간균속

1. 개요

간균속(Bacillus)은 막대 모양의 세균을 포함하는 속으로, 1835년 크리스티안 고트프리트 에렌베르크에 의해 명명되었다. 이 속은 포자 형성, 그람 양성, 호기성 또는 통성 혐기성 세균으로 특징지어지며, 266종이 존재한다. 간균속은 세포벽 구조, 분리 및 동정 방법, 그리고 바실러스 종의 특징을 가지며, 계통 발생 연구를 통해 분류학적 위치가 연구되어 왔다. 일부 종은 생태학적, 임상적 중요성을 가지며, 산업적으로 효소 생산, 해충 방제, 유전자 변형 작물 등에 활용된다. 또한, 고초균(B. subtilis)은 분자 및 세포 생물학 연구의 모델 생물로 사용된다.

2. 구조

포자를 형성하는 통성 호기성(일부 통성 혐기성) 그람 양성 간균이다. 카탈레이스에 양성을 보인다. 일부 세균 종은 질소 고정 능력을 갖는다. 이 속에는 그람 양성 간균의 모델 생물로서 중요한 고초균(B. subtilis)을 비롯해, 병원균인 탄저균(B. anthracis)과 세레우스균(B. cereus) , BT제의 살충 성분 생산균인 튀링겐세균(B. thuringiensis) 등의 종도 포함된다.

바실러스 속 세균의 세포벽은 막대 모양을 유지하고 세포의 팽압에 의해 생기는 압력을 견디는 기능을 한다.

2.1. 세포벽

바실러스 속 세균의 세포벽은 세포 바깥에 위치하며, 세균과 환경 사이의 두 번째 장벽 역할을 한다. 세포벽은 막대 모양을 유지하고 세포의 팽압에 의해 생기는 압력을 견디는 기능을 한다. 세포벽은 테이코산과 테이쿠론산으로 구성되어 있다. 고초균(B. subtilis)은 세포 형태를 결정하고 펩티도글리칸 합성에 액틴과 유사한 세포골격의 역할을 확인하였으며, 펩티도글리칸 합성 효소 전체를 국소화한 최초의 세균이다. 세포골격은 형태를 생성하고 유지하는 데 중요한 역할을 한다.

3. 명칭의 유래

크리스티안 고트프리트 에렌베르크는 1835년에 막대 모양(간균)의 세균을 포함하는 속으로 간균속을 명명했다. 에렌베르크는 7년 전에 세균속(Bacterium)을 명명했었다. 이후 페르디난트 콘은 포자 형성, 그람 양성, 호기성 또는 통성 혐기성 세균으로 간균속의 특징을 더 구체화했다.

4. 분리 및 동정

확립된 간균속 종 분리 및 동정 방법은 주로 다음 단계를 따른다. 먼저 증류수에 시료 토양을 현탁시킨다. 그 다음, 생장 세포를 사멸시키기 위해 열 충격을 가하여 시료에 주로 생존 가능한 포자를 남긴다. 이후 한천 배지에서 배양하고 배양된 집락의 정체를 확인하기 위한 추가 검사를 수행한다. 또한, 열 충격 또는 열풍 건조 후 상당한 희석 과정을 거친 환경 시료 배양에서 간균속 박테리아의 전형적인 특성을 나타내는 집락을 선택하여 잠재적인 간균속 박테리아를 검사할 수 있다.

배양된 집락은 대개 크고, 퍼져 있으며 불규칙한 모양을 갖는다. 현미경으로 보면, 간균속 세포는 막대 모양으로 보이며, 세포의 상당 부분이 타원형의 내생포자를 한쪽 끝에 가지고 있어 부풀어 오른다.

5. 바실러스 종의 특징 (S.I. 폴 외, 2021)

S.I. 폴 외 (2021년)는 방글라데시 벵골 만의 세인트 마틴 섬 지역의 해면에서 여러 균주인 고초균(Bacillus subtilis) (균주 WS1A, YBS29, KSP163A, OA122, ISP161A, OI6, WS11, KSP151E, 및 S8,)을 분리하고 확인했다. 그들의 연구에 따르면, Bacillus spp.의 콜로니, 형태학적, 생리학적 및 생화학적 특성은 아래 표와 같다.

6. 계통 발생

오래전부터(2020년 이전) Bacillus의 정의가 지나치게 모호하다는 것이 알려져 왔다. 16S rRNA 및 ITS rRNA 영역, 유전자 연쇄 연구, 계통유전체학, 비교 유전체학 등 다양한 방법을 통해 바실러스 속의 계통 발생 및 분류학적 위치에 대한 연구가 진행되어 왔다.

* Xu와 Côté (2003)는 16S 및 ITS rRNA 영역을 사용하여 Bacillus 속을 Paenibacillus, Brevibacillus, Geobacillus, Marinibacillus 및 Virgibacillus를 포함한 10개의 그룹으로 나눴다.
* Ash와 Carol (2008) 역시 16S rRNA를 사용하여 광범위한 "계통발생학적 이질성"을 발견했다.
* 2008년부터 운영되어 온 The All-Species Living Tree' Project는 모든 검증된 종의 16S (및 사용 가능한 경우 23S) 계통수를 유지한다. 이 계통수에서 Bacillus 속은 매우 많은 수의 중첩 분류군을 포함하며 16S와 23S 모두에서 주요하게 나타난다. Bacillus coahuilensis 등 때문에 Lactobacillales (Lactobacillus, Streptococcus, Staphylococcus, Listeria 등)에 계통발생학적 이형성을 보인다.
* Alcaraz et al. 2010은 유전자 연쇄 연구를 제시했는데, 이는 All-Species Living Tree와 유사한 결과를 보였지만 그룹 측면에서 종의 수가 훨씬 적었다. (이 방식은 Listeria를 아웃그룹으로 사용했기 때문에, ARB 계통수를 고려할 때 "거꾸로"일 수 있다).
* Gupta et al. 2020과 Patel et al. 2020은 계통유전체학 및 비교 유전체학을 사용하여 Bacillus sensu lato의 구조를 해결했다. 그들은 다수의 새로운 속명을 제안하고 (유효하게 발표)하여 Bacillus가 Bacillus subtilis 및 Bacillus cereus와 밀접하게 관련된 종만 포함하도록 제한했다. (그러나 이것은 속을 단계통군으로 만들지는 않는다. 두 그룹 사이에 많은 중첩 속이 지속된다.)
* Nikolaidis et al. 2022는 NCBI 분류에서 Bacillus로 정의된 다양한 종 간의 관계를 구분하기 위해 114개의 핵심 단백질을 기반으로 한 유전자 연쇄를 사용하여 1104개의 Bacillus 단백질체를 연구했다. 다양한 균주는 평균 뉴클레오티드 동일성(ANI) 값을 기반으로 종으로 클러스터링되었으며, 종 절단점은 95%였다.

2020년 이후, Bacillus sensu lato (넓은 의미의 바실러스 속)의 구조를 해결하기 위한 연구 결과, 다수의 새로운 속명이 제안 및 유효하게 발표되었다. 새로 생성된 속은 다음과 같다: Peribacillus, Cytobacillus, Mesobacillus, Neobacillus, Metabacillus, Alkalihalobacillus, Alteribacter, Ectobacillus, Evansella, Ferdinandcohnia, Gottfriedia, Heyndrickxia, Lederbergia, Litchfieldia, Margalitia, Niallia, Priestia, Robertmurraya, Rossellomorea, Schinkia, Siminovitchia, Sutcliffiella 및 Weizmannia.

2011년 분류 표준에 따르면, 탄저균( Bacillus anthracis), 바킬루스 세레우스(Bacillus cereus), Bacillus mycoides, Bacillus pseudomycoides, 바킬루스 투링기엔시스(Bacillus thuringiensis), Bacillus weihenstephanensis로 구성된 하나의 클레이드는 단일 종이어야 하지만 (97% 16S 동일성 내에서), 의학적 이유로 별도의 종으로 간주된다. (이는 또한 네 종의 Shigella와 Escherichia coli에도 나타나는 문제이다).

7. 생태학적, 임상적 중요성

바실러스 속 세균은 토양 등 자연계에 널리 분포하며, 높은 pH(B. 알칼로필루스), 고온(B. 써모필루스), 고농도 염분(B. 할로두란스)과 같은 극한 환경에서도 서식할 수 있다. 또한, 식물 내생균으로 매우 흔하게 발견되며, 식물의 면역 체계, 영양 흡수, 질소 고정 능력에 중요한 역할을 할 수 있다.

의학적으로 중요한 두 가지 바실러스 종은 탄저병을 유발하는 탄저균(B. anthracis)과 식중독을 유발하는 세레우스균(B. cereus)이다. 세레우스균은 구토와 메스꺼움을 유발하는 구토 독소와 설사를 유발하는 독소, 두 가지 다른 증상을 유발하는 독소를 생성한다.

B. 튜링기엔시스는 곤충을 죽일 수 있는 독소를 생성하여 살충제로 사용되어 왔으며, 해충 방제에 사용되기도 한다. B. 시암엔시스는 Rhizoctonia solani 및 Botrytis cinerea와 같은 식물 병원균을 억제하는 항균 화합물을 가지고 있으며, 휘발성 물질 배출을 통해 식물 성장을 촉진한다.

고초균(B. subtilis)은 중요한 모델 생물체이며, 항생물질을 생성하고 분비할 수 있다. 하지만 빵 및 관련 식품에서 끈적거림을 유발하여 식품 부패를 일으키는 것으로도 알려져 있다. 일부 환경 및 상업용 B. 코아귤란스 균주는 산도가 높은 토마토 기반 제품의 식품 부패에 관여할 수 있다.

일부 바실루스 종은 자연적으로 DNA를 형질전환을 통해 흡수할 수 있는 능력을 갖는다.

8. 산업적 중요성

많은 바실루스(Bacillus) 종은 다량의 효소를 분비할 수 있다. 바실루스 아밀로리퀘파시엔스(Bacillus amyloliquefaciens)는 자연 항생 단백질 바나제(barnase)(리보뉴클레아제), 전분 가수 분해에 사용되는 알파 아밀라아제, 세제와 함께 사용되는 단백질 분해 효소 서브틸리신(subtilisin), DNA 연구에 사용되는 BamH1 제한 효소의 원천이다.

바실루스 튜린기엔시스(Bacillus thuringiensis) 게놈의 일부는 옥수수 및 면화 작물에 삽입되어, 식물이 일부 해충에 저항성을 가지게 되었다.

고초균(Bacillus subtilis) (낫토)는 콩을 기반으로 한 전통적인 낫토 발효에 필수적인 미생물이며, 바킬루스 세레우스(Bacillus cereus)와 같은 일부 바실루스 종은 식품의약국(FDA)의 GRAS(일반적으로 안전하다고 간주됨) 목록에 있다.

선택된 바실루스 균주는 대량(20–25 g/L)의 세포외 효소를 생산하고 분비하는 능력을 가지고 있어, 주요 산업용 효소 생산자 중 하나로 꼽힌다. 다양한 종이 산성, 중성 및 알칼리성 pH 범위에서 발효할 수 있고, 속내에 열성 미생물이 존재한다는 점을 이용하여, 다양한 특정 응용 분야에 적합한 온도, pH 활성 및 안정성 특성을 가진 다양한 새로운 상업용 효소 제품이 개발되었다. 이러한 제품들은 고전적인 돌연변이 및 (또는) 선택 기술과 함께 고급 클로닝 및 단백질 공학 전략을 활용하여 개발되었다.

바실루스 숙주에서 고수율의 외래 재조합 단백질을 생산하고 분비하려는 노력은 초기에는 숙주 단백질 분해 효소에 의한 제품 분해로 인해 어려움을 겪었다. 최근 연구에 따르면 그람 양성 세균의 막-세포벽 경계면에서 이종 단백질의 느린 폴딩은 세포벽 관련 단백질 분해 효소의 공격에 취약하게 만든다. 또한, 고초균(B. subtilis)에 존재하는 티올-이황화물 산화환원효소는 이황화물 결합을 포함하는 단백질의 분비에 도움이 될 수 있다. 그람 양성 세균의 복잡한 단백질 전달 메커니즘에 대한 이해를 바탕으로, 현재의 분비 문제를 해결하고 바실루스 종을 이종 단백질 생산을 위한 탁월한 숙주로 만들 수 있을 것으로 기대된다.

바실루스 균주는 뉴클레오티드, 비타민 리보플라빈, 향료 리보스 및 보충제 폴리감마글루탐산의 산업적 생산에도 활용된다. 고초균(B. subtilis) 168 및 일부 관련 균주의 게놈이 최근에 특성화되면서, 바실루스 종은 게놈 및 단백체 시대를 거치면서 많은 새롭고 향상된 제품 생산에 선호되는 숙주가 될 준비가 되었다.

9. 모델 생물로서의 이용

고초균( Bacillus subtilis)은 분자 및 세포 생물학 연구에 가장 많이 활용되는 원핵생물 모델 중 하나이다. 뛰어난 유전적 개량성과 상대적으로 큰 크기 덕분에 세균의 모든 측면을 조사하는 데 필요한 강력한 도구를 제공한다. 형광 현미경 기술의 발전으로 단일 세포 유기체의 동적 구조에 대한 새로운 통찰력을 얻게 되었다. B. subtilis에 대한 연구는 세균 분자 생물학과 세포학의 최전선에 있으며, 이 유기체는 세균의 분화, 유전자/단백질 조절 및 세포 주기 사건의 모델이 된다.

10. 유전적 특징 (일본어 문서)

2007년을 기준으로, 탄저균(Bacillus anthracis), 세레우스균(Bacillus cereus), 고초균(Bacillus subtilis) 등 25개 종의 게놈시퀀싱 프로젝트가 진행 중이거나 완료되었다.

고초균(B. subtilis)의 게놈 시퀀싱은 1997년에 완료되었으며, 살아있는 단일 진정세균의 염기서열로는 처음 공개되었다. 게놈 크기는 4.2 메가염기쌍이며, 4100개의 단백질 코딩 영역을 포함한다. 일부 코딩 펩타이드는 항진균 활성을 가져 생물학적 방제에 사용된다.

탄저균(B. anthracis)의 게놈 크기는 5,227,293 염기쌍이며, 5,508개의 단백질 코딩 영역(예측 포함)을 포함한다. 세레우스균 및 튀링겐세균(B. thuringiensis)과 염기서열 유사성이 높으며, B. cereus에 없는 단백질은 141개뿐이다. 탄저병 관련 병원성 인자는 대부분 두 개의 플라스미드에 코딩되어 B. cereus와 상동성을 보인다. 이는 탄저병 원인 유전자가 B. anthracis 특이적이지 않고, B. cereus 그룹 (B. anthracis, B. cereus, B. thuringiensis)에 공통적임을 시사한다. 탄저균은 고초균과 유사하게 탄수화물 대사 활성을 가지며, 키틴과 키토산의 세포외 절단 효소 코딩 유전자는 곤충 병원균인 B. thuringiensis와 상동성이 매우 높다.

진행 및 완료된 게놈 시퀀싱 프로젝트는 다음과 같다.

11. 이용 (일본어 문서)

고초균은 항균 활성을 가진 리포펩타이드(이투린 A, 플리파스타틴)와 강력한 계면 활성을 나타내는 물질(서팩틴)을 분비하여, 소취 용도로 활용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 또한, 유전자 재조합에는 주로 대장균과 효모가 이용되지만, 대장균은 생산량이 많은 반면 생산물을 균 안에 저장하는 경향이 있고, 효모는 생산량이 적다는 단점이 있다. 고초균은 이러한 단점들을 극복할 수 있어 유전자 재조합에도 이용된다.

12. 역사 (일본어 문서)

페르디난트 콘은 1872년에 바실루스속을 정의하였다.

13. 일부 종

다음은 간균속(Bacillus)에 속하는 일부 종들이다. 매우 다양한 종을 포함하고 있으며, 수중이나 토양에 널리 분포한다. 일부 종은 높은 pH, 저온, 높은 염 농도, 고압 등 극한 환경에도 적응한다.