1.1 미생물학의 범위 미생물학 (microbiology): 작은 생물을 전문적으로 다루는 생물학의 한 분야

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2 1.1 미생물학의 범위 미생물학 (microbiology): 작은 생물을 전문적으로 다루는 생물학의 한 분야
미생물은 어디에나 편재한다 (ubiquitous) 미생물의 분류: 세균 (bacteria), 바이러스 (virus), 진균류 (fungi), 원생동물 (protozoa), 조류 (algae), 기생충 (helminth)

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5 참고자료 그림 1.11 생물연료(Biofuels) (a) 천연가스(메탄)는 습지 퇴적물의 구멍에 모이는데, 이곳에서 메탄이 메탄 생성균에 의해 생산되었고 예시 실험으로 불을 붙이고 있다. (b) 미국의 에탄올 발전소. 옥수수 또는 다른 곡물로부터 얻은 당은 자동차 연료 첨가용으로 사용하기 위해 발효되어 에탄올을 생산한다. © 2012 Pearson Education, Inc. 5

6 1.2 미생물의 일반적 특성과 지구환경에서 그들의 역할 1) 미생물의 기원
미생물은 지구의 서식처 발달과 다른 생물의 진화에 광범위하게 관여 다른 행성에 생명이 있는지를 찾는 과학자들은 미생물의 흔적을 먼저 조사 화석기록의 증거에 따르면 세균과 비슷한 생물은 약35억 년 전부터 지구에 있었다.

7 1.2 미생물의 일반적 특성과 지구환경에서 그들의 역할 2) 미생물의 세포 구성
원핵(pro-karyotic)세포와 진핵(eu-karyotic)세포 원핵세포가 진핵세포보다 작으며 원핵세포에는 핵과 세포소기관(organelle)이 없다. 세포소기관은 진핵세포에서 특정 기능을 수행하는 세포구조로 작고 막을 가진 구조물이다(예, 미토콘드리아, 골지체 등). 모든 원핵생물은 미생물이지만 진핵생물의 경우 일부만 미생물이다.

8 1.2 미생물의 일반적 특성과 지구환경에서 그들의 역할
미생물은 대부분 단세포나 세포의 다발로 이루어져 있다.

9 1.2 미생물의 일반적 특성과 지구환경에서 그들의 역할 3) 미생물의 크기: 얼마나 작아야 작은 것인가?
거시적 개체의 크기는 센티미터 (cm)와 미터 (m)로 나타낼 수 있는 반면 대부분의 미생물은 마이크로미터 (mm), 때로는 나노미터 (nm)와 밀리미터 (mm)로 나타낼 수 있다. 대부분의 미생물의 크기는 10 nm 쯤의 가장 작은 바이러스부터 육안으로도 볼 수 있는 3~4 mm의 원생동물까지이다.

10 1.2 미생물의 일반적 특성과 지구환경에서 그들의 역할 4) 에너지와 영양분 흐름에 관여하는 미생물
미생물은 지구의 생태계에 있어서 에너지와 영양분의 흐름에 깊이 관여한다. 초기 지구에서 지구의 대기를 무산소에서 유산소 상태로 바꾼 주역은 미생물 이다. (광합성 미생물, 지구 광합성 양의 절반 이상을 차지)(그림 1.5a) 생물학적 분해와 영양분의 재활용에 관여 (그림 1.5b) 지구의 온도는 이산화탄소나 메탄과 같은 ‘온실기체’가 대기에 단열막을 만들어 열을 보존함으로써 조절된다. 이 기체들 중 상당량이 자연 환경과 동물의 소화관에 서식하는 미생물에 의해 생성된다. 최근의 추정치에 따르면 최대 50%의 생명체가 지구 지각 아래 퇴적물, 바위, 심지어 화산에도 존재한다(그림 1.5c). 지하의 엄청난 군집의 미생물이 풍화작용과 광물 추출, 토양 형성에 큰 영향을 끼침은 갈수록 명백해지고 있다. 세균과 진균류는 식물과 복잡하게 연관을 맺고 살아간다. 그들은 식물이 영양분과 물을 얻는 것을 도와주고 질병으로부터 이들을 보호한다. 미생물은 동물과도 비슷한 상호 관계를 형성하고 특히 가축의 위에서 두드러지게 나타난다. 이곳에서 매우 다양한 세균이 동물의 식사에 포함된 복잡한 탄수화물을 소화한다.

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12 1.3 인간의 미생물 이용 미세한 진균류의 하나인 효모는 빵을 부풀게 하고 당을 분해하여 술을 만든다.
석유의 대체재로 이용할 수 있는 기름(바이오 디젤)을 추출하기 위해 조류를 재배한다. (그림 1.6a) 유전공학은 생명공학의 새로운 분야로 새로운 생산품이나 유전적으로 변형된 생명체를 얻기 위해 미생물이나 식물, 동물의 유전자를 변형시키는 것이다. 재조합 DNA 기술: 고의적으로 DNA를 바꿔 한 생명체의 유전물질을 다른 개체와 바꿀 수 있게 한다. 의학, 공학, 농학적 사용. 미생물은 약품이나 호르몬, 효소 등 원하는 단백질을 합성하도록 조작될 수 있다. 생물학적 정화: 미생물을 환경에 도입하여 안정성을 회복하거나 독성 오염물질을 청소하는 것이다(그림 1.6b).

13 1.4 감염성 질환에서의 미생물 역할 미생물은 인간에게 병원균으로서 엄청난 해악을 끼치기도 한다.
기생충(parasite)은 숙수(host)라 불리는 더 큰 개체로부터 필요한 것을 얻는다. 기생충의 활동은 감염과 질병을 통해 숙주에 피해를 야기할 수 잇다. 이런 경우 그 미생물은 병원균 (pathogen)이라고 불린다. WHO는 세계적으로 매년 총 100억 건의 새로운 감염이 일어난다. 전염병은 또한 인간의 가장 흔한 사망 원인 중 하나이며 여전히 미국 인구의 상당 비율이 전염병으로 사망한다.

14 1.4 감염성 질환에서의 미생물 역할 세계적으로 매년 대략 1,200만 명이 감염으로 사망한다. (이 중 상당수가 약으로
치료가 가능하거나 백신에 의해 예방될 수 있음) 비감염성이라고 판단됐던 많은 질병들이 사실은 미생물 감염과 연루되어 있다 예)위궤양이 헬리코박터(Helicobacter) 라는 세균 때문임이 밝혀짐 특정 암과 바이러스, 당뇨와 콕사키바이러스(coxsakievirus), 만성 피로증후군과 새로운 레트로바이러스와의 연관 관계가 밝혀짐. 신생질병(예, H1N1 일플루엔자(돼지 인플루엔자)) 과 재출현 질병(예, 결핵, 콜레라, B형 간염)의 증가

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16 1.5 미생물학의 역사 1) 현미경의 발전: ‘보이는 것을 믿으라’
- 전염병은 수수께끼로 남았고 미신으로 취급되었다. 과학자들마저 자연발생설을 믿었다. 널리 퍼진 미생물과 그들의 몇 가지 특징에 대한 진정한 인식은 최초의 현미경이 개발되면서 현미경이 개발되면서 가능해졌다. 레벤후크(Antonie van Leeuwenhoek)가 수작업으로 독창적인 단일렌즈현미경을 만들고 나서야 조심스럽고 정확한 관측이 가능했다.

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18 - 레디(Francesco Radi): 자연발생설에 대한 첫 실험
- 자연발생설(spontaneous generation): 살아 있지 않거나 썩어가는 물질에 있는 생명의 힘에서 특정 생물이 유래한다고 믿음. (예, 아무 처리도 하지 않은 남은 고기가 구더기를 ‘생성’, 쓰레기 더미에서 쥐나 생쥐가 생김) - 생물속생설(Biogenesis): 살아 있는 것은 반드시 같은 종류의 다른 생물에서 유래한다. < 자연발생설에 대한 실험들> - 레디(Francesco Radi): 자연발생설에 대한 첫 실험 *실험방법: 단지에 고기를 넣고 세밀한 헝겊으로 덮음 *결론: 구더기는 고기 안의 ‘생명의 힘’에서 유래하는 것이 아니라 파리의 후손임을 알아냄 *한계: 곤충, 쥐 같은 더 복잡한 동물이 자연발생으로 생긴다는 생각을 버리게 했지만 당시의 과학자에게 더 단순한 생물이 자연발생 할 수 없음을 확신시키지는 못했다.

19 - 쟈블로(Louis Jablot): 미시적인 생물도 반드시 부모를 가진다고 생각
혼화물(마른 짚을 물에 담근 것) 사용 *실험 방법: 끓여서 생명체를 모두 제거한 혼화물을 두 용기에 나누어 담음- >하나는 밀폐해 놓았고, 다른 하나는 개방을 함 -> 열려 있는 용기에서만 미생물이 자라남 * 결론: 미생물은 먼지와 함께 공기에서 들어왔다고 추정함 ( 열 저항성 미생물은 단순히 끓이는 것으로 죽지 않는다는 것이 밝혀지기 전에 이루어짐)

20 - 슐체(Franz Shultze)와 슈반(Theodor Schwann): 공기가 미생물의 근원이라 생각
*실험 방법: 강한 화학물질이나 뜨거운 유리관을 통해 공기를 열처리된 혼화물이 있는 플라스크에 넣음 * 결론: 혼화물에 생명체가 생기지 않았다 (자연발생설을 부정). ( 자연발생설의 지지자들은 공기에 처리를 한 것 때문에 생명이 저절로 생기는 것을 방해했다고 주장)

21 - 파스퇴르(Louis Pasteur): 맥주와 포도주의 발효에서 미생물의 역할을 연구, 공기나 과일 또는 곡식에 있다가 음료로 옮겨간 미생물의 활동에 의해 발효가 된다고 생각(공기와 먼지가 미생물의 원천이라 생각) *실험 방법: 플라스크의 입구를 늘려서 백조의 목 같이 생긴 관을 만들어 공기에서 유래한 먼지 입자는 중력에 의해 목의 아랫 부분에 쌓이게 함. 고기즙을 멸균하기 위해 플라스크를 가열한 후에 배양함 * 결론: 플라스크가 완전한 상태로 있을 때는 고기즙에서 미생물이 생기지 않았지만 목이 부러져 먼지가 용기로 바로 들어오면 즉시 미생물 성장이 시작되었다. “나는 고기즙에 공기 중의 떠다니는 세균(germ)이 닿지 않게 하였다. 즉, 고기즙에 생물이 닿지않게 하였다.”

22 1.5 미생물학의 역사 2) 과학적 방법의 정착 객관적으로 질문에 답을 제공하고 선입견에 휘둘리지 않는 실험 체계의 개발이 진정한 과학적 사고의 시작이라 할 수 있다. 이 방법의 주된 목표는 관찰 또는 측정된 것에 대한 임시적 설명인 가설을 설정한다. 연역적 접근: 가설을 세우고 그 가설을 통해 예상되는 각각의 경우를 가지고 가설의 타당성을 따진 후 그 경우를 검증하는 실험을 수행한다.

23 1.5 미생물학의 역사 2) 과학적 방법의 정착 이론: 자연 현상을 설명하거나 자연 현상의 원인이 되는 진술과 계획, 개념의 집합체이다. 법칙: 증거의 정확성과 이론의 예측 가능성이 매우 강해지면 법칙 또는 원리가 된다. 과학의 가설 및 이론은 기술과 함께 진보한다. 예전의 이론은 재확인되고 바뀔 수 있으며 심지어 법칙도 완전이 증명되었다는 입장을 갖지 않는다.

24 1.5 미생물학의 역사 3) 의학 미생물학의 발달 공기와 먼지가 미생물로 가득 찼을 뿐 아니라 지구 표면 전체, 물 그리고 지구에 있는 모든 물체에 미생물이 가득하다. 의학 미생물학의 씨앗은 19세기 중∙후반에 질병 배종설의 등장과 살균, 무균, 순수배양 기술이 도입된 결과 뿌려진 것이다.

25 1.5 미생물학의 역사 4) 포자의 발견과 살균 틴달 (John Tyndall)은 먼지와 공기 중의 미생물 가운데 일부는 매우 높은 열저항성을 가지고 있으며 그것들을 죽이기 위해서는 각별히 강한 처리가 필요하다는 초기 증거를 곧 발견하였다. 콘 (Ferdinand Cohn)이 열저항성 세균의 내생포자(endospore)를 발견하고 자세히 설명하여 모든 미생물을 완벽히 죽이는 데 열처리가 종종 실패하는 이유를 명확히 하였다. 살균(sterilization): 포자와 바이러스를 포함하여 생명의 형태가 완전히 없다는 것 무균 기술의 발달 세균(germ)에 대한 두려움, 미생물이 전염병 및 감염의 원인이 될 수 있다고 생각 리스터 (Joseph Lister)는 이전 사람들의 관찰 결과를 보고 의학 기구 준비에 있어서 미생물을 줄이고 상처 감염을 방지하기 위한 무균기술을 처음으로 도입하였다 (물리적, 화학적 방법으로 미생물을 통제하는 것의 기초가 됨)

26 1.5 미생물학의 역사 4) 포자의 발견과 살균 (2) 병원체의 발견과 질병의 배종설
파스퇴르는 포도주와 맥주의 형성에서 미생물의 역할을 이해하는 데 막대한 공헌을 하였다. 저온살균법을 고안했고 감염을 통해 인간이 병에 걸릴 수 있음을 보여주는 첫 연구들 중 일부를 완성. 질병의 배종설(germ theory of disease) 코흐는 어떤 질병을 일으키는지를 증명할 수 있는 코흐의 가설(13장)을 정립. Bacillus anthracis라 불리는 세균에 의해 탄저병이 일어남을 보이기 위해 이 실험 체계를 사용.

27 1.6 분류: 미생물의 구성 및 분류와 명명 분류학(taxonomy): 생명체를 조직하고 분류하여 이름 짓는 공식적인 체계
린네(Carl von Linne,1701~1778)에 의한 분류: 분류학적 범주 또는 분류군에 대한 기본적인 규칙을 제정. 분류학의 주된 관심사는 분류와 명명 그리고 동정이다. * 분류(classification): 가능하면 진화적 연관성을 보여주는 형식으로 생물을 배열하는 것 * 명명법(nomenclature): 다양한 분류학적 서열의 각 미생물 종에 대해 이름을 부여하는 과정 * 동정(identification): 각 종이 전체적으로 분류학적 표에 잘 놓일 수 있도록 그 종의 특징을 발견하고 기록

28 1.6 분류: 미생물의 구성 및 분류와 명명 1) 분류의 단계
체계(hierarchy): 역(domain), 계 (kingdom), 문 (phylum 또는 division), 강 (class), 목 (order), 과 (family), 속 (genus), 종 (species)

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30 1.6 분류: 미생물의 구성 및 분류와 명명 2) 특정한 이름의 부여 - 표준화된 명명의 필요성
- 이명법(binominal(two name) system of nomenclature): 과학적(scientific) 또는 특정한 이름(specific name)을 부여하는 방법 - 과학적 이름: 속명과 종명 (속(genus)명 첫 자를 대문자, 종(species)명은 소문자로 시작, 이탤릭체 또는 밑줄을 친다) 예, Staphylococcus aureus (S. aureus) : 그리스어인 Staphule은 ‘포도송이’, kokkus 는 ‘베리’, aureus 는 ‘금색의’ 라는 뜻 -> 노란 색소를 가진 인간의 병원성 세균 Campylobacter jejuni : 그리스어인 kampylos는 ‘굽은’, bakterion은 ‘작은 막대’, jejunum은 ‘소장의 한 부분’ 이라는 뜻 -> 세계적으로 가장 중요한 소장 감염 원인균 Lactobacillus sanfrancisco : 라틴어인 lacto는 ‘우유’, bacillus는 ‘작은 막대’라는 뜻 -> 빵 반죽을 만드는 데 쓰이는 미생물

31 1.7 분류: 미생물의 기원과 진화 계통발생(phylogeny): 생물 사이의 자연적 연관성, 분류학의 체계를 만들기 위해 계통학적 상관관계를 사용 진화(evolution): 수억년에 걸쳐 생명체가 점차 변화하고 많은 세대를 거쳐 이러한 변화가 다양한 구조 및 기능적 변화를 야기한다. 진화론은 두 가지 예상에 기초하여 시작되었다. 모든 새로운 종은 기존에 있던 종으로부터 유래한다는 것 가까이 연관된 생물은 동일한 조상에서 진화했으므로 비슷한 특징을 갖는다는 것 생물 사이의 계통 발생 또는 진화적 연관성은 나무의 그림으로 표현될 수 있다. 진화의 역사에서 대략적인 시간의 척도를 나타냄(그림 1.14, 1.15).

32 1.7 미생물의 기원과 진화 1) 보편적인 생명의 나무를 나타내는 시스템
휘태커 (Robert Whittaker)의 다섯-계 체계가 표준이 되었다. 최근에 분자생물학적 방법을 통해 세포 안에 있는 리보솜의 작은 핵산 (rRNA)이라는 어떤 작은 분자들이 개체의 진화적 역사에 ‘살아있는 기록’을 제공한다는 것이 밝혀졌다. 우즈와 폭스는 모든 생물을 세포 종류에 따른 세 종류의 역에 포함시키는 체계를 제안: 고세균(archea)과 세균(bacteria), 진핵생물(eukarya) 바이러스는 분류나 진화 체계에 포함되지 않는데 이는 그들은 세포가 아닐 뿐더러 어느 자리에도 놓기 껄끄럽기 때문이다.

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35 Take Home Message 미생물의 6가지 종류(미생물의 분류) 2. 원핵세포와 진핵세포의 차이점
3. 자연발생설을 폐기시킨 파스퇴르의 실험 방법 4. 미생물의 명명법