글리세롤[glycerol; 글리세린, glycerin; C3H5(OH)3]과 지방산(fatty acid)으로 구성  -중성지방과 스테로이드의 2종류  -중성지방(neutral fat)   *글리세롤 1분자와 지방산 3분자가 탈수합성으로 공유결합된 구조로서 트라이글리세라이드(triglyceride)라고도 함(그림3.7⒝)    √세균과 진핵생물 세포막에서의 결합은 에스테르(ester, -CO-O-C-)결합    √고세균 세포막에서의 결합은 에테르(ether, -C-O-C-)결합  -포화지방산과 불포화지방산(그림3.7⒜)   *포화지방산(saturated fatty acid)이란 탄소골격에 이중결합 없이 모두 수소로 포화된 지방산    √동물조직에 많이 들어 있으며, 상온(실온, 15℃)에서 고체   *불포화(unsaturated)지방산은 탄소골격에 1개 이상의 이중결합을 가진 지방산    √불포화지방산은 대개 식물지방이며 상온에서 액체    √고도불포화(polyunsaturated)지방산은 여러 갱의 이중결합    √화학구조식은 탄소개수, 이중결합개수, 첫 이중결합이 나타나는 탄소번호를 붙이고, 이중결합의 존재는 ω(오메가)로 표기하며, 첫 이중결합이 나타난 탄소번호(메틸기탄소가 1번)를 따서 명명(예; 오메가-3 지방산)  -스테로이드(steroid)   *탄소가 4개의 고리구조인 스테로이드를 가진 비극성 단순지질(그림⒜)   *물에 녹지 않으므로 지질로 분류   *스테롤 종류인 콜레스테롤(cholesterol)은 세포막의 주요 성분, 쓸개즙의 원료, 비타민D합성에 중요한 반면, 혈청 콜레스테롤은 동맥경화의 원인 ○복합지질  -C, H, O 외에 다른 원소를 가진 구조가 보다 복잡한 지질  -인지질(phospholipid)이 세포에서 가장 중요한 복합지질(그림3.7⒞)   *세포막은 인지질이중층 구조이며, 이 구조를 단위막(unit membrane)이라고 부른다.

   Ⅲ. 정보성 고분자 3.5 핵산(nucleic acid)  -유전정보를 가진 정보성고분자(informational macromolecule)는 핵산과 단백질  -크기가 가장 큰 생물고분자  -세포 안에서 유전정보를 저장하고 운반  -핵산은 단량체인 뉴클레오티드(nucleotide)의 중합체로서 폴리뉴클레오티드(polynucleotide)라고도 부른다.

 -뉴클레오티드의 기본구조(그림3.8): 오탄당(pentose), 질소염기(nitrogenous base), 인산기(phosphate group)  -DNA와 RNA의 2종류 ○뉴클레오티드  -질소염기는 푸린과 피리미딘의 2종류(그림3.9)   *푸린(purine): 2개의 고리로 이루어진 A(아데닌, adenine)와 G(구아닌, guanine)   *피리미딘(pyrimidine): 고리 1개로 이루어진 T(티민, thymine) 또는 U(우라실, uracil)와 C(시토신, cytosine)  -질소염기는 당의 1번탄소(1‘))에서, 그리고 인산기는 당의 5번탄소(5’)에 각각 결합하여 뉴클레오티드 형성(그림3.10)  -인산기 없이 당에 염기만 결합된 유기물을 뉴클레오시드(nucleoside)  -생물체 에너지인 ATP(adenosine triphosphate, 아데노신3인산)는 아데노신에 3개의 인산기가 결합(그림3.10) ○핵산  -뉴클레오티드의 중합체인 폴리뉴클레오티드  -핵산은 2개의 당이 인산디에스테르결합(phosphodiester bond)으로 연결(그림3.11⒜)   *당의 3번탄소(3‘, three prime)에 붙은 OH에 다른 당의 5번탄소(5’, five prime)에 붙은 PO4가 연결  -1차구조(primary structure)(그림3.11⒞): DNA 혹은 RNA 분자의 뉴클레오티드서열로서 염기만 표시  -2차구조(secondary structure)(그림3.11⒞): 단일가닥인 RNA의 경우 상보적인(complementary) 뉴클레오티드끼리 수소결합을 이루어 접히거나 고리모양을 이루는 것 ○DNA(deoxyribonucleic acid, 데옥시리보핵산)  -세포의 특징을 결정짓는 지배분자(master molecule)  -뉴클레오티드의 구성: 오탄당(데옥시리보오스), 질소염기(A, G, T, C), 인산기  -뉴클레오티드 단량체가 공유결합으로 연결   *5‘→3’ 방향으로 인산디에스테르결합을 이루어 당-인산골격(sugar-phosphate backbone) 형성(그림)  -DNA는 이중가닥(double-stranded)의 폴리뉴클레오티드가 서로 꼬여있는 나선(helix) 구조(그림)   *두 가닥은 각각의 질소염기 사이의 수소결합으로 연결   *수소결합을 이룬 2개의 염기를 염기쌍(base pair)이라고 하며, 반드시 A=T, C≡G의 상보적 염기쌍을 이룬다.

○RNA(ribonucleic acid, 리보핵산)  -DNA 유전부호 즉 코돈(유전자부호, codon)의 해독과 관련된 핵산  -구조는 DNA와 비슷하지만 몇 군데 차이   *이중가닥이 아닌 단일가닥(single-stranded)으로 2차구조 형성   *오탄당은 데옥시리보오스 대신 리보오스   *질소염기 가운데 T 대신 U를 가져 A, G, U, C의 4종류   *대체로 DNA보다 길이가 짧다.

 -RNA에는 4종류가 알려져 있다: ①mRNA ②rRNA ③tRNA ④miRNA  3.6 아미노산과 펩티드결합  -아미노산(amino acid)은 단백질의 단량체  -아미노산의 기본구조(그림3.12⒜)는 중앙의 α-탄소에 4종류의 화합물이 결합되어 있으며, 이 가운데 아미노기와 카르복실기가 공통으로 붙어 있어 아미노산이라고 명명   *아미노기(-NH2): N-말단(terminus)   *카르복실기(-COOH): C-말단   *수소(-H)   *R기: 곁사슬(side chain)  -유전자부호해독(번역, translation)되는 아미노산의 종류는 모두 22종류(그림3.12)  -22종 아미노산 모두 C, H, O, N의 4가지 원소로 구성되며, 2종(Cys, Met)은 S를, 1종(Sec)은 Se 포함  -R기의 종류에 따라 아미노산 성질 결정: 산성 또는 염기성, 극성 또는 비극성, 친수성 또는 소수성  -아미노산 단량체들은 공유결합인 펩티드결합(peptide bond)으로 연결되어 폴리펩티드(polypeptide) 즉 단백질 형성(그림3.13)  -필수아미노산(essential or indispensable amino acid)이란 생물체가 합성하지 못하여 음식물로서 섭취해야 하는 아미노산   *성인: 8종(Ile, Leu, Met, Phe, Thr, Trp, Val)   *유아, 어린이: 성인 8종 +2종(His, Tyr) ○이성체(isomer)  -분자식은 같지만 성질이 서로 다른 화합물   *구조이성체(structural isomer): 구조가 서로 다른 이성체(포도당, 과당, 갈락토오스)   *광학이성체(optical isomer): 거울상 대칭구조의 이성체(D-형, L-형)   *생명체에는 L-아미노산과 D-당이 대부분   (라세미화효소(racemase): 광학이성체를 상호전환할 수 있는 효소  3.7 단백질: 1차구조와 2차구조  -세포 건조중량의 50% 이상 차지  -단량체인 아미노산의 중합체  -주요기능에 따른 단백질 분류   ①구조단백질: 세포막, 근육, 힘줄, 혈구, 리보솜과 같은 세포구성성분을 만들고 세포형태 유지하는 단백질   ②조절단백질: 효소(enzyme) 활성이나 유전자 작용과 같은 생체활성을 조절하는 단백질   ③운반단백질: 지질단백질과 같이 분자를 운반하는 단백질 ○1차구조  -단백질은 여러 개의 아미노산이 펩티드결합으로 연결된 고분자인 폴리펩티드   *디펩티드(dipeptide), 트리펩티드(tripeptide), 폴리펩티드   *단백질을 이루는 아미노산의 수는 수십개에서 수만개  -단백질은 1개 이상의 폴리펩티드로 구성  -1차구조란 폴리펩티드를 이루는 아미노산 서열  -1차구조에 따라 2,3,4차 구조 결정 ○2차구조  -폴리펩티드가 꼬이고 접힌 형태: α-나선(α-helix, 그림3.15⒜), β-병풍(β-sheet, 그림3.15⒝)  3.8 단백질: 고차구조와 변성 ○3차구조(tertiary structure)  -3차구조와 4차구조를 합하여 고차(higher-order)구조라고 부른다.

 -여러 개의 2차구조 즉 α-나선 구조와 β-병풍 구조가 상호작용하여 만들어낸 공모양이나 섬유모양의 3차원 구조(그림3.16)  -전화선이 꼬여 있는 구조를 연상하면 된다.

 -2개 이상의 아미노산 사슬은 이황결합(disulfide bond; -S-S-)으로 연결  -3차구조의 특징은 폴리펩티드가 고랑(groove)을 형성하여 활성부위(active site)로 작용 ○4차구조(quaternary structure)  -3차구조를 이룬 2개 이상의 폴리펩티드가 결합된 구조(예: 헤모글로빈, 그림3.17)  -각 폴리펩티드는 자신의 독자적인 3차구조를 그대로 유지 ○변성(denaturation)  -주로 단백질의 고차구조가 파괴되어 단백질의 고유한 성질이 변하는 현상  -변성 결과 활성단백질은 생물학적 기능을 잃어버려 불활성단백질로 변한다.

 -변성은 가역적이거나 비가역적  -강산성이나 강염기성, 높은 온도, 화학물질, 금속과 같은 변성제(denaturant)에 의함  4장. 원핵세포의 구조와 기능  핵심용어 -원핵세포(prokaryotic cell), 진핵세포(eukaryotic cell) -세균(Bacteria), 고세균(Archaea), 진핵생물(Eukarya) -세포막(원형질막, cytoplasmic membrane), 원형질체(protoplast) -인지질이중층(phospholipid bilayer), 단위막(unit membrane) -능동수송(active transport), 막단백질(membrane protein), 수송단백질(transport protein) -세포벽(cell wall), 펩티도글리칸(peptidoglycan), -외막(outer membrane), LPS(지질다당류, lipopolysaccharide), 내독소(endotoxin) -원형질막공간(periplasm) -편모(flagella), 필리(pili), 핌브리아(fimbriae), 협막(capsule), 점액층(slime layer) -과립(granule), 포함물(봉입체, inclusion) -내생포자(endospore), 가스소포(gas vesicle), 가스액포(gas vacuole), -주성(쏠림성, taxis), 화학주성(chemotaxis), 주광성(phototaxis), 활주(gliding)  Ⅰ. 세포 모양과 크기 4.1 세포형태  -대표적 세균 형태(그림4.1): 알균(구균, coccus), 막대균(간균, bacillus), 비브리오(vibrio), 나선균(스피릴룸, spirillum), 스피로헤타(spriochete), 부속기세균(appendaged bacteria), 사상세균(filamentous bacteria) 등  -세포 형태만으로는 세균 종류를 알 수 없다.

 4.2 세포크기와 작은 크기의 중요성 ○세포크기  -원핵세포 크기(표4.1)   *지름 0.2

700㎛, 배양가능한 막대균의 크기는 폭 0.5

4.0㎛, 길이 15㎛ 이하   *무척 큰 거대세균도 존재(그림4.2)  -진핵세포 크기: 지름 10

200㎛ ○표면적 대 부피 비(S/V ratio)  -작은 크기의 이점: 작을수록 부피 대비 표면적이 커져 물질수송속도가 빠르므로 더 빨리 생장, 빠른 생장률은 진화속도를 증진시켜 더 빨리 진화함으로써 더 오래 생존  -원핵세포가 진핵세포보다 더 빨리 진화함으로써 지구에서 더 오랫동안 생존 ○세포 크기의 최소한계  -존재가능한 이론적인 최소 세포크기는 지름 0.15㎛의 나노세균(nanobacteria)  -바다에 특히 작은 세포(지름 0.2

0.4㎛)가 많다.

 Ⅱ. 세포막과 수송 4.3 세균과 고세균의 세포막 ○세포막(원형질막, cytoplasmic membrane)  -세포와 주변환경과의 경계  -인지질이중층(phospholipid bilayer)으로 이루어진 단위막 구조(그림4.4, 4.5)   *인지질이 에스테르 결합(그림4.7), 친수성 글리세롤-인산 꼬리(-), 소수성 지방산꼬리  -선택적 투과성을 가진 유동성 구조 ○막단백질  -인지질이중층 군데군데 삽입  -막단백질은 조금씩 움직임→유동모자이크모델  -물질수송 기능: 수송단백질의 도움  -수소결합과 소수성상호작용에 의하여 안정 ○막 강화물질(그림4.6): 스테롤, 호파노이드 ○고세균의 세포막  -인지질단일층(그림4.8d), 에테르결합(그림4.7c), 지방산 대신 이소프렌(그림4.7c)  4.4 세포막 기능  -세포막의 3대 기능(그림4.9): 물질수송, 단백질고정, 에너지생성 ○물질수송  -인지질이중층이어서 물질 크기나 전하, 친수성/소수성 정도에 따라 선택적 투과(표4.2)  -물이나 작은 크기의 소수성 분자는 확산 투과  -친수성 및 전하를 띤 극성분자는 투과 불가능 ○수송단백질  -확산 투과가 안되는 물질의 능동수송 담당  -확산에 의한 물질투과량은 세포가 필요한 양보다 훨씬 적다.

 -수송은 물질의 농도기울기에 역행하는 수송이므로 에너지 소모  -수송단백질의 특성: 포화효과, 높은 특이성, 수송단백질 생합성은 세포가 결정    4.5 수송과 수송체계 ○원핵생물의 3가지 주요 수송체계(그림4.11)  ①단순수송: 수송물질이 양성자동력(pmf, proton motive force)에 의해 막관통수송체 통과  ②작용기전달수송: 수송물질이 고에너지결합물질에 포함된 에너지에 의해 수송되면서 떨어져나온 작용기가 붙어 화학적으로 변형되면서 막관통수송체 통과  ③ABC 수송체계; 수송물질이 원형질막공간 결합단백질에 먼저 결합한 다음 세포질의 ABC(ATP-binding cassette)의 ATP에 의해 막관통수송체 통과  -막관통수송체의 종류(그림4.12): 단일수송체, 역수송체, 공동수송체 ○단백질과 같은 큰 물질(세포외효소, 독소 등)의 분비는 관련 효소의 작용으로 이루어짐  Ⅲ. 원핵생물의 세포벽 4.6 세균 세포벽: 펩티도글리칸  -세포벽의 기능: 모양유지, 삼투압에 의한 용균방지, 견고함  -세포벽의 종류에 따라 세균 분류(그림4.16): 그람양성균, 그람음성균 ○펩티도글리칸(peptidoglycan)  -세포벽을 단단하게 유지하는 층  -N-아세틸글루코사민과 N-아세틸뮤람산이 글리코시드결합으로 반복적으로 연결된 글리칸 다당류 사슬(그림4.18)  -평행하는 글리칸 사슬은 아미노산으로 구성된 펩티드가교로 서로 연결되면서 교차결합(그림4.19) ○그람양성균의 세포벽(그림4.20)  -세포벽의 90% 이상이 펩티도글리칸 ○용균효소와 원형질체  -용균효소(lysozyme)는 글리칸사슬의 G-M의 글리코시드 결합 파괴  -글리칸사슬이 끊어지면 삼투에 의해 물이 세포속으로 들어와 세포가 팽창하여 터지는 용균(lysis) 발생(그림4.21a)  -반면 등장액에서는 삼투가 일어나지 않고 원형질이 세포벽을 빠져나가 용액속에서 원형질체(protoplast) 형성(그림4.21b) ○세포벽이 없는 세포  -병원균인 Mycoplasma 속 세균과 Thermoplasma 속 고세균  -대신 세포막이 견고하거나(스테롤), 삼투의 영향을 별로 받지 않는 동물의 몸에서 기생  4.7 그람음성균의 외막 ○외막 구조  -세포벽의 일부만 펩티도글리칸, 나머지는 외막  -외막은 세포막과 비슷한 지질이중층이지만, 바깥층은 지질다당류(LPS) 층→보통 외막을 LPS층이라고 부름(그림4.23a) ○내독소(endotoxin)  -세균의 LPS층은 숙주에 독성 유발  -병원균 자체에 존재하는 독소가 내독소(endotoxin)로서 LPS층의 지질A가 독성 물질 ○포린(porin): 외막에는 포린이라는 작은 구멍이 있어 작은 친수성 분자 통과 가능(그림4.23b) ○원형질막공간(periplasm)  -세포막과 외막 사이의 공간이 원형질막공간(그림4.24)  -약 15nm 폭으로서 펩티도글리칸층이 들어 있다.

 -겔과 같은 점성을 가지며, 많은 종류의 단백질이 들어 있다.

○그람양성균과 그람음성균의 차이  -세포벽의 펩티도글리칸층 두께의 차이  -펩디도글리칸층이 얇은 그람음성균은 알코올에 의해 쉽게 녹아 내부의 보라색물감복합체가 빠져나오고 대비염색용 물감이 사프라닌의 붉은색으로 염색  4.8 고세균의 세포벽  -펩티도글리칸층도 외막도 없다  -고세균의 세포벽 종류는 매우 다양 ○슈도뮤레인(pseudomurein) 층  -펩티도글리칸과 비슷한 구조이지만 N-아세틸글루코사민과 N-아세틸로사미누론산이 β-1,3 글리코시드 결합으로 연결  -글리칸사슬의 펩티드가교의 아미노산 종류도 다름  -따라서 용균효소나 페니실린에 의해 펩티도글리칸이 파괴되지 않음  -슈도뮤레인이 없는 고세균도 많다 ○S층  -고세균의 가장 보편적 세포벽 구조로서 단백질이나 당단백질로 구성  Ⅳ. 다른 세포 표면구조와 포함물 4.9 세포표면층, 필리와 핌브리아 ○협막(capsule)과 점액층(slime layer)  -끈적끈적한 다당류 층으로 고체표면에 부착하여 생물막(biofilm) 형성  -동물면역세포(포식세포)의 포식 회피  -수분이 많아 건조에 대한 저항성  -다당류층이 물질이 스며들지 못할 정도로 조밀하게 바탕질을 형성하면 협막(그림4.28)이고, 느슨하여 세포표면에서 분리되면 점액층 ○핌브리아와 필리  -세포표면에 돌출된 단백질 성분의 작고 가는 털(그림4.29)  -핌브리아: 고체표면에 부착, 질병 유발(살모넬라증, 임질, 백일해 등)  -필리: 핌브리아보다 길며 1개 내지 몇 개로서 수가 적다(그림4.30), 바이러스의 수용체, 표면부착, 접합, 운동성 등  4.10 세포 포함물(봉입체, inclusion)  -세포 안에 저장되어 있는 물질로서 과립(granule) 형성 ○탄소 저장중합체  -PHB(poly-β-hydroxybutylate) : 지질(그림4.31)  -글리코겐: 포도당 중합체 ○중합인산염(polyphosphate): 무기인산염 중합체 ○황과립: 황 원소의 집합체(그림4.32) ○마그네토솜(magnetosome): 자철광입자로서 자기주성을 나타냄(그림4.33)  4.11 가스소포(gas vesicle) ○기능: 물에서 사는 부유미생물이 부력을 갖게 하여 적당한 수심에서 생활 가능, 특히 광합성미생물에게 유용 ○구조  -단백질로 이루어진 방추형(그림4.35)  -막은 불투수성으로 기체만 통과  -가스소포의 개수를 조절하여 부력 조절  -가스소포가 여러 개 모여 가스액포(gas vacuole) 형성(그림4.36)  4.12 내생포자(endospore) ○내생포자의 특징  -일종의 휴지기세포로서 열, 독성물질, 방사선, 건조, 굶주림 등 열악한 환경조건에 ?옳� 강한 저항성을 가진 고도로 분화된 세포  -내생포자의 종류: 중심형(Bacillus), 말단형(Clostridium)(그림4.38)  -바람, 물, 동물의 장을 통해 쉽게 확산→생물무기로 활용  -일부 그람양성균에만 존재  -수명은 최대 몇 억년에 이르는 것으로 추정 ○내생포자의 생성과 발아  -영양세포(vegetative cell)의 포자화로 내생포자가 생성되고, 내생포자가 발아하여 영양세포가 됨(그림4.39, 4.40)  -영양세포와 내생포자는 특성이 아주 다름(표4.3) ○내생포자의 구조  -몇 겹의 두꺼운 막으로 둘러싸임(그림4.41)  -말라카이트그린으로 염색하면 내생포자는 초록색  -디피콜린산(dipicolinic acid)가 열악한 환경조건(특히 내성)에서 생존에 도움  Ⅴ. 미생물의 운동 4.13 편모와 운동성 ○세균의 편모(flagella)  -세균의 운동기관  -다양한 편모배열: 주모성, 극모성, 속모성(그림4.44, 4.45)  -나선형 형태이며, 회전에 의하여 이동  -한 종류의 플라젤린 단백질만으로 구성된 필라멘트 ○고세균의 편모  -편모를 가진 고세균이 많다(그림4.48)  -세균 편모보다 훨씬 얇고, 여러 종류의 플라젤린 단백질로 구성 ○편모의 속도와 이동형태  -액체 속에서 초당 자신의 세포길이의 60배 이동 가능  -질주, 후진, 방향전환 가능(그림4.50)  4.14 활주운동 -활주(gliding)란 편모가 없는 세균의 이동방법 -편모운동보다 속도가 느리고 부드러운 이동으로 원생동물인 아메자 운동 -세포의 긴 축을 따라 이동 -활주운동을 하는 세균은 사상이거나 긴 막대형(그림4.51)  4.15 행동반응으로서의 세포운동: 미생물의 주성 ○주성(쏠림성, taxis)  -주성이란 물리적 또는 화학적 인자의 농도기울기에 따른 이동으  -주성의 종류: 화학주성, 주광성, 산소주성, 삼투주성, 물주성 ○화학주성  -세균 세포는 이동 도중 공간적이 아닌 시간적인 화학물질의 농도기울기에 반응하면서 질주와 방향전환 반복  -세균의 화학수용체가 유인물질과 배척물질을 감지하여 이동(그림4.53) ○화학주성의 측정  -편모를 가진 세균을 액체가 든 그릇에 넣고 여기에 3종류의 물질(그릇내 액체, 유인물질, 배척물질)이 각각 든 모세관을 꽂아 일정시간 후에 모세관 안의 세균수 계수(그림4.54a

e)  -현미경 관찰도 가능(그림4.54f)    2. 비록 이런 이식유전자가 식품에서 발견되지 않더라고, GM(유전자변형)처리는 여전히 위험을   수반한다.

3. GM(유전자변형)단백질은 건강에 좋지 않을 수 있고, 성질을 변형시키며, 예상치 못한 방식으로   화합물과 반응한다.

4. 유전자삽입과정은 미생물의 정상적인 유전자 발현을 방해할 수도 있다.

   > 원본글(영어) └ 접기   출처 : The Institute for Responsible Technology 번역 : 베지파파 
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