미생물학

미생물(Microorganism)이란 맨눈으로는 보기 어렵고, 현미경을 사용해야만 그 형태 및 외관적인 특징을 알 수 있는 작은 생물들을 말한다. 미생물학은 이런 작은 생물체들의 생리, 유전, 분류, 생태 등의 현상을 연구하는 세균학, 균학, 바이러스학, 원생생물학 등을 토대로 독성학, 면역학, 및 생물공학 등의 학문과의 상호연관성을 다루는 통합적 학문이다.

미생물을 배양하고 이들의 대사적 특성과 병원성을 분석하는 것이 가능해지면서, 미생물의 다양한 대사활동을 활용하는 방안을 모색하는 한편, 해로운 미생물을 제어하고 감염성 질병을 예방하고 치료하는 방법을 찾아내는 것이 초기 미생물학의 주된 관심사였다. 현재는 인간의 건강과 삶의 질을 높이는 데 있어서 미생물을 활용하고자 하는 연구로 영역이 확장되었고, 1953년 James Watson과 Francis Crick의 DNA 이중나선 구조 규명을 통해 촉발된 분자생물학과 유전공학의 발전은 미생물의 활용 영역과 방법을 획기적으로 발전시켰다. 최근에는 DNA 염기서열 분석 방법이 급속히 성장함에 따라 인간이 관찰하고 이해할 수 있는 미생물의 세계가 무한히 확장되고 있다.

목차

인간이 현미경을 통해 미생물의 존재를 확인한 것은 300여년 전의 일이지만, 기원전 수천 년 전부터 이미 효모를 이용해 곡류와 과일을 발효시켜 빵과 와인을 만든 흔적이 고고학적 발견과 기록을 통해 확인되고 있다. 미생물을 이용한 생명공학의 역사는 미생물의 존재를 확인하면서 시작된 미생물학의 역사보다 훨씬 앞서 있다.

기원전 6세기경 자이니교(Jainism) 창시자인 마하비라(Mahavira)의 가르침을 기록한 성전에 nigodas라는 단시간의 수명을 가진 초현미경적 물체가 커다란 집단을 형성하여 식물 조직이나 동물의 살을 포함한 우주 어느 곳에나 존재한다고 쓰여있다. 로마인 Marcus Terentius Varro는 늪지 부근에 농가를 건축하면 눈에 보이지 않는 어떤 미세한 생물체가 자라, 공기 중에 퍼져서 입, 코를 통해 인체로 유입되어 심각한 질병을 초래할 수도 있으므로 늪지 부근에 농가를 건축하지 말라고 경고하기도 했다.

이슬람 문화의 황금기에, 가설로 미생물의 존재를 언급했던 몇몇 과학자들이 있었는데, Ibn Sina(또는 Avicenna)는 그의 책 "The Canon of Medicine"에서 미생물을 언급했고, Ibn Zuhr는 옴진드기를 발견했으며, Al-Razi는 저서 "The Virtuous Life (al-Hawi)" 에서 천연두를 최초로 묘사했다. 1546년에는 Girolamo Fracastoro는 전염병은 이동이 가능한 씨 같은 물체를 직접적 혹은 간접적으로 접촉하여, 아니면 어떤 수송 매개 물질에 의한 전파에 의해서 발병된다고 주장하였다.

미생물학의 아버지로 일반적으로 알려져 있는 네덜란드 포목상 Antonie Van Leeuwehook은 1676년에 하나의 렌즈로 이루어진 270배의 단순한 현미경을 제작하여 빗물 속에서 구형과 막대형의 작은 동물들이 운동하고 있다는 것을 처음 관찰하고 작은동물이라는 의미로 animalcules라고 명명함였다. Robert Hooke는 1665년에 버섯의 자실체를 현미경을 사용하여 관찰하고 그 결과를 기록한 최초의 사람으로 알려졌다.

크기가 작은 미생물을 보기 위해서는 현미경의 적절한 활용이 필수적이므로 현미경의 발달과 새로운 발견, 실험 방법의 개발에 맞춰 미생물학 연구도 발전해왔다.

1658년 예수회 수사인 Athanasius Kircher는 우유의 부패한 물질을 관찰한 결과를 언급하였는데, 미생물을 본 최초의 연구자로 짐작되고 있다. Kircher는 1646년에 완성한 책 "현미경으로 관찰한 지구상의 신비로운 물체들에 관하여" ('Concerning the wonderful structure of things in nature, investigated by Microscope')에서 부패한 물질에는 무수히 많은 서서히 움직이는 극미동물로 가득하다고 기록했고, 1658년에 "흑사병 조사(Scrutinium Pestis)"라는 책을 출간했는데, 그가 실제로 관찰한 것은 페스트균 자체가 아니고 적혈구나 백혈구일 것으로 짐작되지만 흑사병이 미생물에 의해서 유발된다고 기술되어 있다.

세균학은 나중에 미생물학으로 통합되었는데, 초기에는 주로 식물학자들에 의한 연구 분야였다. 19세기 식물학자이지만 Ferdinand Cohn는 최초로 세균과 포자의 계통학적 분류 체계를 확립하였다. Cohn과 동시대 살았던 Louis Pasteur와 Robert Koch도 미생물학이 생물과학의 한 분야로서 확실하게 인정받게 하는 데 큰 역할을 하였다. Cohn, Pasteur, Koch는 세균학의 주요 창시자들로 불리운다. Louis Pasteur는 모든 생물은 생물로부터 나온다는 것을 입증함으로써 미생물학 뿐아니라 생물학의 기초를 만들었고, 그의 제자 중 한 명인 Adrien Certes는 해양미생물학의 창시자가 되었다. Louis Pasteur도 미생물학의 아버지라고 불리기도 하지만 "진정한 미생물학의 아버지"는 Antonie Van Leeuwehook이라고 인정하는 것이 일반적이다. Robert Koch는 한 종류의 세균을 순수배양하는 방법을 보급하고, 전염성 질병의 원인균을 진단하는 프로토콜(코흐의 가설, Koch’s postulates)을 확립하여 병원미생물학의 기초를 마련함으로써 병원미생물학의 아버지로 불리운다. 이후로 병원성 미생물이 일으키는 질병들에 대한 원인규명과 예방, 치료가 과학의 영역으로 들어왔다.

19세기말에는, 파스퇴르(Louis Pasteur)를 비롯한 생물학자들이 혁신적인 실험용 기구와 방법을 개발하여 세균학 연구에 커다란 발전을 가져왔다. Pasteur는 식품 보전법(pasteurization)을 고안했고, 탄저병, 조류 콜레라, 광견병 같은 여러가지 질병의 백신을 개발하였으며 면역의 개념이 확립되었다. 독일의 시골의사인 Robert Koch가 젤라틴을 이용한 평판배양법을 고안하여, 미생물을 순수 배양하는데 성공하였다. 미생물학 발전에 가장 직접적으로 지대한 영향을 준 업적으로 평가받고 있는 집적 배양 기술은 Martinus Beijerinck에 의해서 개발되었는데, 각각 다른 생리를 지닌 다양한 미생물들의 배양을 가능하게 되었다.

파스퇴르 (Louis Pasteur) ()

세균 여과기를 통하여 기존의 미생물보다 훨씬 작은 병원체를 인식하게 되었고, 전자현미경 발명 후, 이 병원체들의 형태 및 구조가 밝혀졌다. 초기 응용미생물학자로 간주되는 Felix d'Herelle는 박테리오파지를 발견한 사람들 중 하나이고, Martinus Beijerinck는 Tobacco Mosaic Virus를 이용하여 바이러스 생리의 기본 원리를 확립했다.

Joseph Lister는 환자의 개방된 환부에 페놀을 소독제로 처음 사용했는데, 이 후, 미생물학은 순수 미생물학과 응용 미생물학으로 분야가 나뉘어졌다. 미생물학 응용은 맥주 양조용 발효 탱크에 효모를 이용한 고전적인 형태에서 최근에는 여러가지 생물공학 기술의 발전과 더불어 다방면에 응용이 되고 있다. 미생물학의 발전이 현대 인류의 삶에 큰 영향을 끼친 사례 중의 하나는, 미생물이 만들어내는 항생제의 발견으로 감염병치료에 지대한 공헌을 하였다. 또한, 1973년 재조합 DNA recombinant 기술이 개발됨에 따라, 외래 유전자를 대장균을 비롯한 미생물에 도입하여 발현시킬 수 있게 되면서, 유전공학을 통한 미생물 생명공학의 발전으로 미생물학은 생명과학의 근원적 발견에 도구가 되었다.

1. 한국미생물학회, 미생물학 (2017) 범문사

2. Michael T. Madigan, John M. Martinko, Paul V. D Unlap, Brock Biology of microorganisms 12th edn.

석영재/서울대학교

이진원/한양대학교