자기체

자기체는 향자장성(magnetotaxis, 주자기성)을 나타내는 세균의 세포 내에 있는 자성을 띈 나노입자 수준의 구조체이다. 자기체는 작은 자성 입자 15-20개 가량이 선형으로 연결된 구조로 세포막의 함입으로 형성된 공간에 자리잡고 있으며, 입자 성분은 자성을 띄는 자철광(Fe₃O₄)이나 그레이자이트(Fe₃S₄)로 되어 있다¹⁾. 입자의 크기는 세균 종류에 따라 다양하며(35-120 nm), 각 입자는 인지질의 이중막으로 둘러싸여 있다²⁾.

목차

향자장성세균은 자기장 내에서 나침반처럼 양 극 방향으로 정렬하며 미호기성(microaerophilic), 또는 혐기성 환경에서 서식하고 편모에 의한 운동성을 가진다. 대부분 유산소층과 무산소층의 경계면에서 서식하는 것으로 알려져 있다. 미호기성 향자장성세균은 대부분 자철광의 자기체를 가지는 반면 혐기성 향자장성세균은 전부 그레이자이트의 자기체를 보유한다. 자기체의 생합성은 복잡한 경로에 의하며 세포막의 변형, 철이온의 흡수 및 운반, 결정화, 결정성숙 및 자기체 사슬 형성 등 일련의 과정을 포함한다²⁾. 자기체의 합성 과정은 세균 종류에 따라 다소간의 차이가 있으며, 일반적으로 40여개 이상의 유전자가 관여하는 복잡한 과정으로 알려져 있다. 그레이자이트 자기체의 경우 이를 생성하는 세균이 아직 순수배양되지 않아 이의 형성에 대해서는 아직 많은 내용이 알려지지 않은 상태이다.

향자장성은 세균이 저산소 또는 무산소층에 머무르는 데 중요한 역할을 하는 것으로 추정된다. 일반적으로 북반구나 남반구에서는 자기장이 수직 방향으로 형성되는데 향자장성은 이러한 자기장의 방향성을 이용하여 수층에서 필요한 수심을 찾아가는데 도움을 줄 수 있는 것으로 추정된다¹⁾.

향자장성 세균은 대부분 나선균(spirilla), 또는 비브리오(vibrio) 형태이며 활발한 운동성을 보여주는 종속영양세균이다. 혐기성 향자장성 세균은 황산이온을 전자수용체로 이용하는 혐기적 호흡을 하는 세균군이다.

그림 1. 자기체를 보유한 세균인 Magnetospirillum gryphiswaldense와 세포 내 자기체를 확대한 사진. ()

현재까지 알려진 향자장성세균군은 미호기성의 경우 Alphaproteobacteria에 속하며 혐기성의 경우 Deltaproteobacteria에 속한다³⁾⁴⁾. 주요 분류군은 아래와 같다.

이 밖에도 Gammaproteobacteria, Nitrospirae, Candidatus Latescibacteria(WS3), Candidatus Omnitrophica(OP3) 등에 속한 세균군에서도 자기체를 보유하고 잇는 종류들이 있는 것으로 알려져 있다⁵⁾.

또한 2가의 철이온이나 환원된 무기황화합물을 산화하여 생장하는 화학무기독립영양세균인 Acidithiobacillus ferroxidans도 자기체를 생성하지만 사슬 형태가 아닌 1-3개의 입자만을 생성하는 것으로 알려져 있다⁶⁾.

자기체는 고정화(immobilization), 물질의 분리, 면역학적 검정, 약물 전달, 유전자 치료, MRI, 자기를 이용한 온열치료, 생물촉매, 환경오염제거(bioremediation), 결정학(crystallography), 지질학, 정보 저장 및 환경 보호 등 광범위한 활용성을 가지고 있어 주목을 받고 있다⁵⁾.

김승범/충남대학교

조장천/인하대학교

1. Madigan et al. 2015. Brock Biology of Microorganisms, 14th edition. Pearson.
2. Lower, B.H., Bazylinski, D.A. 2013. The bacterial magnetosome: a unique prokaryotic organelle. J Mol Microbiol Biotechnol. 23(1-2):63-80.
3. Euzeby, J.P. List of Prokaryotic Species with Standing in Nomenclature (www.bacterio.net).
4. Brenner, D.J. et al. (eds). 2005. Bergey's Manual of Systematic Bacteriology, vol. 2. 2nd edition. Springer.
5. Yan L, Da H, Zhang S, López VM, Wang W. 2017. Bacterial magnetosome and its potential application. Microbiol Res. 203: 19-28.
6. Yan, L., Zhang, S., Chen, P., Wang, W., Wang, Y., Li, H. 2013. Magnetic properties of Acidithiobacillus ferrooxidans. Mater. Sci. Eng. C, 33: 4026-4031.