2장 2절 세균성 극한미생물

2. 세균성 극한미생물들

자연계에는 매우 다양한 고온성, 저온성, 호염성, 호산성, 호알칼리성 등등의 극한성 세균들이 존재하는데 이들은 어떤 특정의 계통학적 위치를 차지하지는 않는다. 그러나 계통학적으로 아키아와 가장 가까운 위치를 차지하는 미생물이 Thermotoga와 Aqufax 이다. 여기서는 이 두 종의 미생물들과 자연계에서 가장 흔하게 발견되는 대표적인 극한성 세균들의 특성에 대해 알아보도록 하겠다.

1) Thermotoga maritima

이탈리아 불캐이노 지열지역 (geothermal area)에서 발견된 Thermotoga maritima는 가장 대표적인 초고온성 (최적온도 80C) 혐기세균이다. 전체 ORF의 24%가 아키아 유전자와 유사하기 때문에 아키아와 수평 유전자 이동 (lateral gene transfer)이 일어났을 것으로 추측한다. 아키아보다 훨씬 다양한 탄소원을 이용하고 다당류의 분해를 위해  type II secretion system을 통해 세포외로 당분해 효소들을 분비한다.

2) Aquifex aeolicus

최적온도가 95C인 초호열성 미세호기성 (microaerobic) 세균 Aquifex aeolicus는 수소, 산소, 이산화탄소, 무기염등에서 생육하는chemolithoautotroph이다.  따라서 아미노산, 당, yeast extracts 등의 유기물등은 이용하지 못한다. 계통학적인 위치로는 Thermotoga와 비슷하게 가장 아키아와 가깝지만 산소의 존재하에 생육할 수 있다는 점이 큰 차이다.

3) Thermus 속 미생물

Thermus 종은Deinococci class 에 속하고 다시 Deinococci class 는 Deinococcales와 Thermales 두개의 order로 구분되는데 이 중 Thermales는 대부분 고온성 세균이다. 가장 먼저 1969년 토마스 브록에 의해 발견된 Thermus aquaticus는 70 C 에서 최적으로 생육하는 호기성 세균으로 PCR에 사용되는 Taq polymerase로 유명한 미생물이지만 아직까지 그 지놈이 밝혀져있지 않다. 현재까지는 일본과 독일의 연구진이 서로 다른 Thermus thermophilus 종의 지놈을 보고하였다.

4) Bacillus성 극한미생물

그램 양성이며 고온에서 안정한 포자 (endospore)를 가지고 있는 간균류인 바실러스는 매우 다양한 종류가 존재하며 우리 실생활과 밀접한 관련을 가지고 있는 미생물이다. 현재까지 3천종이 넘는 바실러스 속 미생물이 보고되었고 (NCBI taxonomy subtree 3461종) 2001년 Nazina 등(Nazina, Tourova et al. 2001)에 의해 Geobacillus라는 새로운 종으로 이름이 바뀌는 등 다양한 종명으로 분화되고 있으나 과거에는 모두 바실러스로 불리웠다. 일반적으로 가장 잘 알려진 고온성 바실러스인 Bacillus stearothermophilus와 Bacillus thermoleovorans 등은 모두 Geobacillus로 명칭이 바뀌었다. 호산성 (B. acidocaldarius, B. coagulans, B. polymyxa), 호알칼리성 (B. alcalophilus, B. halodurans, B. pasteurii), 호염성(B. pantothenticus, B. pasteurii) , 저온성 (B. globisporus, B. insolitus, B. marinus, B. macquariensis, B. megaterium, B. polymyxa), 고온성 (B. acidocaldarius, B. schlegelii, and B. stearothermophilus) 등 다양한 특성을 보인다. 바실러스류의 대표적인 극한미생물들은 다음과 같다.

i) Alicyclobacillus acidocaldarius
온도범위 45oC 에서 65oC 사이, pH 범위 2 에서 6사이에서 생육하는 고온성이자 호산성미생물.  산성환경에서 분리되었고 일반적인 바실러스 포자와 달리 고온에서 불안정한 포자를 가지고 있다.

ii) Bacillus alcalophilus과 Bacillus halodurans
pH 7에서 잘 자라지 않고 pH 10 이상에서 자라는 대표적 호알칼리성 미생물이다. 세제에 사용되는 단백질분해효소, lipases, cellulases, pullulanases 등이 산업적으로 이용되고 있다. 대표적인 세제용 효소 생산업체인 제넨코에서 현재 지놈 프로젝트가 진행중에 있다.

Bacillus halodurans는 Bacillus subtilis 와 유사하나 호알칼리성이고 역시 중성 pH에서 잘 자라지 못하고 pH 9.5 이상에서 잘 자란다. 1977년 Bacillus halodurans C-125 균이 일본 연구진에 의해 발견되어 가장 많이 연구된 호염성미생물이 되었다. 2000년에 지놈 프로젝트가 완성(Takami and Horikoshi 2000; Takami, Nakasone et al. 2000)되어 활발한 연구가 진행중에 있다.

iii) Geobacillus stearothermophilus

1920년 동크에 의해 가장 먼저 발견된 고온성 미생물로서 최적 온도가 60에서 65 C 내외이며 내산성 성질도 가지고 있다. 현재 오클라호마 대학과 이란의 Tarbiat Modares 대학에서 각각 다른 strain의 지놈 프로젝트를 진행중에 있다. 

5) Fervidobacterium

Thermotoga와 함께 Thermotogales에 속하는 고온성 미생물로서 최적온도는 70 C이고 혐기성 무포자 간균이다. Fervidobacterium pennivorans 은 강력한 serine protease의 일종인 fervidolysin을 분비하며 가금류의 깃털을 분해하는 능력(Friedrich and Antranikian 1996)을 보인다. 현재 DOE Joint Genome Institute에서Fervidobacterium nodosum Rt17-B1의 지놈프로젝트를 진행중에 있다.

6) Thermoanaerobacter

과거에 클로스트리듐 (Clostridium)으로 분류되던 일단의 고온성 혐기미생물들로서 특히 바이오에탄올 생산 및 다양한 산업용 효소 생산에 이용되는 Thermoanaerobacter ethanolicus (Clostridium thermohydrosulfuricum, 최적온도 60 C)와 초고온성에 가까운 최적온도 75 C에서 자라는 혐기성 그램 음성균  Thermoanaerobacter tengcongensis 가 대표적인 미생물이다.

참고) Helicobacter pylori

호주의 병리학자 로빈 워런과 내과의사 배리 마셜에게 2005년 노벨 의학상을 안겨준 미생물 헬리코박터 파일로리 (Helicobacter pylori)는 위궤양을 일으키는 병원성 미생물로서 엄격한 의미에서는 극한미생물이라고 볼 수 없다. 헬리코박터 파일로리는 위점막에 붙어서 생육하는 그램 음성 미세호기성 세균으로서 인간의 위는 위산의 영향으로 pH 2(공복시)에서 pH 6(만복)까지 산성 환경이기 때문에헬리코박터 파일로리도 호산성일 것이라고 생각하기 쉽지만 실제 헬리코박터 파일로리의 최적 pH는 중성 (pH 6-7)에 가깝다 (Sidebotham, Worku et al. 2003).

인간의 위점막은 '벽세포(parietal cell)'와 '주세포 (chief cell)'로 이루어져 있는데 벽세포에서는 위산을 분비하고 주세포에서는 위산을 중화하는 중탄산염을 분비하여 위벽을 보호한다.헬리코박터 파일로리는 위점막 바깥쪽(주세포가 만드는 보호막과 위점막 상피세포의 경계부위)에 생육하기 때문에 산성 조건에 잘 노출되지 않는다.

잘 알려진 바대로 헬리코박터 파일로리가 위 속의 산성조건에서 생육할 수 있는 것은 강력한 urease 생산능력 덕분으로 생체 단백질의 약 6% 정도를 차지한다. 이 urease를 이용하여 위액속의 요소를 분해하면 에너지와 암모니아와 이산화탄소가 생기고 이를 통해 산에 대한 중화작용을 한다.

2장 1절 Archaea (고세균, 시원세균, 원시세균, Archaebacteria)

제 2 장. 극한미생물 (아키아)의 분류 및 특성

미생물의 분류는 시간이 지남에 따라 새로운 미생물이 발견되면서 계속적으로 변하는 학문이다. 또한 분류방법도 생육 특성이나 형태학적인 방법부터 분자생물학적 방법을 이용한 계통분류에 이르기까지 다양한 방법이 있다. 게다가 극한미생물은 계통학적으로 다양한 종에 걸쳐 존재하기 때문에 그 분류가 쉽지 않고 그 생육 특성에 따라 분류하는 것은 생육 조건 이외의 다른 공통적인 특성을 찾기가 상당히 어려운 경우가 많다. 따라서 이 장에서는 현재 가장 많이 사용되는 우즈의 3 도메인 분류법 (Archaea, Bacteria, Eukarya)에 따라 극한미생물과 거의 동의어처럼 사용되는 아키아의 분류학적 특성에 대해 주로 살펴보고 세균 및 진균성 극한미생물들에 대해 간단히 다루도록 하겠다.

1.아키아

1.1. 아키아의 특징

아키아와 박테리아는 공통적으로 진핵세포에서 볼수 있는 핵막이나 기관이 없고 긴 원형의 chromosomal DNA를 갖고 있으며 간혹 작은 플라스미드를 갖고 있는 경우도 있다. 또한 특정 대사와 연관된 아키아와 박테리아 유전자들은 공히 오페론을 이루거나 클러스터를 이루고 있는 경우가 많으며 아키아와 박테리아 모두 type II 제한효소 (인식부위와 절단부위가 모두 특이성이 있는 제한효소) 시스템을 가진다.

하지만 이 둘을 가르는 가장 큰 차이점은 크게 세가지 정도로 요약할 수 있는데 첫째는 유전자 및 단백질의 상동성, 둘째는 세포벽과 멤브레인의 구성, 세째는 DNA 복제 및 단백질 합성에서의 eukarya와의 유사성이다.

1). 아키아 세포벽과 멤브레인의 구성

 

(사진 출처: http://www.ucmp.berkeley.edu/archaea/archaeamm.html)

아키아가 다른 생물종과 다른 가장 큰 차이는 cell membrane의 형태학적 차이이다. 위의 그림에서 보듯이 아키아는 멤브레인을 구성하는 인지질의 구조에 있어서 약 4가지의 차이점을 보이는데 1) 글리세롤의 방향성 (L-form), 2) 에테르 결합, 3) isoprenoid chain, 4) branch가 있다는 점이 다르다.

2) 아키아 단백질의 상동성과 대사 경로

아키아는 일반적으로 DNA 복제, 전사, translation 등 소위 central dogma에 관련된 단백질은 Eukarya의 시스템에 가깝고 기본적인 대사의 경로는 Bacteria에 가깝다. 따라서 리보좀(ribosome)의 경우에도 박테리아 리보좀의 기능을 저해시키는 화학물질들이 아키아의 리보좀에는 잘 작용하지 않는 경우가 있다. 또한 전사RNA (tRNA)의 구조에 있어서도 아키아의 tRNA는 박테리아나 eukarya의 tRNA구조와도 구별된다.

1.2. 아키아의 계통학적 분류

최근까지 아키아는 크게Crenarchaeota, Euryarchaeota, Korarchaeota 이렇게 3개의 문(phylum)으로 분류되어왔으나 (칼 우즈의 첫 논문, 1990  PNAS에서는 kingdom이라고 분류했다) 2002년 대표적인 고온균 연구가 칼 스테터 (Karl O. Stetter) 연구진에 의해 Nanoarchaeota 라는 새로운 종이 발견됨(Nature, 2002)에 따라 현재는 4 종류로 크게 분류한다. 이들 분류는 계통학적 분류이기 때문에 16S rDNA 염기서열 이외의 공통적인 특성을 찾기가 어려운 경우가 많다.

1) Crenarchaeota

Euryarchaetoa보다 좀 더 원시적인 아키아로 여겨지는 Crenarchaeota 종류들은 초기에 hyperthermal vent등이나 온천등에서 분리되어 대부분이 초고온성 아키아라고 여겨져왔다. 현재까지 동정된 미생물 중에서 최고의 온도(113도) 에서 자라는 것으로 알려진 Pyrolobus fumarii와 2004년 UMASS의 데렉 러블리 교수팀에 의해 지구상에서 가장 높은 온도에서 자라는 것으로 보고된 strain 121 (121도)도 모두 Crenarchaeota에 속한다.

그러나 최근에는 해수나 토양등의 저온 환경 샘플에서 추출한 DNA에서 Crenarchaeota에 가까운 염기서열들이 보고됨에 따라 지금까지의 생각과는 달리 좀 더 광범위한 환경에 서식할 가능성이 점쳐지고 있다. 현재까지 저온성 Crenarchaeota의 배양에 성공한 몇몇 보고는 거의 없다. (Simon et al, AEM 2005 71:4751)

참고http://pacelab.colorado.edu/Publications/163/cren.html

Crenarchaeota 세포의 모양은 매우 다양하다. 포도상구균과 비슷한 Staphylothermus, 불규칙한 lobed 타입의 Sulfolobus, 디스크처럼 생긴 Thermodiscus, 필라멘트처럼 가느다란 Thermofilum, 직사각형에 가까운 간균 Pyrobaculum 등등이 있다.

Crenarchaeota에 속하는 아키아들은 호기성균부터 혐기성균까지 다양하게 존재하며 영양요구성도  chemoorganotrophs로부터  chemolithoautotrophs에 이르기까지 매우 다양하다.

가장 대표적인 특징은 위에서 언급한 호열성과 함께 호산성이다. Crenarchaeatoa중 가장 많은 연구가 된 대표적인 균인 Solfolobus solfataricus가 속해있는 Sulfolobales 목 (目, order)은 pH 1에서 2 사이에서 가장 잘 자라며 pH 7 이상에서는 사멸한다. 

 

최근까지는 Crenarchaeota에는 archaeal 히스톤 유전자가 존재하지 않는것으로 알려져 왔으나 최근 해양 crenarchaeota에서 히스톤 유전자가 밝혀져 (J Bacteriol. 2005 Aug;187(15):5482-5) 계통 진화적인 관심을 받고 있다. 

2) Euryarchaeota

Euryarchaeota는 한가지 특징으로 정리하기 어려울 정도의 다양한 아키아들이 속해있다. 현재까지 이들을 분류하는 전통적인 방법은 주로 생육 특성에 따른 분류방법으로 i) 초호열균 ii) 메탄생성균, iii) 호염균, iv) Thermoplasma 로 분류한다.

(참고http://www.earthlife.net/prokaryotes/euryarchaeota.html)

i) 초호열균 (Hyperthermophiles)

대부분의 초호열성 euryarchaeota 들은 hydrothermal vent에서 발견되었고 생육 최적 온도가 80 C 이상이다. 초호열균에 속하는 가장 대표적인 다섯종 (genus)은 Thermococcus, Pyrococcus, Methanopyrus, Archaeoglobus, Ferroglobus인데 이 중 Thermococcus 와 Pyrococcus 는 유전적으로 아주 가까운 절대혐기성 chemoorganotrophs 로서 다양한 탄소원을 이용하는 대사 경로가 있어서 가장 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히 현재까지 Pyrococcus 3종 (P. furiosus, P. horikoshiii, P. abyssi)과 Thermococcus 1종 (T. kodakaraensis)의 지놈이 보고되어 비교유전학 (comparative genomics) 연구에 좋은 재료가 되고 있으며 국내에서도 한국해양연구원의 연구팀에서 Thermococcus sp. NA1의 유전체 해독이 진행중에 있다. Archaeoglobus 는 아키아 중에서 독특하게 sulphate (SO42-)를 황화수소 (H2S)로 환원시키는 미생물이며 Methanopyrus는 심해저 환경의 암석으로부터 수소와 이산화탄소를 이용해 메탄을 생성하는 초호열성 아키아이다.

ii) 메탄생성균 (Methanogens)

현재까지 알려진 아키아의 약 45% 가량이 메탄을 생성하는 메탄 생성균이다. 따라서 산소가 없는 다양한 호수, 늪, 심해저, 동물의 장내 등등의 환경에서 제일 많이 발견되는 아키아가 methanogen이며 메탄 생성의 원료도 이산화탄소, 수소, formate, 일산화탄소, 메탄올, 메틸아민, 다이메틸아민,  트리메틸아민, 메틸머캡탄, 아세테이트 등 다양하다.

극한미생물 중에서 가장 먼저 지놈 시퀀스가 밝혀진 Methanococcus janaschii는 메탄생성균이면서도 초호열성 아키아이지만 Methanococcus maripaludis 는 메탄생성 아키아라는 것 이외에는 다른 어떤 극한 특성도 보이지 않는다. 

iii) 호염성균 (Halophiles)

호염성 아키아는 계통학적 분류상에 Halobacteriacea family에 속하는 일련의 아키아를 뜻하는데 바닷물 10배의 염농도 (9%=1.5M) 이상에서 주로 생육한다. 현재까지 알려진 모든 호염성 아키아는 그램 음성 염색이 되며 포자를 생성하지 않고 bunary fission에 의해 증식한다. 약 2M 에서 5M 사이의 무기염 농도에서 생육하는 호염성 아키아는 세포벽을 이용한 삼투압 조절은 하지 않고 대신 세포 내부 이온 농도에 대한 외부 이온 강도의 밸런스를 유지하거나 세포내의 단백질들과 다른 거대분자들이 높은 이온 강도의  환경에서 기능을 하도록 그들을 변형함으로서 외부 환경에 적응한다.  

호염성 아키아의 대표적인 미생물로는 Haloarcula, Halobacterium, Haloferax, Natronomonas등이 있으며 이들은 상대적으로 다른 아키아에 비해 균을 키우기가 용이하다. Halobacterium sp. NRC1은 중온성이며 호기성균으로서 유전자조작이 용이해 현재까지 가장 많은 연구가 이루어진 haloarchaea이다. Halobacterium sp. NRC1 의 지놈 시퀀스는 2000년에 호염성 아키아 중에는 처음 보고되었고 Haloarcula marismortui의 지놈은 2004년에 보고가 되었으며 Haloferax volcanii DS2 의 지놈은 현재 온라인 상에서 공개가 되어있다.  

iv) Thermoplasma

Euryarchaeota 중 가장 알려지지 않은 Thermoplasma들은 낮은 수소이온농도 (pH)에서 잘 자라고 약산성이나 중성 이상의 pH에서는 죽는 극산성 미생물들이다.  현재까지는 Ferroplasma, Picrophilus, Thermoplasma 세 종 (Genus)이 보고되었고 이중Picrophilus는 최적 pH가 0.7 이고 pH 4 이상에서는 사멸하는 지구상에 알려진 가장 극산성 미생물로 여겨지고 있다. 가장 많은 연구가 이루어진 Thermoplasma acidophilum strain DSM 1728은 고온성며 호산성 아키아로서  생육 최적온도는 55C, 최적 pH는 2이다.

Thermoplasma 아키아들의 가장 큰 특징은 세포막은 있으나 세포벽이 없다는 것이다. 이들의 세포막은 만노스와 글루코스가 붙어있는 tetra-ether lipid (lipoglycan)로 구성되어 있어 lipopolysaccharide와 유사하다. 

(그림출처: BBRC Volume 97, Issue 2, 28 November 1980, Pages 493-499)

3) Korarchaeota

Korarchaeota는 대부분 uncultured 미생물로서 environmental DNA에서 분리한 16S rDNA의 시퀀스를 통해 알려진 미생물들이다. 주로 고온성 환경에서 분리된 DNA에서 보고되어 고온성일 것으로 추축은 하지만 실제로 배양된 경우가 없기 때문에 단지 16S rDNA 상의 변이가 일어난 것일 가능성도 배제하지는 못한다.

4) Nanoarchaeota

대표적인 고온균 연구가 Karl O Stetter 연구진이 해저 열수 분출구에서 발견하여 2002년  <네이처>에 보고한 Nanoarchaeum equitans 는 직경이400nm 정도의 구균이며 초고온성이고 혐이성이며 숙주에 공생하는 아키아이다. 숙주는Crenarchaeota 의 하나인 Ignicoccus 속이며 죽은 Ignicoccus 의 세포 분쇄물 (homogenates)와는 자라지 못한다. 지놈의 크기는 0.49Mbp정도로 알려진 아키아의 지놈 중에서 가장 작다. 2003년 미국의 바이오텍회사인 디버사 (Diversa)에 의해 지놈 시퀀스가 보고되었다. 

1장 4절 극한미생물 연구 단체 및 학회들

4. 극한미생물 연구 단체 및 학회들

4.1. 학술 단체 및 저널

현재 극한미생물학에 관련된 학술 단체는 가장 대표적인 국제극한미생물학회 (ISE, The International Society for Extremophiles)를 들 수 있다. 1996년 포르투갈에서 첫번째 극한미생물 컨퍼런스를 개최한 것을 계기로 1997년 극한미생물을 연구하는 학자들이 모여 저널 "Extremophiles"을 창간하였다.

그리고 그 에디터들을 중심으로 2002년 학회로 재구성한 단체이며 기존의 극한미생물 컨퍼런스를 이어받아 2년에 한번씩 국제 학회를 개최하여 극한미생물 연구의 중심이 되고 있다. 저널 "Extremophiles"의 편집장이었던 호리코시가 1대 회장을 역임하였고 현재는 가로 안트라니키안 (Garo Antranikian)이 2대 회장으로 있다.

국제극한미생물학회의 주 연구대상이 모든 극한미생물을 대상으로 한다면 아키아만을 대상으로 하는 “아키아 고든 컨퍼런스 (GRC, Gordon Research Conferences)”가 있다. 정식 명칭이 “Archaea: Ecology, Metabolism & Molecular Biology”인 이 컨퍼런스는 가장 오래전인 1984년에 Molecular Aspects Of Methanogenesis라는 이름으로 첫 모임을 시작하였고 1999년부터 격년으로 열리고 있다. GRC는 특정 주제에 맞는 소규모 전문 학술모임을 지원하는 단체인데 격년제로 열리는 아키아 미팅은 가장 선진적인 연구만을 발표하는 공간이다. 2002년에는 이들을 중심으로 아키아만을 대상으로 하는 과학 저널 [Archaea]가 창간되었다.

고온균에 관한 연구만을 위한 국제적인 연구모임으로 “Thermophiles” 미팅이 있다. 이 컨퍼런스는 1990년 이탈리아에서 시작되어 극한미생물에 관한 학술모임으로는 가장 오랜 역사를 가지고 있으며 2007년 노르웨이에서 9번째 모임을 가진다. 다른 학회와 달리 고온균의 생태, 대사, 분자생물학, 효소 등에 관한 다양한 연구발표를 하고 있다.

2009년엔 중국 베이징에서 열린다.

4.2. 연구 기관

2004년일본해양연구개발기구 (Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology)로 이름을 바꾼 일본의 JAMSTEC (Japan Marine Science and Technology Center, 일본해양과학기술센터)은 극한미생물뿐만이 아니라 해양에 관련된 다양한 연구를 하는 기관으로 잠수탐사선 및 무인탐사기와 같은 심해저 탐사장비의 개발은 물론 이를 이용하여 심해저속의 극한생물에 관한 연구를 수행하고 있다. 그 산하의 극한환경생물권연구센터가 극한미생물 연구를 주도하는 기관인데 그 센터의 소장이 호리코시 박사이며 2001년부터 새롭게 DeepStar 프로젝트를 통해 심해저에 생육하는 극한미생물의 탐색에 관한 연구를 수행하고 있으며 최근에는 호압균 (piezophiles 또는 barophiles) 연구에 선도적인 역할을 하고 있다. 

국내에서는 몇몇 연구자들이 극한미생물 및 그 효소의 응용성에 대한 연구를 하면서 시작되었으나 본격적인 극한미생물에 관한 관심은 1996년 여름 연세대 생물산업소재연구센터 (BRC, Bioproducts Research Center) 주관으로 <특수환경 미생물의 탐색 및 응용> 심포지움을 개최하면서 시작되었다. 이후 연세대 생물산업소재연구센터의 변유량 교수팀은 국제극한미생물학회의 임원진인 독일의 안트라니키안 교수 및 일본의 오시마 교수등과 협력하여 국내 온천 및 인도네시아 지역등에서 고온균 및 초고온균의 분리, 동정, 그 유전자원 및 효소의 응용에 관한 연구를 수행하고 있다. 이 외에도 한국생명공학연구원의 성문희 박사팀은 퇴비에서 자라는 고온성 공생세균 Symbiobacterium toebii 에 관한 연구를 진행하여 유전체 분석을 마친 상태이고 서울대 박관화 교수팀은 고온성 효소에 관한 연구를 활발히 진행중에 있다.

최근에는 해양수산부에서 주관하는 '마린바이오21사업'의 일환으로 한국해양연구원에 "해양,극한생물 분자유전체 연구단"을 설립하여 해양 생물자원 및 유전체 자원의 통합적인 관리와 활용, 해양생명공학 산업의 활성화를 위한 연구에 매진하고 있으며 초고온성 아키아 Thermococcus sp. NA1 의 유전체분석 연구를 수행중에 있다.

1장 3절 극한미생물 연구의 발전과 Archaea

3. 극한미생물 연구의 발전과 Archaea

3.1. Archaebacteria의 등장

극한 조건에서 생육하는 미생물들이 점점 보고됨에 따라 많은 극한미생물들이  일반적인 세균과는 다른 형태와 성질을 갖고 있다는 것이 보고되기 시작하였다. 특히 호염균 (Halobacterium)을 중심으로 그 세포벽의 형태가 기존에 보고된 세균의 세포벽 (펩티도글리칸)과는 차이가 있다는 사실이 1960년대 후반부터 밝혀졌다.

1970년대 초에 브록이 90°C가 넘는 온도에서 생육하는 초고온균을 발견하고 1972년 그렉 자이커스 (J. Greg Zeikus)가 메탄생성균이면서 고온균인  Methanobacterium thermoautotrophicus (후에 Methanothermobacter thermautotrophicus로 이름이 변경됨)을 동정하면서 극한환경에서 생육하는 미생물들의 일부가 고온성 바실러스나 고온성 방선균과 같은 일반 세균과는 다른 특성들을 보임을 인식하게되었는데 이 시기에 계통분석을 통한 독창적인 생물분류법으로 아키박테리아(archaebacteria)를 제안하여 생물학의 큰 논쟁을 불러일으킴과 아울러 분류학에 큰 획을 그은 인물이  바로 칼 우즈 (Carl Woese)이다.

 3.2. 칼 우즈의 계통 분석 (Phylogenetic analysis) 

 1977년 우즈가 아키박테리아를 독립적인 계로 분류하는 것을 제안하기 이전까지 생물의 분류에 있어 가장 많이 사용되는 분류법은 계(界, Kingdom), 문(門, Phylum,  Division) 강(綱, Class), 목(目, Order), 과(科, Family), 속(屬, Genus), 종(種, Species)의 7단계 분류법이다. 당시 전통적인 생물분류법은 위태커 (Whittaker)의 5계법 (five kingdoms)이었다. 위태커의 5계는   원핵생물계 (Kingdom Monera), 원생생물계 (Kingdom Protista), 진균생물계 (Kingdom Fungi), 식물계 (Kingdom Plantae), 동물계(Kingdom Animalia)의 다섯가지 계로 생물을 분류하는 방법이었다.

또하나의 방법은 생물을 원핵생물 (prokaryotes) 과 진핵생물 (eukaryotes)로 분류하는 방법으로 핵의 유무 (핵막의 유무)에 따라 나누는 방법이었다. 하지만 학부에서 수학과 물리학으로 석사를 마친 우즈는 기존의 형태학적인 생물의 분류법으로는 진화에 따른 계통 분석이 불가능함에 착안하여 유전물질인 RNA를 이용한 계통분류를 시도한 것이다.

1977년 우즈와 폭스 (George E. Fox)는 효모를 비롯한 진핵생물 3종의 18S rRNA, 대장균을 비롯한 일반 세균 5종의 16S rRNA, 메탄생성균 4종의 16S RNA의 염기서열을 분석한 결과 메탄생성균들이 계통적으로 다른 종류의 세균과는 다르다는 결론을 내리고 이 종류의 미생물들을 아키박테리아 (원시세균 또는 고세균)로, 기존의 세균들은 유박테리아 (진정세균)으로  분류할 것을 제안하였다.

이후 아키박테리아는 다시 세 종류로 분류되는데 호염성균 (halophiles). 메탄생성균 (methanogens), 그리고 호열성균 (thermophiles)으로 분류하는 것이 일반적인 분류법이다. 여기에 대한 것은 2장에서 다시 다루도록 하겠다.

3.3. 세 도메인, Archaea, Bacteria, Eukarya

우즈의 제안 이후에도 아키박테리아는 세균(Bacteria)의 하위개념으로 사용되어왔으며 현재까지도 미생물학자들 사이에서는 아키박테리아라는 용어가 여전히 사용되기도 한다.

하지만 유전공학과 분자생물학이 1980년대 이후 급속도로 발전함에 따라 거의 모든 생물종의 16S rRNA (PCR을 이용하면서부터는 16S rDNA)의 염기서열이 밝혀졌고 그 계통 분석을 통하여 1990년 우즈 와 두 동료들은 생물분류에 있어서 도메인의 개념을 주창하고 3개의 도메인, Archaea, Bacteria, Eukarya를 제안한다.

이 논문의 제안으로 비로소 아키박테리아는 아키아 (Archaea)라는, 박테리아와는 다른 독립적인 도메인으로 소개되는데 하버드대학의 동물학자인 언스트 마이어 (Ernst Mayr)등은 우즈가 생물학이나 분류학에 대해 제대로 공부하지 않았다며 그의 도메인 분류에 대해 강하게 반발하기도 한다 (1998. PNAS). 하지만 미생물학자들 사이에서는 이 세가지 도메인의 분류법이 널리 사용되고 있으며 아키박테리아라는 용어는 대부분 아키아로 대체되어 가고 있다. 

3.4. 다양한 극한미생물의 발견 및 극한미생물의 활용

한편 1980년대는 분자생물학의 발전과 더불어 다양한 극한미생물의 발견이 이루어졌다. 1983년에는 초고온성 미생물 연구의 선구자 칼 스테터 (Karl O Stetter)가100 °C 이상의 온도에서 자라는 아키아 Pyrodictium를 보고하였고 1986년에는 이후 아키아 중에서 가장 많은 연구가 된 Pyrococcus furiosus을 분리 동정하였다. 같은 해 스테터는 우즈 (Carl R. Woese)등과 함께 최초의 초고온성 세균인 Thermotoga를 분리 동정하기도 했으며 1992년에는 또다른 초고온성 세균 Aquifex pyrophilus를 분리 동정하여 아키아만이 초고온성을 갖는 것이 아니라는 것을 밝혀내었다. 스테터는 2002년에는 아키아의 새로운 문(門, Phylum)인 나노아키아 (Nanoarchaeum equitans)를 과학저널 네이처에 보고하기도 하는등 수많은 초고온균 및 아키아들의 발견에 큰 공헌을 하였다.

이와같은 극한미생물의 발견과 아울러 그 미생물들이 생산하는 효소나 유전자원들을 산업적으로 이용하려는 연구들도 많이 이루어졌다 (자세한 내용은 7장 참조). 이미 전통적으로 전분의 액화를 위해서 사용된 고온성 바실러스 Bacillus licheniformis의 아밀라제가 산업적으로 사용되었고  1985년에는 캐리 멀리스가 고온성 세균인 Thermus aquaticus의 DNA중합효소를 이용하여 PCR (Polymerase Chain Reaction)을 개발하였다 (1993년 노벨 화학상 수상). 또한 고온성미생물의 균체를 고정화하여 일본에서는 1980년대 말에 아크릴아마이드를 고수율로 생산하는데 성공하였으며 다양한 산업적 응용이 이미 실현되었거나 연구중에 있다.  

3.5. Genome/post-genome 시대의 극한미생물학

6장에서 자세히 살펴보겠지만 아키아의 지놈프로젝트는 1993년 미국 에너지성 (DOE)의 지원에 의해 Methanococcus janaschii, Methanobacterium thermoautotrophicum, Pyrococcus furious  3종이 시작되어 이중 Methanococcus janaschii의 유전체가 극한미생물가운데는 최초로 1996년 보고되었다. 그 이듬해 Methanobacterium thermoautotrophicum의 전체 DNA 염기서열이 보고된 것을 시작으로 Archaeoglobus fulgidus의 지놈이 미국 유전체연구소 (TIGR, The Institute for Genome Research)에 의해서, Pyrococcus horikoshii의 지놈이 일본 동경대 연구팀에 의해 보고되었다. 초고온성 아키아 중에서 가장 연구가 많이 이루어지고 있는Pyrococcus furious와 Sulfolobus solfataricus는 각각 1999년과 2001년 전체 지놈 시퀀스가 보고 되었다.

아키아가 아닌 세균성 극한미생물중에 최초로 전체 지놈이 보고된 미생물은 위 점막에 기생하여 위장질환을 일으키는 것으로 알려진 호산균(Acidophile) Helicobacter pylori (1997년)이다. (하지만 엄격한 의미에서 헬리코박터는 호산성은 아니다.) 그 이후 초고온성이며 호기성 박테리아인 Aquifex aeolicus의 지놈 시퀀스가 1998년, 가장 많이 연구되고 있는 초고온성 혐기박테리아인 Thermotoga maritima의 지놈 시퀀스는 1999년 보고되었다.

나노테크놀로지를 이용해서 하루에 미생물의 전체지놈을 분석하겠다는 야심찬 계획이 진행되고 있는 현재에는 post-genome 연구가 한창인데 가장 대표적인 것이 DNA chip을 이용한 마이크로어레이, 2차원 전기영동을 이용한 프로테오믹스, 그리고 전체 단백질의 구조를 밝히는 구조유전체학(structural genomics)이다. 여기에 대해서는 6장에서 자세히 알아보도록 하겠다.

1장 2절 극한미생물 연구의 시작

2. 극한미생물 연구의 시작

 

2.1. 고온균 연구의 시초: 고온성 간균 및 방선균

 

최초로 동정된 극한미생물은 고온성 간균인 Geobacillus stearothermophilus로 알려져 있다. 1879년 프랑스 세느강에서 분리된 이 간균은 1920년 동크 (Donk)에 의해Bacillus stearothermophilus로 명명되었으며 2001년 종(Genus) 이름이 Bacillus 에서 Geobacillus로 바뀌었다. 고초균이라고 불리우는 Bacillus는 토양 및 공기중에 가장 많이 존재하는 미생물의 하나로서 다양한 생육특성을 보이는데 이후 다양한 고온성, 호알칼리성, 호산성  Bacillus가 존재하는 것이 밝혀졌다.

 

또한Bacillus와 같은 토양미생물인 방선균에서도 고온성 미생물들이 밝혀졌는데 크로스 (Cross) 등은 내성포자를 생산하는 고온성 방선균들에 관한 연구를 1968년 과학 저널 <네이처> (Nature)에 보고하기도 하였다.

 

이외에도 호염성 또는 호알칼리성 미생물 및 조류 (Algae)에 관한 연구도 진행되어왔으나 이후 현재까지 가장 많은 연구가 이루어진 분야는 역시 고온성 미생물에 관한 연구였다. 그리고 고온균 연구의 새로운 장을 연 사람이 바로 토마스 브록이다.

 

2.2. 토마스 브록 (Thomas D. Brock)의 Thermus aquaticus 발견

 

많은 미생물학도의 필독서 중 하나인 <미생물의 생물학> (Biology of Microorganisms)의 저자인 브록은 인디애나 대학 재직시절인 1967년 봄 과학저널 <네이처> (nature)에 “고온에서 적응하는 미생물들” (Microorganisms adapted to high temperatures)이라는 논문을, 같은 해 겨울에는 과학저널 <사이언스> (Science)에 “고온에서의 생명” (Life at high temperature)라는 제목의 논문을 발표한다. 하지만 가장 중요한 발견은 역시 1969년 Thermus aquaticus라는 고온성 세균을 미국 옐로우스톤 국립공원에서 분리 동정하여 Journal of Bacteriology에 발표한 것이다. 생육 최적 온도가 70 °C 정도인 고온성 세균인 Thermus aquaticus는 가장 보편적인 분자생물학적 실험방법 중 하나인 PCR (Polymerase Chain Reaction)의 개발의 공로로 1993년 노벨 화학상을 캐리 멀리스 (Kary B. Mullis)에게 안겨준 미생물이기도 하다.  그 후에도 브록은 1971년 90°C가 넘는 온도에서 생육하는 초고온균 Sulfolobusacidocaldarius를 발견하는 등 고온균 연구의 선구적인 업적을 남겼다.

 

 

2.3. 호알칼리균 연구의 시작

 

염기조건에서 자라는 호알칼리균의 경우 1959년 쿠쉬너 (Kushner) 등에 의해 Bacillus cereus가 pH 10에서도 자라는 것이 보고되는 등 그 존재 가능성이 보고되어 왔으나 고온균 및 초고온균의 연구가 본격적으로 시작된 1970년대 초부터 일본 연구자들을 중심으로 호알칼리균 및 그 효소에 대한 연구결과가 보고되기 시작하였다. 이러한 호알칼리균 및 그 효소들의 연구를 주도한 인물이 호리코시 코기(堀越弘毅)이다. 

 

호리코시는 호알칼리성 바실러스에서 생산되는 단백질분해효소에 대한 논문을 시작으로 호알칼리균의 효소, 생리, 생태, 분류, 분자생물학 등등 다양한 방면의 연구를 지속해왔으며 호알칼리성 바실러스인 Bacillus halodurans의  지놈 프로젝트를 최근 완수하기도 했다. 호리코시는 그 연구성과의 공로를 인정받아 후에 국제극한미생물학회 (The International Society for Extremophiles, ISE)의 초대회장을 역임했다.

 

2.4. 호염성균 연구의 역사

 

호염성균에 관한 연구의 시작은 고온균과 비슷한 역사를 갖고 있다. 최초의 호염균에 대한 논문은 1919년 르페브르(Lefevre)와 라운드 (Round)가 Journal of Bacteriology에 발표한 “호염성 세균에 대한 예비보고서” (A preliminary report upon some halophilic bacteria)이라는 논문이다. 이후 호염균에 대한 연구는 고온균못지 않게 계속되어 왔다. 특히 초호염성균에 대한 연구는 초호열균이 발견되기 전부터 많이 연구되었고 특히 쿠쉬너 (Donn J. Kushner)등에 의한Halobacterium cutirubrum에 관한 연구는 초기 archaebacteria (후에 Archaea로 바뀜)의 연구에 많은 공헌을 했다.