그람 음성균

3. 분류

그람 염색은 세포 모양과 함께 세균을 신속하게 진단하고 분류하는 데 사용되는 중요한 방법이다.^[4] 전통적으로 세균은 그람 염색 결과에 따라 크게 그람 양성균과 그람 음성균 두 그룹으로 나뉜다. 이는 세균의 세포벽 구조 차이에 기반한 분류법이다. 하나의 막만을 가진 그람 양성균은 단막 세균으로, 두 개의 막(내막과 외막)을 가진 그람 음성균은 '''이중막 세균'''으로 불리기도 한다.^{[7][8][9][10]}

역사적으로 균계는 그람 염색 결과를 기준으로 다음과 같이 네 개의 분류군으로 분류되기도 했다.^[4]

그러나 그람 염색 결과가 항상 세균의 계통 발생학적 관계를 정확하게 반영하는 것은 아니다. 즉, 특정 세균의 그람 염색 결과, 세포막 구조, 계통 분류가 항상 일치하지 않을 수 있어, 그람 염색만으로는 세균 간의 유연관계를 파악하는 데 한계가 있다.^{[7][8][9][10]} 그럼에도 불구하고, 그람 염색은 외부 지질막의 존재 유무를 구별하여 세포막 구성에 대한 중요한 정보를 제공한다.^[7][11]

분자 계통 발생학 연구가 발전하면서 그람 음성균의 분류에 대한 이해도 깊어졌다. 1987년 이후 분자 계통 발생학 연구를 통해 그람 음성 세균의 단일 계통군 여부가 논의되어 왔다.^[5] HSP60 (GroEL) 단백질에서 발견되는 몇 가지 보존된 시그니처 삽입(CSI)은 전형적인 지질다당류(LPS)를 가진 그람 음성균 그룹(예: Pseudomonadota, Aquificota, Chlamydiota, Bacteroidota, Chlorobiota, Cyanobacteria, Fibrobacterota, Verrucomicrobiota, Planctomycetota, Spirochaetota, Acidobacteriota)이 단일계통 분지군을 형성한다는 강력한 증거를 제공한다. 이는 이 그룹 내에서 외부 막의 손실이 일어나지 않았음을 시사한다.^[12] 일부 학자(카발리에르-스미스 등)는 그람 음성균 전체를 하나의 단일 계통군 분류군으로 간주하여 "네기박테리아"(Negibacteria) 아계로 분류하기도 한다. 다만, 이 정의는 단일 공통 조상을 요구하지만, 해당 조상의 모든 후손을 포함해야 하는 전계통군의 개념과는 차이가 있을 수 있다.^[6]

한편, 문 Bacillota (주로 단막 세균 포함)에 속하거나 그 근처에 위치하는 Negativicutes, Fusobacteriota, Synergistota, Elusimicrobiota와 같은 일부 세균 분류군도 이중막 구조를 가지는 것으로 밝혀졌다. 이들은 전형적인 그람 음성균에서 발견되는 GroEL 시그니처를 가지고 있지 않다.^[10][12][13]

진화적으로는 하나의 막을 가진 단막 원핵생물(주로 그람 양성균)이 조상 형태이며, 이중막 구조(그람 음성균)는 이후에 진화한 것으로 여겨진다. 그람 음성균이 일반적으로 그람 양성균보다 항생제에 대한 내성이 강하다는 점 등을 근거로, 그람 음성균의 외부 세포막이 항생제와 같은 외부 선택 압력에 대한 보호 메커니즘으로 진화했다는 가설이 제기되었다.^{[7][8][11][12]} ''Deinococcus''와 같이 두꺼운 펩티도글리칸 층 때문에 그람 양성으로 염색되지만 외부 세포막도 가지고 있는 세균은 단막 세균과 이중막 세균 사이의 전환적 중간 단계로 제시되기도 한다.^[7][12]

이중막 세균은 외부 막의 구성에 따라 더 세분화될 수 있다. 지질다당류(LPS)가 없는 단순 이중막 세균, 외부 막에 LPS를 포함하는 전형적인 이중막 세균, 그리고 외부 막이 미콜산으로 구성된 이중막 세균(예: ''Mycobacterium'') 등으로 나눌 수 있다.^{[9][10][12][13]}

4. 분류학

세균은 전통적으로 그람 염색 유지력에 따라 그람 양성균과 그람 음성균 두 그룹으로 나누어진다. 그러나 이 염색 결과가 항상 세균의 막 구성이나 계통 분류와 일치하는 것은 아니며, 세균의 유연관계를 파악하는 데 신뢰성 있는 기준으로 사용되기는 어렵다. 그럼에도 불구하고, 그람 염색은 세포막의 구조적 특징, 특히 외부 지질막의 존재 유무를 구별하는 데 유용한 정보를 제공한다.^[7][11]

역사적으로 균계는 그람 염색을 기준으로 네 개의 분류군으로 나뉘기도 했다: 바실리균문(그람 양성, +), 그라실리쿠테스(그람 음성, −), 몰리쿠테스(그람 염색 반응 없음, 0), 메탄 생성균(그람 염색 반응 다양함, var.).^[4]

1987년 이후, 분자 계통 발생학 연구를 통해 그람 음성 세균이 단일 계통군이라는 주장이 제기되었다.^[5] 카발리에르-스미스와 같은 일부 학자들은 여전히 그람 음성균을 "네기박테리아"(Negibacteria)라는 아계 수준의 단일 계통군 분류군으로 취급하기도 한다. 이는 단일 공통 조상을 가지지만, 반드시 모든 후손을 포함하는 전계통군은 아닐 수 있다는 관점이다.^[6]

하나의 막을 가진 그람 양성균(단막 세균)과 달리 두 개의 막을 가진 그람 음성균(이중막 세균)의 외부 세포막은 항생제 선택 압력에 대한 보호 메커니즘으로 진화했을 수 있다는 가설이 제기되었다. 이는 그람 음성균이 일반적으로 그람 양성균보다 항생제 내성이 강하다는 관찰에 근거한다.^{[7][8][11][12]} ''Deinococcus''와 같이 두꺼운 펩티도글리칸 층 때문에 그람 양성으로 염색되지만 외부 세포막도 가진 일부 세균은 단막 세균과 이중막 세균 사이의 진화적 중간 단계로 제안되기도 한다.^[7][12]

고세균도 그람 염색을 하면 대부분 음성 반응을 보이지만, 세포벽 구조는 세균과 크게 달라 외부 막이나 펩티도글리칸층이 없는 등 차이가 있다.

프로테오박테리아는 그람 음성균의 주요 그룹으로, 대장균, 살모넬라, 장내세균과, 슈도모나스, 모락셀라, 헬리코박터, 스테노트로포모나스, 부델로비브리오, 초산균, 레지오넬라, 볼바키아 등이 포함된다. 다른 주요 그람 음성균 그룹으로는 시아노박테리아, 스피로헤타, 녹색황세균, 박테로이데스 등이 있다. 그람 음성균은 세균 계통의 대부분을 차지한다.

의학적으로 중요한 그람 음성 구균으로는 성병을 일으키는 임균, 수막염을 일으키는 수막염균, 호흡기 증상을 유발하는 카타랄리스균 등이 있다. 그람 음성 간균 중에서는 호흡기 질환 관련 균으로 인플루엔자균, 폐렴간균, 레지오넬라 뉴모필라, 녹농균 등이 있고, 비뇨기계 감염 관련 균으로는 대장균, ''프로테우스 미라빌리스'', ''엔테로박터 클로아케'', 세라티아균 등이 있으며, 소화기계 질환 관련 균으로는 헬리코박터 파일로리, ''살모넬라 엔테리티디스'', 장티푸스균 등이 있다. 또한, ''아시네토박터 바우마니''는 병원 내 균혈증, 이차성 수막염, 인공호흡기 관련 폐렴 등과 관련이 있다.

4. 1. 그람 음성균의 세부 분류

5. 대표적인 종

프로테오박테리아는 그람 음성 세균의 주요 그룹으로, 여기에는 대장균(''E. coli''), 살모넬라(Salmonella), 이질균, 기타 장내세균과, 슈도모나스, 모락셀라, 헬리코박터, 스테노트로포모나스, 부델로비브리오(Bdellovibrio), 아세트산 세균, 레지오넬라 등이 포함된다. 이 외에도 시아노박테리아, 스피로헤타, 녹색황세균, 녹색 무황 세균, 박테로이데스 등이 그람 음성균의 주요 그룹에 속한다.

의학적으로 중요한 그람 음성 구균(쌍구균)에는 다음과 같은 종류가 있다.

• ''Neisseria gonorrhoeae'': 성병인 임질을 유발한다.
• ''Neisseria meningitidis'': 수막염을 유발한다.
• ''Moraxella catarrhalis'': 중이염, 기관지염, 부비동염 등 호흡기 증상을 유발한다.
• ''Haemophilus influenzae'': 코코바실루스 형태이지만, 폐렴, 수막염, 후두개염 등을 일으키는 중요한 의학 관련 세균이다.

또한, 병원 감염과 관련하여 ''Acinetobacter baumannii''는 병원 중환자실 등에서 균혈증, 이차적인 수막염, 인공호흡기 관련 폐렴 등을 유발하는 중요한 그람 음성균이다.

6. 병원성

6. 1. 의학적으로 중요한 그람 음성균

7. 의학 치료

그람 음성균의 독특한 특징 중 하나는 세균 외막 구조이다. 이 외막은 항생제, 염료, 세제 등 외부 물질로부터 세균 내부의 막이나 펩티도글리칸으로 이루어진 세포벽을 보호하는 역할을 한다.^[1] 이러한 외막 구조 때문에 그람 음성균은 라이소자임이나 페니실린과 같은 특정 항생제에 대해 자연적인 저항성을 가진다. 또한, 외막과 내막 사이의 주변 세포질 공간에는 베타-락타마제와 같이 항생제를 분해하거나 변형시키는 효소들이 존재하여 항생제 내성에 기여한다.^[22]

이러한 내성을 극복하고 그람 음성균 감염을 치료하기 위해 다양한 약물과 방법이 개발되었다. 예를 들어, EDTA와 함께 라이소자임을 사용하거나, 암피실린과 같은 특정 항생제가 일부 병원성 그람 음성균의 외막에 대항하기 위해 사용된다. 그람 음성균 감염 치료에 일반적으로 사용되는 약물 계열에는 아미노페니실린(암피실린, 아목시실린), 카복시페니실린(티카실린), 우레이도페니실린(피페라실린) 등이 있다. 이들 페니실린 계열 약물은 베타-락타마제 억제제와 함께 사용되어 주변 세포질 공간의 베타-락타마제 효소에 의한 분해를 막고 항균 효과를 높이는 경우가 많다.^[22]

이 외에도 그람 음성균에 효과적인 다른 항생제 계열로는 세팔로스포린, 모노박탐(예: 아즈트레오남), 아미노글리코사이드, 퀴놀론, 마크로라이드, 클로람페니콜, 엽산 길항제, 카바페넴 등이 있다.^[22] 스트렙토마이신과 날리딕스산 역시 치료에 사용될 수 있다. 다만, 클로람페니콜은 드물지만 심각한 부작용인 약물 유발성 범혈구감소증과의 연관성 때문에 유럽 연합(EU) 등 일부 지역에서는 사용이 제한적이다.

8. 세균 형질전환

형질전환은 외부 유전 물질이 한 세균에서 다른 세균으로 전달되는 수평적 유전자 이동의 세 가지 주요 과정 중 하나이다. 다른 두 과정은 두 세균 세포가 직접 접촉하여 플라스미드와 같은 유전 물질을 전달하는 세균 접합과, 세균 파지 바이러스가 숙주 세균에 외부 DNA를 주입하는 형질도입이다.^[19][20] 형질전환 과정에서는 핵산 형태의 유전 물질이 세균 외부 환경을 통해 이동하며, 이 물질을 받아들이는 것은 전적으로 수용 세균의 능력에 달려있다.^[19]

2014년 기준으로 약 80종의 세균이 형질전환 능력을 가진 것으로 알려져 있으며, 이들은 그람 양성 세균과 그람 음성 세균 사이에 거의 비슷한 비율로 분포한다. 다만, 일부 보고가 단일 연구에 의존하는 경우가 있어 실제 수치는 이보다 적을 수도 있다.^[19]

특히 의학적으로 중요한 여러 그람 음성 세균 종에서 형질전환 현상이 연구되었다. 대표적인 예로는 ''헬리코박터 파일로리'', ''레지오넬라 뉴모필라'', ''뇌수막염균'', ''임균'', ''인플루엔자균'', ''콜레라균'' 등이 있다.^[21] 또한, 토양 환경에서 발견되는 그람 음성 세균인 ''슈도모나스 슈트제리''나 ''아시네토박터 바일리아이''와 같은 종, 그리고 식물에 질병을 일으키는 그람 음성 병원체인 ''랄스토니아 솔라나세아룸''과 ''자일렐라 패스티디오사'' 등에서도 형질전환이 연구되었다.^[21]

참조

_[1] 서적 Medical Microbiology University of Texas Medical Branch at Galveston 2021-08-18
_[2] 논문 The Bacterial Cell Envelope 2010-05-01
_[3] 서적 Medical Microbiology University of Texas Medical Branch at Galveston 2021-05-12
_[4] 논문 Proposals Concerning the Higher Taxa of Bacteria
_[5] 논문 Bacterial evolution 1987-06
_[6] 논문 Rooting the tree of life by transition analyses
_[7] 논문 Protein phylogenies and signature sequences: A reappraisal of evolutionary relationships among archaebacteria, eubacteria, and eukaryotes 1998-12
_[8] 논문 The natural evolutionary relationships among prokaryotes http://www.life.illi[...] 2017-10-24
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_[11] 논문 What are archaebacteria: life's third domain or monoderm prokaryotes related to gram-positive bacteria? A new proposal for the classification of prokaryotic organisms 1998-08
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_[21] 논문 Cues and regulatory pathways involved in natural competence and transformation in pathogenic and environmental Gram-negative bacteria
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