대장균

대장균(국문) Escherichia coli ;E.coli(영문)

대장균은 대표적인 그램음성균으로서 조건부 혐기성의 막대 모양 세균이다 (그림 1). 주로 정온 동물의 소장에서 서식한다. 인체에 해가 없는 종류 들은 내장에서 자연적으로 존재하는 세균의 한 종류로서 전체 정상 상재균 (Normal flora)의 약 0.1 % 정도를 차지한다. 비타민 K2를 생산하고 해로운 세균의 번식을 억제하는 등, 숙주 동물과의 공생 관계를 유지하고 있다. 대변과 함께 체외로 배설되면 산소 존재하에서 빠르게 번식하기 때문에, 위생 환경이 좋지 않은 경우 식수나 식품류를 오염 시키는 주 원인이 되기도 한다. 대장균은 매우 값싸고 쉽게 (20분에 한 번씩 분열함) 실험실에서 배양이 가능하기 때문에 생물 공학과 미생물학에서 DNA 클로닝 기술 개발, DNA 복제 메커니즘을 밝히는 등의 연구에 중요한 모델 생물로 이용되어 왔다. 

그림 1. 1만배 확대한 대장균. 주사 현미경 이미지내에 막대 모양의 균 덩어리가 보인다. https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AE_coli_at_10000x%2C_original.jpg

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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.

대장균은 다양한 종류의 탄소원을 사용할 수 있으며, 혐기성 조건에서 복합적 산발효 과정을 이용, 젖산, 석시네이트 (succinate), 에탄올, 아세테이트와 이산화 탄소등을 생성한다. 이렇게 다양한 대사 과정은 수소 가스를 생성해서, 이 들 수소를 없애는 메타노젠 세균이나 황환원 세균 등과 함께 서식하는 경우가 있다. 

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

대장균은 자신의 DNA를 세균접합 (bacterial conjugation)을 통해 다른 세균으로 전파 시킬 수 있다. 박테리오파지라고 불리우는 세균바이러스는 시겔라 세균 (Shigella bacteria)으로부터 시가독 (shiga toxin)을 생성하는 유전물질을 얻어 대장균에 전달하여 O157: H7이라는 병원성 대장균 종 (E.coli strain)을 만들어 내기도 한다.

병원성 대장균주로 유명한 O157: H7은 시가독 (shiga toxin)을 생성하기 때문에, 바이오테러에 사용될 수도 있는 종류로 분류되고 있다. 시가독은 적혈구를 파괴하여 인체내 혈액 여과 시스템, 신장 등의 흐름을 막아 용혈성-요독성증후군 (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. 

UPEC은 요도염을 일으키는 주요 원인으로 알려져 있다. 정상 상재균의 일종으로 존재하나 대변에 의한 요도 오염으로 요도염을 일으킬 수 있다.

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

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. 나노테크노로지와 생태학을 접목시켜 나노스케일 생지질 시스템에서 대장균 생태 적응에 대한 연구라던가, 해밀턴 경로 문제와 같은 수학적 난제를 해결하기 위하여 대장균을 프로그램하려는 새로운 시도들도 이루어 지고 있다.

세균 접합, 유전자 재조합, 플라스미드, 제한효소