대장균 사는곳 특징

대장균 사는 곳 특징 대장균 Escherichia coli  약어 E. coli 대장균 (국문) Escherichia coli (영문) E. coli (약어)
사람 및 동물의 대장에 서식하는 세균 중 하나로, 가장 먼저 발견된 장내 세균이다. 분변에 의해 오염된 환경에서는 쉽게 발견할 수 있기 때문에 식품, 음료, 식당과 같은 청결을 필요로 하는 대상의 오염의 지표로 사용되는 세균이다. 세포 분열 주기가 짧고 배양이 쉬워 가장 많이 연구된 대표적인 모델 원핵생물이다.

기원 및 명명
1885년 독일-오스트리아 연방의 소아과 의사인 테오도르 에쎄릭(Theodor Escherich)이라는 사람이 건강한 사람의 분변에서 발견하여 처음에는 대장(colon)에서 발견한 세균(bacteria)이라는 의미로 Bacterium coli라는 이름이 붙여졌다

 

하지만 Bacterium이라는 속명을 사용하는 것이 불합리하다고 판단되어 1895년에는 막대 모양의(bacilli) 대장 세균이라는 의미로 Bacillus coli로 수정하였으나 그 후에는 발견자의 이름을 따라 현재의 명칭인 Escherichia coli으로 바뀌었다 

 

재미있게도 락오페론을 밝혀 1965년 노벨 생리의학상을 수상한 J Monod의 1942년 박사학위논문을 보면 여전히 Bacillus coli로 명명이 되어있다. 거의 100년 가까이 연구가 이루어졌으며 영양분이 충분한 조건에서는 한번 분열하는 데 걸리는 시간이 20분밖에 걸리지 않기 때문에 가장 많이 연구된 모델 원핵생물이다.

 

특히 미생물학과 생명공학 분야에서 매우 중요한 종으로 다양한 유전자재조합 기술의 숙주로 이용이 되고 있다.

분류군
항원구조에 의해 구별하면, O항원에서 1∼136, K항원에서 1∼78, H 항원에서 1∼40으로 분류된다. 대장균은 장 속에서는 병원성을 나타내지 않는 것이 보통이지만, 장 이외의 부위에 들어가면 방광염 ·신우염 ·복막염 ·패혈증 등을 일으키고

또한 장 속에서도 O의 26, O의 55, O의 111 등과 같은 항원형 대장균은 젖먹이에서 성인에 이르기까지 전염성 설사를 일으키는 경우가 있으므로 특히 병원성 대장균이라고 한다.

 

다양성

대장균이라는 이름으로 분류되는 종은 유전형과 표현형이 매우 다른 수많은 아종을 포함하기 때문에 이 종에 속하는 모든 균주들에 공통적으로 존재하는 유전자는 20% 밖에 되지 않을 정도로 매우 다양한 세균 집단을 아우르는 종이다.
심지어 시겔라 속에 속하는 종들도 진화적으로 매우 가까워서 대장균이라고 분류를 해도 무방하리만큼 가장 다양한 균주들을 포함하는 세균 중의 하나이다.

대장균은 주 서식지가 동물의 장이고 숙주에 따라 서식하는 대장균 간의 유전적인 차이가 있기 때문에 물이나 음식에서 대장균이 발견이 되면 오염원이 사람인지 포유동물인지 아니면 조류인지를 짐작할 수 있다.

대장균의 종류는 E. coli O157: H7과 같은 혈청학적 분류를 일반적으로 사용하는데, 세포의 표면에 존재하는 항원(O 항원: 외막의 lipopolysaccharide; H 항원: 편모; K 항원: 캡슐)에 따라 분류한다. 현재에는 약 190 종의 혈청 그룹이 알려져 있는데, O157: H7 균은 장출혈을 유발하는 대장균(Enterohemorrhagic E. coli, EHEC)의 일종으로 알려져 있다. 실험실에서 모델 생명체로 주로 사용하는 E. coli K-12 유도체인 MG1655 균은 돌연변이로 인해 면역반응을 유발하는 O 항원이나 H 항원이 없어서 이들 혈청형으로는 분류가 되지 않는다. 

 

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유전체 크기 및 대사 능력
염색체는 원형의 단일 DNA분자로 되어 있다. 실험실에서 주로 사용하는 K-12 유도체인 MG1655 균의 유전체 염기서열이 1997년 처음으로 결정이 되었다. MG1655 균의 지놈은 약 4,600,000 염기쌍으로 되어있고 총 4288개의 단백질을 암호화하는 유전자가 2584개의 오페론으로 구성이 되어 있으며, 7개의 rRNA 오페론과 86개의 tRNA 유전자를 갖고 있다. 1997년 이후로 1000종 이상의 대장균 분리종의 염기서열이 지금까지 보고되었다.

 

 단일 종으로 분류가 되어 있음에도 불구하고 이들 분리종들의 지놈에 공통적으로 존재하는 유전자는 전체의 20% 밖에 되지 않는다. 질병을 유발하는 대장균은 지놈의 크기가 더 크며 감염을 일으키는데 필요한 유전자는 다른 종에서 기인한 것으로 생각되고 있다.

대장균은 통성혐기성이기 때문에 호흡을 위해 최종전자수용체로 산소를 가장 좋아하지만 산소가 없어도 질산염(NO3-)과 같은 다른 화합물을 전자 수용체로 이용할 수도 있으며, 전자 수용체가 없는 경우에는 발효만을 해서 살아갈 수도 있다. 화학 유기 영양체이기 때문에 광합성은 할 수 없고 유기물을 에너지 및 탄소원으로 반드시 필요로 한다.

 

 매우 다양한 유기물을 이용할 수 있고 완전한 해당작용(glycolysis)과 크렙스 회로(Krebs cycle)를 갖고 있을 뿐 아니라 대장에서 서식할 때는 Entner-Doudoroff 경로를 이용하여 포도당이나 대장 점막에 존재하는 당류를 이용하기도 한다. 산소가 적은 환경에서는 혼합산 발효(Mixed-acid fermentation)를 통해 다양한 산물을 만들어 낸다. 대장균의 발효 산물로는 젖산(lactate), 숙신산(succinate), 에탄올, 아세트산(acetate), 개미산(formate) 등이 있다.  

대장 내 분포
주요 서식지가 대장인 만큼 최적 배양 온도는 섭씨 37도이다. 하지만 균주에 따라 49도에서도 분열을 할 수 있으며 10도 정도의 저온에서도 자란다. 대장균이라는 이름으로부터 이 종이 마치 우리 대장에 가장 많이 존재하는 대표적인 세균으로 오해하기 쉬우나 그 수가 우리 대장에 존재하는 전체 세균의 0.1%를 넘지 않는다.

 

하지만 대장균이라는 이름이 붙은 이유는 장내 세균들 중에서 산소에 전혀 민감하지 않고 다양한 배지에 배양하기가 매우 쉽기 때문에 분리 배양이 용이하여 가장 먼저 발견된 장내 세균이기 때문이다. 외부로 배출된 대장균이 환경으로부터 어린아이의 장내로 다시 들어가는 경로는 오염된 물이나 음식물을 통해서 들어가는 것으로 생각된다. 사람의 대장에 단일 종으로 가장 많이 존재하는 세균은 프리 보텔라(Prevotella)나 피 칼리 박테리움 프로스 니치(Faecalibacterium prausnitzii)로 알려져 있다.

모양과 크기
대장균은 그람음성세균이기 때문에 원형질막뿐 아니라 얇은 펩티도글리칸 층과 세포 외막도 갖고 있다. 세포의 가운데가 분열이 되는 이분법으로 분열을 한다. 내생 포자를 만들지 않는 대신, 영양분의 상태에 따라 세포의 모양이 바뀐다. 영양분이 풍부한 조건에서는 세포의 지름이 0.25 – 1.0 μm 정도이고 길이가 2-3 μm 정도로 길어서 막대 모양으로 보이지만 영양분이 결핍이 되면 지름이 0.25 - 1 μm 정도가 되는 구형에 가까운 모양으로 바뀐다. 

 

이러한 구형에 가까운 세포는 영양분이 거의 없는 환경에서도 비교적 오랫동안 살아남을 수 있다. 대장균 세포를 지름이 1.0 μm이고 길이가 2.0 μm인 원통형으로 보면 세포 1개의 부피는 약 1.6 μm3 으로 계산된다. 따라서 대장균 세포 내에 어떤 물질 1개가 존재한다면, 그 물질의 세포 내 농도는 약 1 nM이 된다(1 M = 6 X 1023개/L = 6 X 1023개/1015 μm3 = 6 X 108개/μm3 이므로 1 nM = 0.6개/μm3 = 1개/1.6 μm3). 또한 600 nm에서의 흡광도가 1인 배양액의 경우 세포 농도는 약 0.5 x 109 cells/ml 정도가 된다.

 

대장균 특징
대장균은 열에 대한 저항성이 약하여 60℃에서 약 20분간 가열하면 멸균된다. 그러므로 여름철에 물을 끓여 마시면 설사를 예방할 수 있다. 대장균은 양쪽 끝이 둥글고 길이 2∼4μm, 나비 0.4∼0.7μm의 간균으로 편모를 가지고 있어 운동성이 있다. 포자를 만들지 않으며, 그람음성균이다.

형태학적으로 적리균(赤痢菌)과 구별하기 어렵지만, 생물학적으로 대장균은 젖당 및 포도당을 분해하여 산과 가스를 생성시키고 우유를 응고시켜 인돌(indole)을 만든다. 

 

또한, 대장균의 존재 여부는 분변에 의한 오염 유무가 지표가 되며, 수질검사 등에 종종 응용되는 수단으로 위생학상 중요하다. 

 

 

생물학적 특징

형태와 모양
그램음성균인 대장균은 산소 존재하에서 ATP를 생성하지만, 산소가 부족한 경우 발효와 같은 혐기성 호흡으로 전환할 수 있는 조건부 혐기성 세균이다. 길이 2 마이크론, 지름 0.25~1 마이크론 미만의 막대 모양으로서 포자를 형성하지 않는다. 세포 표면에 골고루 분포한 편모를 가지고 있어서 움직일 수 있다.

대사과정
대장균은 다양한 종류의 탄소원을 사용할 수 있으며, 혐기성 조건에서 복합적 산발 효 과정을 이용, 젖산, 석시네이트 (succinate), 에탄올, 아세테이트와 이산화 탄소 등을 생성한다. 이렇게 다양한 대사 과정은 수소 가스를 생성해서, 이 들 수소를 없애는 메타 노젠 세균이나 황 환원 세균 등과 함께 서식하는 경우가 있다. 

배양 조건
대장균은 37°C에서 가장 잘 번식하며, 실험실에서는 효모 추출물을 함유한 용액이나, 글루코스, 인산화 암모니움, 염화나트륨, 황산화마그네슘, 인산화 칼륨을 포함한 용액에서 키운다. 혐기/비 혐기 상태에서 모두 서식 가능하기 때문에 수분이 있는 곳에서는 어디서나 잘 자랄 수 있는 환경적 유리함을 보인다.

유전적 적응
대장균은 자신의 DNA를 세균접합 (bacterial conjugation)을 통해 다른 세균으로 전파시킬 수 있다. 박테리오파지라고 불리는 세균 바이러스는 시겔라 세균 (Shigella bacteria)으로부터 시가 독 (shiga toxin)을 생성하는 유전물질을 얻어 대장균에 전달하여 O157: H7이라는 병원성 대장균 종 (E.coli strain)을 만들어 내기도 한다.

대장균 관련 질병
O157: H7
병원성 대장균주로 유명한 O157: H7은 시가 독 (shiga toxin)을 생성하기 때문에, 바이오테러에 사용될 수도 있는 종류로 분류되고 있다. 시가 독은 적혈구를 파괴하여 인체 내 혈액 여과 시스템, 신장 등의 흐름을 막아 용혈성-요독성 증후군 (hemolytic-uremic syndrome)을 일으킨다. 빈혈과 더불어 심한 경우 신부전을 일으키고, 이어 폐와 심장에 부종을 일으켜 고혈압이 되기도 하고, 뇌의 혈관을 막아 뇌졸중을 일으키기도 하는 등의 신경계 이상 증후를 보일 수 있다. 

요로 감염성 대장균 (Uropathogenic E. coli: UPEC)
UPEC은 요도염을 일으키는 주요 원인으로 알려져 있다. 정상 상재균의 일종으로 존재하나 대변에 의한 요도 오염으로 요도염을 일으킬 수 있다.

O104: H4관련 용어
2011년 5월, O104: H4 대장 균주는 독일에서 창궐한 세균성 감염원으로 대두되었다. 내출혈 성 대장 균주 (enterohemorrhagic E. coli: EHEC)의 일종인 이 균주에 의하여 감염된 몇몇 사람들이 용혈성-요독성 증후군을 일으키면서 퍼져나갔는데 당시 북미권을 비롯한 15개국으로 전염이 퍼지면서 큰 파문을 일으켰다. 후에 이집트로부터 온 조미료 식품인 호로파 씨가 대장균 오염의 주범인 것으로 밝혀졌다.

연구용 대장균
대장균의 플라스미드 DNA와 제한효소를 이용하여 개발된 DNA 재조합 기술은 생명공학 발달을 일으킨 원동력이다. 플라스미드에 원하는 유전자를 재조합하여 대장균에 주입, 발현 시켜 배양하여, 각 종 단백질의 대량 생산에 사용되기도 한다. 인간 인슐린의 대량 생산이 그 첫 번째 성공사례이다. 또한, 백신 개발, 바이오연료, 고정 효소 시스템 등의 연구에서도 널리 이용되고 있다.

이러한 유용성으로 말미암아 여러 가지 실험용 균주를 개발하여 사용하고 있는데, 예를 들어 K12 균주는 알칼리 탈인산화 효소를 대량으로 만드는 균주로 널리 알려져 있고, 이 균주의 완전한 유전체 정보가 1997년 알려졌고, 이로써 대장균은 그 전체 유전체 정보가 알려진 최초의 생물체로 자리매김하였다. 나노 테크노로지와 생태학을 접목시켜 나노스케일 생지질 시스템에서 대장균 생태 적응에 대한 연구라던가, 해밀턴 경로 문제와 같은 수학적 난제를 해결하기 위하여 대장균을 프로그램하려는 새로운 시도들도 이루어지고 있다.

 

 

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