세균의 분류와 구조

생명수(Tree of Life)

계통발생학적 분류 체계 계 (界: Kingdom) 문 (問: Division) -phyta 강 (剛: Class) -phyceae 목 (目: Order) -ales 아목(亞目) 과 (科: Family) -aceae 아과(亞科) 족 (族: Tribes) -eae 속 (屬: Genus) 아속(亞屬) 종 (種: Species) 아종(亞種) 주 (株: Strain)*

세균의 크기

미생물의 생물학적 위치 미생물 식물과 동물의 공통된 원시적 조상 세포에서 진화 Haeckel (1886) 원생생물 :* 세균류, 진균류, 원생동물, 리켓치아, 바이러스 식물과 동물의 공통된 원시적 조상 세포에서 진화 Haeckel (1886) Kingdom Metazoa (動物界) Kingdom Metaphyta (植物界) Kingdom Protista (原生生物界) 원생생물 :*

미생물의 분류 원생생물(protists, eukaryotic cell) 원핵세포군(prokaryotes) 조류(algae) 원생동물(protozoa) 진균(fungi) 원핵세포군(prokaryotes) 세균(bacteria) 시아노박테리아(cyanobacteria) 아케박테리아(archaebacteria) 바이러스(virus)*

Species (種) 1940 국제식물학회 : 種을 정의 미생물의 경우 세포 자체가 개체의 단위 자기 자신의 영속적인 단위를 유지하고 일정한 지리적 분포구역을 가지며 형태적으로 다른 군과 구분되고 다른 군과 상호교배가 되지않는 것 고등생물에서 하나의 개체가 분류의 기본적 단위 미생물의 경우 세포 자체가 개체의 단위 세균이나 바이러스의 경우 적용에 무리 한 개의 세포에서 출발하여 무성적으로 증식시킨 세포집단(clone)을 기본 단위로 함 변이와 선택의 결과 현저히 변화될 가능성이 있다.*

세균명명국제규약 1966년 제정 최저한의 국제적 약속 분류의 기본 – 형(type) 표준균주 (type culture) ATCC (American Type Culture Collection)*

균주 Strain (菌株) 표준균주 (Type Culture or Type Strain) 세균의 개체(individual)를 나타낼 때 사용 세균분류의 기본 단위, 균주는 하나의 세균세포가 분열하여 세균의 집단(clone)이 된다. 표준균주 (Type Culture or Type Strain) 어떤 종에 속해서 표준이 되는 주로, 실험을 비교할 때나, 백신을 만들 때의 주로서 중요 미생물에 관해서는, 다수의 균주에 대하여 형태학적, 생리학적 성상을 위주로, 같거나 유사한 성상을 가진 최소의 분류학적군 taxon을 종이라 정의하고, 분류의 최소단위가 된다.*

형 (Type) 형(型) 분류상의 기본 약속 표준균주를 반드시 보존하는 것을 요구 새로운 균종을 획득하면 공인되 보존기관에 기탁하는 것이 의무화 성상의 기재방법에 상세한 규약이 있음 종 중에서 생물학적 성상이 다를 때 생물형(biotype)으로 구분 균의 항원구조가 다를 경우 혈청형(serotype)으로 구분*

International Code of Nomenclature of Bacteria 국제세균명명규약 이명법 (binominal system) 균명은 속명과 종명으로 구성 속명은 명사형으로 명사의 제 1격을 종명은 형용구로 명사의 제 2격을 사용 표기는 라틴어 또는 그리이스어 속명의 첫자는 대문자로, 종명은 소문자로 시작 이태릭체로 표기한다 이태릭체가 불가능한 경우 속명 및 종명에 밑줄을 쳐서 명기한다*

대장균 (大腸菌) Kingdom Prokaryotae Division Gracilicutes Class Scotobacteria Order Eubacteriales Family Eterobacteriaceae Genus Escherichia Species coli*

동정과 분류 Identification (동정) Classification (분류) 생물학적 성상 검사에서 균종을 결정하는 것 목표 미생물을 분리하고 구분하는 행위 배양된 미생물의 특징과 고유성을 임상적으로는 질병의 원인 미생물을 확인하고 분리하는 것 Classification (분류) 특정 미생물을 타 종과의 관계 및 유사성에 따른 분류체계(taxonomic groups, taxa)에 적합하도록 구별짓는 것*

분류의 기준 현미경적 형태(Microscopic Morphology) 거시적 형태(Macroscopic Morphology) 생리적, 화학적 특성(Physiological/Biochemical) 화학적 분석(Chemical) 혈청학적 분석(Serological) 유전학적 분자생물학적 분석(Genetic and Molecular)*

Bergey’s Manual of Determinative Bacteriology Bergy, Buchanan 등이 감수 1957년 제 7판 발행 1974년 제 8판 발행, 대폭적인 개정 생물분류상의 계통발생 (phylogenetic)의 입장에 선 분류 세균을 고등생물과 같이 계통발생 입장에서 분류하는 것은 무리, 거의 타당성이 없다. 여러 가지 리스트가 종합되어 있어 임상세균학적으로 유용*

형태학적 분류 Coccus Cocci (pl) 구균 Bacillus Bacilli(pl) 간균 Spirochaeta 나선균

진핵세포의 구조

세균(원핵)세포의 구조

원핵세포와 진핵세포의 차이 특징 원핵세포(Prokaryotes) 진핵세포(Eukaryotes) 주요 집단 세균, 녹조류 조류, 진균, 원충, 식물, 동물 세포의 크기 Small, 0.5~3 µm Larger, 2-200µm 핵막 핵막이 없다 (핵양체) 핵막이 있다. 염색체 한 가닥의 원형 DNA 일배체 게놈 여러 가닥의 DNA 이배체 게놈 히스톤 히스톤 유사 단백질이 있다 있다 세포소기관 없다 사립체, 엽록체, 골지복합체, 소포체, 등이 있다 리보솜 70S (50S + 30S) 80S (60S + 40S) 세포질 스테롤(sterol) 없다 (예외, 미코플라스마) 세포벽 단백질, 지질, 펩티도글리칸 없거나 키틴으로 구성 증식방법 이분법 유사분열 운동양식 있는 경우 단순편모 있는 경우 복합 편모 호흡 세포질막 사립체 (mitochondria)

세균세포의 구조물 세포질 세포벽 외부 부착물 세균염색체 --> 핵양체 형성 리보솜 세포질막 메소좀 세포질과립 그람양성균 그람음성균 외부 부착물 협막(Capsule & Glycocalyx) 편모(Flagella) 섬모/선모 (Pili, Fimbriae)*

세균 세포질의 특징 스스로 증식하는 Plastid (mitochondria, chloroplasts)가 없다. 전자전달계효소는 세포막 안쪽에 붙어있다. 세포질 과립 (봉입체, Inclusion body) 이염소체(Metachromatic granules or volutin granules) Poly-ß-hydroxybutyric acid, glycogen, starch : 탄소원으로 사용 Sulfur Polyphosphate : ATP합성 세포골격을 이루는 microtubular structure가 없다.*

원핵세포 전자현미경 사진

핵양체(Nucleoid) 진핵세포의 핵에 해당. 핵막이 없다. Feulgen 염색에 양성 히스톤양 단백질 함유 A single, haploid chromosome Double-stranded circular DNA*

그 외의 유전물질 플라스미드(plasmid) 전이유전단위(transposon) 항균제내성, 독소생산, 항생물질생산 전위효소(transposase) 유전자 전위유전단위를 잘라 새로운 위치에 이동하여 삽입 약제내성*

리보솜(ribosome) 리보솜 : 단백질 합성기구 30S 소단위 50S 소단위 원핵세포 : 30S + 50S → 70S 항균제 선택독성(selective toxicity)의 주요 표적 테트라사이클린, 에리스로마이신 30S 소단위 16S RNA + 21 proteins 50S 소단위 23S RNA + 5S RNA + 34 proteins*

다양한 세균 세포 내 봉입체들

이염과립 (Metachromatic Granule)

세포질막 구조 기능 단위막(Unit membrane) : phospholipids + proteins 스테롤(sterols)이 없다 예외 : 미코플라스마 메소솜(Mesosome) 기능 능동적, 선택적 투과성 전자전달과 ATP생산 독소, 가수분해효소 분비 DNA 생합성, 세포벽 합성, 세포막 합성에 필요한 효소를 함유 화학주성, 감각전달 수용체 단백질을 가지고 있다.*

그람염색법 Gram staining

그람양성세균 세포벽 테이코산(teichoic acid)과 테이코뉴론산(teichouronic acids) 대부분의 그람양성균의 세포벽에서 발견됨 리비톨 이나 글리세롤기를 가진 수용성 복합체 그람양성균의 주요 표면항원 세포벽 테이코산과 막테이코산(lipoteichoic acid) 다당체(Polysaccharides) Mannose, arabinose, galactose, rhamnose, glucosamine, acidic sugars (glucuronic acid, mannuronic acid)*

Peptidoglycan

그람음성세균 세포벽 외막(Outer membrane) 지질단백(Lipoprotein) Porin : 물질의 수동 확산 조절 지질다당체(lipopolysaccharide, LPS) 지질단백(Lipoprotein) 외막(outer membrane) 안정화에 기여 펩티도글리칸 층을 고정 원형질막 주위공간(periplasmic space) 단백질 부착, 가수분해효소(hydrolytic enzymes), 중화 효소 (detoxifying enzymes) 세포질막 유래 다당체 (Membrane-drived oligosaccharides) : 삼투압 조절 (osmoregulation)*

지질다당체 Lipopolysaccharide (LPS) Lipid A + polysaccharide Extremely toxic to animals Endotoxin (내독소) O antigen (polysaccharide) Lipooligosaccharides (LOS)

그람양성균과 음성균의 막구조의 특징 특 징 그람양성균 그람음성균 외막 없다 있다 세포벽 두껍다 얇다 지질다당류 내독소 테이코산 특 징 그람양성균 그람음성균 외막 없다 있다 세포벽 두껍다 얇다 지질다당류 내독소 테이코산 흔히 존재한다 아포형성 일부 균주에서 협막 간혹 있다 리소자임 감수성이 있다 저항성이 있다 페니실린의 항균작용 감수성이 높다 내성이 크다 외독소 생산 일부 균주

Streptococcus pyogenes 협막 (Capsule) Escherichia coli 다당류(polysaccharide)로 구성된 세포외 중합체 예외 : poly-D-glutamic acid(B. anthracis) K 항원 (협막항원) ← Kapsule (獨) 점액층(Slime layer) 면역세포의 탐식 작용에 저항 특정 세균의 병원성(pathogenicity)과 관련 예) 폐렴구균* Streptococcus pyogenes

편모(Flagellum) 세균의 운동기관 H 항원 형태에 따라 ATP-의존반응 : 반시계 방향(전진) 또는 시계방향(회피)으로 회전 H 항원 형태에 따라 단모성(Monotrichous) 총모성(Lophotrichous) 주모성(Peritrichous)*

편모 운동(motility) 자극감각전달(Sensory transduction) 화학주성(Chemotaxis) Aerotaxis Phototaxis electron acceptor taxis*

섬모 Pili (Fimbriae) Pili (L. “hairs”) : Pilin으로 구성 일반 섬모와 성섬모 숙주상피 정착 일반 섬모 : 세균의 숙주상피 부착에 관여 성섬모 : bacterial conjugation 숙주상피 정착 Colonization antigen Enteropathogenic E. coli (EPEC) 독력인자(Virulence factor)*

아포(Spore) 아포(芽胞) 내생아포(endospore)와 외생포자(exospore) 포자(胞子), 홀씨, 배종(胚種)(germ), 종자(seed), 인자(因子), 생식 세포 내생아포(endospore)와 외생포자(exospore) 내생아포 : 세균 외생포자 : 곰팡이, 버섯

내생아포 Endospore 내생아포를 형성하는 세균 아포의 특성 Bacillus (절대산소성 그람양성균) Clostridium (절대무산소성 그람양성균) Sporosarcina Coxiella burnetii (rickettsia, Q fever) 아포의 특성 휴지기 세포(resting cell) 건조, 열, 화학물질에 대한 저항성이 매우 크다.*

아포형성 Sporulation

세균의 성장 Growth in Bacteria Binary Fission (이분법) Budding (출아법) 세포크기의 변화가 아닌 세균 세포의 수적 증가 세균이 성장을 하고 있다 → 수가 증가하고 있다 살아있는 세포 수, 전체 세포 수 측정 → 성장여부 결정 Binary Fission (이분법) 대부분의 세균이 이분법에 의하여 증식 Budding (출아법) 효모(yeast)와 일부 세균*

Generation Time (세대 시간) 한 세포가 완전히 세포분열을 완성하는데 필요한 시간 빠른 경우 12~15분, 대부분 1~3시간, 드물게 24시간 이상

일부 세균의 세대시간 Bacterium Medium Generation time (min) Escherichia coli Glucose-salts 17 Bacillus megaterium Sucrose-salts 25 Streptococcus lactis Milk 26 Lactose broth 48 Staphylococcus aureus Heart infusion broth 27 ~ 30 Lactobacillus acidophilus 66 ~ 87 Rhizobium japonicum Mannitol-salts-yeast extract 344 ~ 461 Mycobacterium tuberculosis Synthetic 792 ~ 932 Treponema pallidum Rabbit testes 1980

세균의 성장곡선

전형적 세균 성장 곡선의 예 잘못 보관된 우유 감염에 의한 농양 우유 자체가 좋은 배지 세균의 지수적 성장 → 산패 죽은 조직이나 체액으로 채워진 병소에서 세균이 성장 정지기에서 항생제 투여해도 효과 없음 → 농양의 절제가 필요*

세균증식에 필요한 요소 물리적 요소 화학적 요소 수소이온농도 온도 삼투압 및 염농도 빛 탄소원 질소원 황, 인 및 무기물 산소 성장인자

1. 수소이온 농도(pH) H2O ⇌ H+ + OH-

pH가 효소활성에 미치는 영향

pH Growth Range of Bacteria

수소 이온 농도에 따라 대부분의 병원성 미생물 pH 6.5 ~ 7.5 세균은 성장하면서 산(acid)을 생성 호산균(acidophile) 낮은 pH에서 성장 호염균(basophile) 높은 pH에서 성장 결핵균 pH 6.4~7.0 비브리오균 pH 7.8~8.0 유산균 pH 5.5~6,2 Helicobacter pylori : pH 2.0인 사람의 위산에서도 생존 가능 세균은 성장하면서 산(acid)을 생성 인공 배양을 위해서는 인공배지에 급격한 pH의 변화에 저항할 수 있는 pH 완충액(buffer)을 넣어 주어야 한다.*

2. 온도 (Temperature)

온도가 효소활성에 미치는 영향

일부 세균의 생존가능 온도 Organism Minimum Optimum Maximum Listeria monocytogenes 1 30-37 45 Vibrio marinus 4 15 30 Pseudomonas maltophilia 35 41 Thiobacillus novellus 5 25-30 42 Staphylococcus aureus 10 Escherichia coli 37 Clostridium kluyveri 19 Streptococcus pyogenes 20 40 Streptococcus pneumoniae 25 Bacillus flavothermus 60 72 Thermus aquaticus 70-72 79 Methanococcu jannaschii 85 90 Sulfolobus acidocaldarius 70 75-85 Pyrobacterium brockii 80 102-105 115

온도와 세균의 성장 온도의 영향 성장가능온도와 최적 증식온도 (optimum temperature) 효소가 관여하는 세포내 다양한 화학반응에 영향 세균 성장률에 영향 성장가능온도와 최적 증식온도 (optimum temperature) 저온균 : 0 ~ 25℃ (12 ~ 18℃) 자연계의 부패균 중온균 : 15 ~ 45℃ (30 ~ 37℃) 대부분의 병원성 세균 고온균 : 40℃ 이상 (55 ~ 70℃) 고온의 온천 및 토양 세균 일반적인 인체병원균은 중온균이다.*

3. 삼투압과 염농도 세균 세포의 대사에는 물이 필수적 삼투압의 영향 대부분의 세균은 0.5% 염농도에 잘 생장 해양미생물은 높은 염농도에서 잘 생장 : 호염균(halophile) Vibrio : 3% 삼투압의 영향 세균은 삼투압의 변화에 대응하는 유전자 보유 수인성 전염병 원인균 : 극단적으로 낮은 삼투압에서도 생존 가능 고장액에서 원형질분리, 세포막 파괴*