박테리아

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박테리아(bacteria)는 세균이라고도 불리며, 맨눈으로 관찰할 수 없는 미생물의 한 분류이다. 미생물에는 박테리아 외에도 진균(fungi), 원생동물(protozoa), 바이러스(virus), 조류(algae) 등이 포함된다.

박테리아는 세포 소기관을 가지지 않는 원핵생물이다. 양분을 먹고 스스로 유기물을 만들어 살아가면서 번식을 한다. 크기는 수 마이크로미터(micro-meter, um)이며, 광학현미경으로 관찰이 가능하다. 성장이 비교적 빠르고, 생화학적 역할이 다양하며, 환경에 잘 적응한다. 지구상의 어느 곳에서든 기생, 공생, 부생, 독립 생활이 가능하며, 자연 생태계를 유지하는데 중요한 역할을 한다.

박테리아라는 이름은, 바실러스 박테리아의 모습을 현미경으로 관찰한 후 '작은 막대기'라는 뜻의 고대 그리스어 박테리온(baktērion)에서 유래하였다. 현재의 세균류는 처음 지구에 출현한 후 몇 억 년 동안 환경 변화에 적응하면서 생물학적 진화를 계속하였다. ¹⁾²⁾³⁾

박테리아의 세포벽은 펩티도글라이칸(peptidoglycan)으로 이루어져 있는데, 세포벽의 형태에 따라 그람 양성 세균(Gram-positive bacteria)과 그람 음성 세균(Gram-negative bacteria)로 구분한다. 펩티도글리칸은 원핵생물의 세포벽 주성분으로서 다당류(polysaccharide)의 짧은 펩타이드(peptide) 고리가 결합한 화합물이다. 펩티도글라이칸 구조로 세균은 고유의 형태를 유지할 수 있으며, 외부 환경으로부터 스스로를 보호할 수 있다.

결국 박테리아의 세포벽의 구성 성분은 탄수화물(carbohydrate)과 아미노산(amino acid)이라고 할 수 있고, 보통 생물의 세포핵과는 구조적 차이를 가지는 핵양체(nucleoid)를 가진다. 대장균(escherichia coli, E. Coli)에서는 DNA 사슬이 둥근 고리로 존재하며 이는 1개 염색체로서 핵양체이다. 박테리아는 세포 구조가 원시적이어서, 핵(nucleus), 미토콘트리아(mitochondria), 골지체(Golgi apparatus) 등은 가지고 있지 않다.⁴⁾⁵⁾

박테리아는 전자현미경으로도 구조가 관찰 가능하다. 하단 그림은 대장균(E. coli)을 주사전자현미경(scanning electron microscope)을 이용해 관찰한 결과이다.

대장균의 주사전자현미경 사진 ()

그람 염색(Gram staining)은 세균을 세포벽의 구조에 따라 분류하는데 사용되는 방법으로, 그람 염색에 의해 보라색으로 염색되는 세균을 그람 양성균, 핑크색으로 염색되는 세균을 그람 음성균이라 부른다. 1884년 덴마크 의사 한스 크리스티안 그람에 의해 고안되어 그람 염색법이라 명명되었다. 보라색을 띄는 크리스탈 바이올렛(crystal violet)과 핑크색을 띄는 사프라닌(safranin)을 통해 박테리아를 염색한 이후 현미경으로 관찰한다. 펩티도글라이칸 층을 세포벽에 두껍게 포함하고 있는 그람 양성균은 보라색의 크리스탈 바이올렛이 세척 과정에서 씻겨나가지 않아 보라색으로 표지되고, 펩티도글리칸 층을 얇게 가지고 있는 그람 음성균은 보라색이 세척 과정에서 씻겨나간 후 사프라닌에 의해 핑크색으로 표지된다.⁶⁾

박테리아 그람 염색 사진 ()

박테리아는 그람 염색 결과에 따라 그람 양성 세균 및 그람 음성 세균으로 크게 분류된다. 현미경을 이용한 육안 관찰 결과에 따라 박테리아는 세 분류로 나뉜다.

(1) 구균(coccus): 둥근 모양의 세균. 각기 따로 있는 단구균(-coccus), 짝을 이루는 쌍구균(-diplocci), 사슬모양으로 뭉쳐있는 사슬알균(-streptococci), 포도송이처럼 뭉쳐있는 포도상구균(-staphylococci)등이 구균에 포함된다.

(2) 간균(bacillus): 막대 모양의 세균. 일반적으로 간균은 각기 따로 존재하나, 사슬처럼 일렬로 배열하고 있는 연쇄상간균 등도 있다.

(3) 나선균 (spirilla): 나선 모양의 세균. 보렐리아(borellia), 비브리오(bibrio) 등이 나선균에 속한다.⁷⁾⁸⁾

박테리아는 주변 환경에 따라 번식 속도가 달라진다. 일반적으로 이분법으로 번식하며, 1~3시간마다 한번씩 분열하지만, 조건에 따라 20분 만에 한 번씩 분열하는 박테리아도 있다. 개체수가 늘어남에 따라 영양분 소모가 증가되며 노폐물이 생성되기 때문에 무한정 번식하지는 않는다.

이러한 세균의 분열은 일반적으로 무성 생식이지만, 대장균을 포함한 일부 균종은 유성 생식 접합을 하기도 한다. 일부 박테리아는 악조건(필수 영양물질의 고갈, 높은 온도 및 습도 등)에서 내생포자(endospore)를 형성해 생존 기간을 늘리기도 한다. 일부 내생포자는 아주 견고하여 끓는 물에서 생존하기도 한다.⁹⁾

일반적으로 박테리아는 해를 가하는 일 없이 사람과 동물의 다양한 신체 부위(피부, 기도, 구강, 소화관, 생식기관 등)에 존재한다. 하지만, 질환을 야기하는 박테리아 종류가 소수 있으며, 이를 병원균(pathogenic organism)이라고 한다. 때로는 신체에 무해하기 기생하는 박테리아가 특성이 변하여 질환을 야기시키기도 한다. 특정 박테리아는 생물 무기로 사용될 가능성도 있으며, 대표적인 예로는 탄저, 보툴리누스 중독, 콜레라 등이 있다.^10)11)12)

탄저(anthrax)는 탄저균(bacillus anthracis)의 포자에 의해 발생하는 감염병의 하나이다. 인간에게는 피부, 호흡기, 소화기 등으로 감염이 된다. 피부 감염은 박테리아가 피부의 상처를 통해 침입하면서 발생하며, 까만 염증을 형성한다. 치료를 받지 못하면 20%의 치사율을 가진다. 호흡기 감염은 초기 감기 증상과 유사하지만, 시간이 지남에 따라 호흡곤란과 쇼크를 유발하며, 치료를 받지 못하면 97%의 치사율을 가진다. 소화기 감염은 음식의 섭취에 의해 일어나며, 복통, 구토, 설사 등을 유발한다. 치료를 받지 못하면 25-60%의 치사율을 가진다. 이러한 위험성으로 인해 탄저균은 생물무기로 분류된다.

보툴리누스(botulinus) 중독은 부적절하게 조리되었거나 부패한 음식물에서 발생되는 보톨리누스균(clostridium botulinum)에 의해 발생한다. 보톨리누스균은 보툴리눔 독소(botulinum toxin, BTX)를 생성하며, 이는 인체에 신경 독성 단백질로 작용한다. 보톨리눔 독소는 보톡스(botox)로 일반적으로 알려져 있으며, 화장품 및 의학 연구 분야에서 상업적으로 사용된다. 보톡스는 미국의 주식회사 엘러간(allegan inc)에서 판매하는 보톨리눔 독소의 상표명이다.

콜레라(cholera)는 수인성 전염병으로, 콜레라균(vibrio cholerae)에 의해 발생된다. 감염되면 설사와 탈수증세를 보이며, 치료하지 않을 경우 급속하게 탈수가 진행되고 혈액 내 산 성분이 많아지는 산혈증 및 순환기계 허탈이 발생한다. 적절한 치료가 이루어질 경우 사망률은 1% 이하이지만, 치료하지 않으면 사망률은 50%이상이다. 대한민국에서는 제1종 법정 전염병으로 지정되어 있다.

항생제(antibiotic)는 박테리아를 죽이거나 성장을 억제하는 약을 말한다. 항생제는 곰팡이와 같은 미생물이 생존 경쟁의 관계에 있는 박테리아를 억제하기 위해 만들어내는 물질로 자연에서 우연히 발견되었다. 최초로 발견된 항생제인 페니실린(penicillium)이 1940년에 보고되었고, 이후 다양한 종류의 항생제가 등장하여 인류의 건강 증진에 기여하고 있다.¹³⁾

1. Bacteria, Encyclopedia Britannica,
2. What are bacteria and what do they do?, MedicalNewsToday,
3. Bacteria in Biology, Biotechnology and Medicine 6th Edition, Paul Singleton, Wiley, ISBN-10: 0470090278
4. Bacteria Cell Structure,
5. Bacteria: Cell Walls,
6. Gram Staining: Principle, Procedure and Results,
7. Bacteria, Microbiology Society,
8. Bacteria, Microbiology Online,
9. Chapter 3-Bacterial Growth, Environmental Microbiology 2nd Edition, Elsevier, Raina M. Maier, DOI: 10.1016/B978-0-12-370519-8.00003-1
10. Anthrax, Centers for Disease Control and Prevention (CDC),
11. Botulism, World Health Organization (WHO),
12. Cholera, World Health Organization (WHO),
13. The History of Antibiotics, Microbiology Society,