내생포자

내생포자; 내성포자(국문) endospore(영문)

내생 포자는 세균이 생존하기 힘든 극한 환경에서 살아남고자 스스로 생성하는 특수한 물체의 하나로 주로 그람양성균에서 발생한다. 대체로 영양분이 부족한 상황에서 생성되며, 이렇게 생성된 내생포자로 수 년에서 수 세기를 견딜 수 있고 주변 환경이 세균 성장에 유리해 지면 다시 영양세포(Vegetative cell)로 분화 할 수 있는 특징을 지닌다. 즉, 내생포자는 열, 강한 화학 물질 그리고 방사선에 강한 저항성을 가지고 있으며 생존 구조의 기능을 가지고 있어 세포가 생존하기 힘든 영양분 고갈 또는 건조 상태를 극복할 수 있으므로 세균의 생명주기(Life cycle)에서 휴지기(Interphase)로 볼 수 있다.

고초균(Bacillus subtilis)의 내생포자 투과전자현미경 사진. (출처: GettyimagesKorea)

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세균은 하나의 내생포자를 내부에서 생산한다. 내생포자는 외막(exoporium), 포자막(spore coat), 피층(cortex), 중심(core)로 구성되어있다. 내생포자는 얇은 단백질 막인 외막으로 싸여있다. 이 외막 아래에는 체와 같이 큰 독성 분자를 배제하는 역할을 하는 포자막이 있다. 또 포자막 아래에는 피층과 펩티도글리칸(peptidoglycan) 층이 존재하며, 피층 안에는 중심이 있다. 이 중심 안에는 내생포자의 DNA를 자외선과 열로부터 보호하는 역할을 하는 작은 산 용해성 단백질(SASP; small acid soluble spore proteins)과 결합한 포자의 염색체 DNA가 존재한다. 또한 DNA 사이에 칼슘-디피콜린산(DPA; dipicolinic acid) 복합체가 결합하여 열로부터 DNA가 변성되지 않게 DNA를 안정화하는 역할을 한다.

내성포자의 구조 (출처: 한국미생물학회)

내생포자를 현미경으로 관찰하기 위해 내생포자 벽을 염색하는 것은 어려우므로 일반적으로는 세균 세포를 염색하여 염색이 되지 않은 부분을 포자로 보는 방법을 사용한다. 이때 사용되는 방법이 모엘러 염색(Moeller stain) 으로 내생포자는 붉게, 대조 염색체는 메틸렌 블루(methylene blue)를 이용해 영양세포는 파란색으로 염색하여 확인 할 수 있다. 또 다른 방식으로는 쉐퍼-풀톤 염색(schaeffer-Fulton stain)으로 말라카이트 그린(malachite green)을 이용해 내생포자를 녹색으로, 대조염색제로 사프라닌(safranin)을 이용하여 세균의 몸체는 붉게 염색하여 확인하는 방법이다.¹⁾

모엘러 염색한 내생포자 (출처: GettyimagesKorea)

내생포자의 발생 위치에 따라 말단형 포자(terminal), 준말단형 포자(subterminal) 그리고 중심형 포자(central)로 구분할 수 있다. 말단형 포자는 내생포자가 세포의 가장 끝 부분에 생기며, 중심형은 세균 세포의 중심 위치에 존재한다. 그리고 준말단형 포자는 중심형과 말단형 사이에 내생포자가 발생하는 경우를 말한다.

내생포자의 발생 위치는 세균 종류에 따라 다르게 나타나므로 발생 위치를 이용해 구분할 수 있다. 예를 들자면 파상풍균(Clostridium tetani)는 말단형 포자를 만들고, 세레우스균(Bacillus cereus)은 중심형 포자를 만든다.²⁾

포자화(sporulation)의 과정은 0에서 Ⅶ 까지 여덟 단계로 나뉜다. 세레우스균(Bacillus cereus)의 경우 영양세포에서 포자가 형성되기 까지 약 7시간이 걸리며, 내생포자가 현미경으로 검출이 가능할 만큼 생성되기까지 걸리는 시간은 시작부터 대략 24시간에서 48시간 정도 소요된다. 포자화에는 400개 이상의 유전자가 관련되어 있으며, 이들이 내생포자에 특이적인 단백질과 영양세포의 기능에 관여하는 많은 단백질의 합성을 담당한다.

내생포자의 생성과정은 아래 <그림 1>과 같다. 영양세포는 '단계 0'에 해당 하며, 이 단계에서는 세포분열로 염색체가 복사되어 매우 밀집되어 있다. '단계 Ⅰ'에서는 세포가 형성한 긴 방향으로 DNA 단섬유(filament)가 뻗어 교차한다. 그리고 비 대칭적으로 세포분열하여 모세포(mother cell)와 전포자(prespore)가 형성된다(단계 Ⅱ). '단계 Ⅲ'에서는 전포자를 모세포 안으로 흡수한다. 뒤이어 '단계 Ⅳ'에서 두개의 펩티도글리칸 막이 전포자의 세포막 주변에 형성되고, '단계 Ⅴ'에서 다양한 단백질로 구성된 포자막이 형성된다. '단계 Ⅵ'에서 포자가 성숙하여 자외선과 고온으로부터 저항성을 가지며, 마지막으로 '단계 Ⅶ'에서 세포 용균(cell lysis)를 통해 내생포자가 외부로 방출된다.³⁾

내생포자 형성 단계 (출처: 한국미생물학회)

하남출/서울대학교

최형태/강원대학교

1. Harley and Prescott, Laboratory Exercises in Microbiology, (McGraw Hill, 2002), 57-59.
2. Michael Madigan, John Martinko, David Stahl, David Clark, Brock의 미생물학, 오계헌 역, 13^th Edition (서울: ㈜피어슨에듀케이션코리아, 2011), 97-101.
3. Krystyna I. Wolska et al.(2007), Genetic and Physiological Regulation of Bacterial Endospore Development, Polish Journal of Microbiology, Vol. 56, No. 1, 11-17.