원핵세포, 세균의 특징과 형태 및 종류

미생물학의 정의

미생물학은 미생물을 연구하는 학문이다. 미생물(microorganisms)은 현미경으로 볼 수 있는 단세포 생물체와 세포가 아닌 바이러스를 포함한다. 미생물 세포는 스스로 생활해가는 독립적인 개체라는 점에서 일반 식물세포나 동물세포와는 다르다.

 

모든 세포는 물질대사를 하며, 생장하고, 진화한다는 특징을 가진다. 세포는 환경으로부터 영양소를 흡수하여 에너지 및 세포물질로 변형 시키고 이에 수반되는 부산물을 남기는 물질대사(metabolism)을 하며, 새로운 구조의 생산을 통해 세포분열을 일으켜 두 개의 세포를 만들어 내는 생장(growth)을 한다. 또한 모든 세포는 진화(evolution)를 수행하는데, 생식적인 적응에 기초하여 유전적인 변이가 일어나 환경에 더욱 잘 적응 할 수 있도록 하는 과정이다. 

 

미생물학 및 박테리아, 세균에 의한 질병을 연구하는데 있어서 가장 기초가 되는 것은 Koch의 가설 (코흐의 가설) 이다. 이는 특정 미생물이 특정 질병을 유발한다는 것을 증명하는 것으로 미생물과 질병간의 인과관계를 성립한 가설이다.

1. 의심되는 병원체는 병든 동물에 항상 존재해야 하고, 건강한 동물에는 존재하지 않아야 한다.

2. 의심되는 미생물은 동물의 체외에서도 순수 배양되어야 한다.

3. 분리된 미생물은 감수성이 있는 건강한 동물에 접종되었을 때, 질병을 일으켜야 한다.

4. 해당 미생물은 접종된 동물로 부터 재분리 되어야 하고, 재배양 될 수 있어야 하며, 배양 후에는 원래 미생물과 동일해야 한다.

 

미생물은 크게 원핵세포와 진핵세포로 나뉘어진다. 진핵세포(eukaryotes)는 막으로 둘러싸인 핵 속에 DNA를 가지고 있으며, 일반적으로 원핵세포(prokaryotes)보다 크기가 크고 구조적으로도 더 복잡하다. 세포 내 소기관이 존재하는 것이 특징이다. 진핵세포와는 대조적으로 원핵세포는 세포 내 소기관들이 존재 하지 않는 좀 더 단순한 내부구조를 지니고 있다. 또한 유전체의 전사와 번역이 세포질에서 일어나는데 이는 세포내 핵이 존재하지 않기 때문이다. 

 

원핵생물은 계통학적으로 두가지 그룹으로 나뉘는데, 고세균과 세균이다. 이들 중 적은 비율만이 배양되어 있으며, 자연에는 더 광대한 범위의 미생물들이 존재한다. 최근에는 미생물을 배양하지 않더라도 자연계 시료속에 들어있는 세포로 부터 있는 rRNA에 대한 sequencing 분석을 통해 계통학적 분석이 가능하다. 일명 마이크로바이옴 microbiome이라고 불리운다.

우리는 여기에서 수의학적으로 중요한 미생물중 세균과 진균에 대하여 공부하려고 한다. 세균(bacteria)은 peptidoglycan 세포벽을 가지며, 염색체 의외의 별도의 유전물질 (플라스미드, plasmid)이 있다. 항생제 감수성을 나타내고, 단박질 함량이 높은 single cell로 구성된 유기체이다. 

 

세균의 형태와 종류

박테리아의 모양에 따라 구형이나 타원형의 구균(coccus), 원통형의 간균(rod), 콤마(,)모양, 코일형으로 꼬여있는 spirochete, 구부러져 있는 모양의 spirillum을 포함하는 나선균(spiral), 길고 체인 형태로 이루어져있는 사상균(filamentous), 부속기세균(appendaged bacteria)로 나뉜다.

구균(cocci)는 여러가지 배열로 보이는데, 포도상구균(staphylococci)는 뭉쳐져 있는 형태로, 연쇄상구균(streptococci)는 한줄로 연결되어 있는 모습으로, 폐렴구균(pneumococci)은 두개의 구균이 붙어있는 형태로. 몇몇 micrococci는 4개가 뭉쳐져 있는 4연구균으로 발견된다. 

 

많은 종류의 장내미생물은 보통 간균(rod)의 형태를 띈다. Pasteurella, Brucella, haemophilus는 짧은 단간균의 형태를 보인다. Bacillus 나 Clostridium속의 세균들은 chain 형태를 의루고 있다. corynebacterium속의 박테리아들은 곤봉모양(club shape)을 띄며 다형태성을 가지고 있다. 

Gram 양성의 곤봉모양 단간균 형태의 Corynebacterium amycolatum

Gram 양성의 포도상 구균의 형태를 보이는 Staphylococcus aureus

세균의 미세구조

마이코플라즈마를 제외하고는, 세균들은 capsule(존재할 수도 있고 없을 수도 있음)과 세포막(cytoplasmic membrane)에 의해 구성된 cell envelope에 둘러쌓여있다. 세포막 내의 세포질에는 다양한 과립, ribosome, 핵양물질(nucleoid), mesosome이 포함되어 있다. 몇몇 박테리아는 편모(flagella)를 가지고 있으며, 그람음성 세포중 몇몇은 섬모(pili)나 fimbriae(sex pili)를 가지고 있다. 세포막은 얇고 탄력적이며 인지질2중층으로 이루어져 있다.

-Cell Envelope

cell envelope에는 세포막, 세포벽, capsule 이 포함된다

-Capsule 

세균의 캡슐은 다형태성을 띄며 세포벽의 바깥쪽, 즉 가장 바깥면을 둘러싸고 있다. 캡슐은 대부분 다당류(polysaccharide)이지만 몇몇 종류들은 폴리펩타이드(polypeptide)로 이루어져 있다. negative stain을 통해 캡슐을 관찰 할 수 있다. virulence(병원성)을 일으키는 원인이 되기도 하며, 면역학적 반응에서 탐식인자로 인지된다.

-Cell Wall, 세포벽

크게 그람양성과 그람음성으로 구분되는 구조를 가진다. 펩티도글리칸으로 구성되어 있는데 이는 딱딱하여 세균의 모양을 결정하고 지주체 역할과 보호역할을 수행한다. cell wall의 또 다른 특징중 하나는 반투과성 장벽으로 단순확산을 통해 물질이 통과할 수 있다는 점이다. 그람양성 세균과 그람음성 세균의 특징은 그림으로 정리하였다.

-Appendages

1. Flagella 편모 : 길고 채찍모양의 운동을 위한 기구이다. filament, hook, basal body 세 부분으로 나뉘어져 있으며 basal body가 세포막에 심겨져 있어 회전 운동을 하게 된다. 편모의 갯수와 위치에 따라 단모균, 총모균, 양모균, 주모균 등으로 분류된다
2. Pili(fimbriae) 섬모 : 얇고, 짧으며, 직선이다. 전자현미경상에서 관찰할 수 있다. 대부분의 그람음성균의 세포막에 부착되어 있다. 섬모는 상피에 부착하여 숙주의 점막에서 생활할 수 있도록 한다. fimbriae 라는 sex fili도 존재한다.
3. Endospore 아포,내생포자 : Clostridium 속과 Bacillus 속의 세균이 형성한다. 두꺼운 벽을 가지고 있으며 외부환경에 대한 저항성이 높다. 영양분의 결핍이나 고온, 화학물질 발생 등 서식하던 주변 환경이 극도로 나빠지면서 외부자극이 극에 달해 생존이 보장되지 않을 때 형성한다.