바실러스

바실러스; 간균 (국문) Bacillus (영문) 

2018년 6월 현재 369종과 8아종으로 이루어진 세균 속(屬, genus)이며, 콩 발효에 관여하는 인체에 이로운 종부터 세균전(germ warfare)에 사용될 만큼 강력한 병원균까지 다양하게 포함되어 있다. 피르미쿠테스(Firmicutes) 문(門, division) 아래 Bacilli, Bacillales, Bacillaceae에 속하는 속이며, 표준 종(Type species)는 고초균(Bacillus subtilis) (Ehrenberg 1835)이다. ^{1) 2)}

Agar plate에서 자라고 있는 고초균 콜로니 모습 (출처: )

목차

바실러스 속의 세균은 토양 등 우리 주변 환경 및 인체나 동물 등에서 널리 분포하고 있으며, 우리의 일상생활에서도 많이 활용되는 세균이기도 하다.³⁾ B. subtilis는 고초균이라고도 하며, 세균 중에서 가장 많은 연구가 이루어진 그람양성 세균의 모델생물이다. 고초균은 amylase와 protease 등 상업적으로 중요한 효소활성을 가지고 있으며, 식품에 있어서도 콩의 발효식품인 메주와 낫토의 생산에 절대적인 중요성을 가지고 있다. 또한, 고초균의 배양물은 항생물질이 발견되어 본격적으로 사용되기 시작한 1950년 이전에는 면역기능 증진 및 항암작용을 가지는 프로바이오틱스로 널리 활용되었다. B. amyloliquefaciens 역시 ribonuclease 활성을 가지는 barnase라는 효소 및 amylase와 protease, 제한효소 등을 생산하는 상업적으로 중요한 균주이다. 반면, 병원균으로 알려진 종도 있는데, 대표적으로는 탄저병(anthrax)의 원인균인 B. anthracis와 식중독의 원인균인 B. cereus가 있다. 그 밖에 B. licheniformis는 기회병원균으로, B. thuringiensis는 곤충 병원균으로 알려져 있다. B. thuringiensis의 살충작용을 일으키는 독소 유전자를 작물에 유전적 조작으로 삽입하여 해충저항성 작물을 만들기도 한다. 

1993년 도쿄에서 생물테러에 이용된 Bacillus anthracis의 한천 배지 위 군락 모양. (출처: )

현미경적으로 그람양성간균은 중심성 포자를 형성한다. 오래 배양된 균은 그람음성으로 염색되며 대부분 호기성이지만 통성 혐기성인 균주도 있다.³⁾ 내생포자(endospore)를 형성하여 환경에 오염원으로 분포하며, 이들이 영양 환경이 좋아지면 영향형 세균으로 자라면서 감염원으로 작용하게 된다. Bacillus 균종의 크기는 0.5~2.5와 1.2~10 μm으로 다른 세균에 비해 크고 주모성 편모로 운동성 또는 비운동성이다. 영양한천배지에서 잘 자라고 집락은 다양한 모양을 형성하며 크기가 큰 편이다. Catalase 양성이며 젤라틴, 카제인, 전분을 가수분해한다.

내생포자는 열, 건조, 방사능 등 극한조건에 내성이 있으므로 환경에서 채취한 시료는 열이나 건조 등의 처리를 통해 내생포자 생성세균을 선택적으로 분리할 수 있는데, 대표적인 세균이 바로 바실러스이다.³⁾ 내생포자를 수천만 년 전의 호박 화석에서 분리하여 실험실 조건에서 재생하였다는 기록도 있다. 세포 내에서 내생포자가 형성되는 위치는 분류학적으로 이용될 수 있는 주요 형질의 하나가 된다.

바실러스같은 그람양성균의 경우 대장균의 OxyR 단백질의 역할을 PerR이라는 단백질이 대신한다. PerR은 기능적으로는 대장균의 OxyR과 비슷한 역할을 하지만, peroxide를 인식하여 타겟 유전자를 발현시키는 메커니즘은 OxyR과 다르다.³⁾ PerR은 사실 아래에서 언급할 대장균에서 iron regulation을 담당하는 Fur 단백질과 유사한 단백질이다. 대장균의 Fur 단백질처럼 Bacillus subtilis의 PerR은 ferrous (Fe²⁺⁾ ion과 결합하면 DNA에 결합할 수 있고, ferrous ion이 떨어져 나가면 DNA에 결합할 수 없다. 대장균의 Fur은 세포질 내 ferrous ion의 유무에 따라 Fur-ferrous ion의 결합 여부가 결정되고 결과적으로 DNA 결합 활성이 바뀌지만, Bacillus의 PerR은 H₂O₂에 의해 ferrous 이온과 거기에 결합하는 리간드인 히스티딘 잔기가 산화되면, PerR에 ferrous ion이 더 이상 붙어 있을 수 없게 되어 PerR이 DNA에 결합할 수 있는 능력을 잃게 된다. PerR도 Fur처럼 기본적으로 억제자(repressor)이기 때문에 DNA 결합능력을 상실하면 유전자 발현이 유도되어 자신의 regulon이 활성화된다. 사실 Bacillus subtilis도 Fur 단백질을 가지고 있다. 그러나 미세한 구조 차이 때문에 Fur 속의 ferrous ion은 잘 산화되지 않아서 Fur는 peroxide를 인지하지 못한다.

대장균을 포함하여 그람음성세균을 유전공학적 응용에서 숙주로서 사용했을 때에는 외막(outer membrane)을 가지고 있기 때문에 클로닝된 단백질의 분비가 비효율적이다. 이러한 문제는 그람양성균인 Bacillus subtilis를 이용하여 클로닝함으로써 해결할 수 있다. 비록 대장균에 비하여 플라스미드 종류와 클로닝 기술이 많이 발전하지는 못하였지만, 클로닝을 위한 몇 가지 플라스미드와 파지(phage)를 사용할 수 있다. 그람양성세균을 클로닝 숙주로 사용할 때 또 다른 문제점은 반복적인 계대배양 시 플라스미드가 불안정적으로 유지된다는 점이다. 따라서 예상치 못하게 클로닝한 DNA가 분실되는 문제가 발생한다. 원핵생물 숙주를 사용했을 때 공통적으로 발생하는 문제점은 진핵 단백질을 정확하게 변형시키는 세포소기관이 존재하지 않는다는 점이다. 이러한 부분은 진핵 숙주를 이용함으로써 해결이 가능하다.

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배진우/경희대학교

정우현/덕성여자대학교

1.
2.
3. 미생물학. 한국미생물학회. 범문에듀케이션. ISBN 979-11-5943-058-9