데이노코쿠스-테르무스 문

데이노코쿠스-테르무스 문(국문) phylum Deinococcus-Thermus(영문)

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데이노코쿠스-테르무스 문(phylum Deinococcus-Thermus)은 초기-분지 극한세균(deep-branching extremophile)을 구성하는 세균 문 중의 하나로 Deinococcus 속명과 Thermus 속명을 결합하여 구성한 문이며 Deinococci 단일 강이 존재한다¹⁾. Deinococcus-Thermus 문은 Deinococcales 목과 Thermales 목으로 나뉘며 각각 방사능과 건조에 내성을 가진 Deinococcus와 초고온 세균인 Thermus를 대표 종으로 한다. Deinococcus의 ‘deino’는 ‘두려움, 무서움’이므로 ‘무서움을 피하는 구균’이 어원이다. 방사능 위험을 피하는 세균, 즉 방사능에 견디는 세균을 특정하기 위하여 명명되었다. Thermus의 ‘thermo’는 고온을 뜻하므로 Thermus 속은 고온세균을 가리키며 실제로 미국의 옐로스톤 국립공원의 열천에서 분리되었다. 한자권 학자들은 이 문을 라틴어 어원에 따라 이상구균-서열균문(異常球菌-棲熱菌門)으로 부르고 있으나 deino를 이상(異常, strange)으로 번역한 것이 다소 의외다. 이 문의 극한세균 특징으로부터 방사능과 고온에 견딜 수 있는 생리적 특징에 대한 연구가 지속되고 있다.

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Deinococcus-Thermus 문은 2017년 8월 현재 Deinococci 단일 강(Deinococcales 목, Thermales 목)으로 구성되며, Deinococcales 목은 Deinococcaceae 과(family)와 Trueperaceae 과로, Thermales 목은 Thermaceae 단일 과로 구성된다(그림 1)²⁾. Deinococcales 목에 속하는 Deinobacter, Deinobacterium, Deinococcus, Truepera 속은 모두 방사선과 건조에 내성을 가진다. Thermales 목에 존재하는 Marinithermus, Meiothermus, Oceanithermus, Rhabdothermus, Thermus, Vulcanithermus는 60-90˚C의 최적 생장온도를 갖는 고온균이다.

그림 1. Deinococcus-Thermus 문의 16S rRNA 유전자 계통도. 출처: 조장천/인하대학교

그림 2. Deinococcus radiodurans의 전자현미경 사진(TEM). 방사선에 강한 내성을 가지고 있는 Deinococcus radiodurans는 보통 2-4개의 세포로 모여 있다. 출처: GettyimagesKorea

Deinococcales 목의 대표 속인 Deinococcus는 감마선으로 살균처리한 통조림에서 최초로 분리되었고, 체르노빌 원전 사고지역에서도 증식이 관찰된 바 있다. 나사(NASA)에서 수행한 강한 진공 상태, 강한 태양광, 방사선 노출 실험에서도 생존한 세균이 Deinococcus이다. Deinococcus radiodurans와 Deinococcus deserti 는 각각 방사능과 건조에 저항성을 갖는 세균 종을 대표한다. Deinococcus는 사막, 남극 등의 토양과 방사능 오염지역, 공기, 해수, 담수 등 다양한 환경에서 분리되고 있다. Deinococcus는 두터운 세포벽을 가져 그람양성으로 염색되지만 그람음성 세포구조이며, 세포는 항상 두 쌍 또는 네 쌍으로 존재한다(그림 2). Deinococcus의 방사선 내성은 손상된 DNA를 빠르게 복구할 수 있는 시스템을 세균이 보유하기 때문인 것으로 알려졌다. D. radiodurans는 2.6~4.1 Mbp크기의 유전체와 0.45~1.77 Mbp의 플라스미드를 4~10개씩 가지고 있어서 손상된 DNA와 손상되지 않은 DNA 사이의 상동재조합을 통해 손상된 DNA를 복구한다. 이러한 방사능 저항성은 황산화 활성이 강한 Deinoxanthin에 의해 강화된다.

그림 3. 미국 옐로스톤 국립공원의 열천에서 시료를 채취하는 Tom Brock. 출처: GettyimagesKorea

Thermales 목 세균은 고온에서 생장 가능하며 호기성 또는 미세호기성이다. 세포는 긴 간균 또는 사상형을 나타내며 모양은 다양하다. 대부분 호기성이지만 일부 종은 질산염, 아질산염, 3가 철 등을 전자수용체로 무산소호흡을 한다. Thermales 목은 Thermus, Marinithermus, Meiothermus, Oceanithermus, Rhabdothermus, Vulcanithermus 등을 포함하는 목이며 대표 종은 Thomas Brock에 의해 옐로스톤 국립공원의 열천(그림 3)에서 분리한 Thermus aquaticus다. Thermus aquaticus에서 Taq 중합효소(Taq polymerase)가 분리되어 PCR(polymerase chain reaction)의 핵심 효소로 널리 쓰이고 있다. 대부분의 고온성 세균은 높은 온도에서도 유전자의 형태를 온전히 유지하기 위하여 높은 DNA G+C 비율을 가지고 있다. T. aquaticus 유전체의 DNA G+C 함량은 69.7%로 매우 높다. 이는 고온에서 안정된 유전체 구조를 유지하기 위해서다. T. aquaticus 유전체 크기는 2.15 Mbp이고, 4개의 플라스미드를 가진다. 고온 효소인 DNA ligase, alkaline phosphatase, NADH oxidase, isocitrate dehydrogenase, amylomaltase, fructose 1,6-disphosphate-dependent L-lactate dehydrogenase등이 학문적 또는 산업적으로 널리 이용된다.

조장천/인하대학교

이하나/고려대학교

1. Garrity GM, Holt JG. 2001. Class I. Deinococci class. nov. In: Bergey's Manual of Systematic Bacteriology, second edition, vol. 1 (The Archaea and the deeply branching and phototrophic Bacteria), Springer-Verlag, New York, 2001, p. 395. 
2. Deinococcus-Termus