미생물학

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1. 개요
2. 역사
3. 미생물 배양
- 3.1. 순수 배양
- 3.2. 난배양성 미생물
4. 미생물의 역할
5. 미생물 분류
6. 현미경 관찰
7. 미생물 유전학
참조

1. 개요

미생물학은 미생물의 구조, 기능, 유전학 및 생태학을 연구하는 학문이다. 17세기 안토니 반 레벤후크의 현미경 관찰을 통해 미생물 개념이 탄생한 이후, 루이 파스퇴르와 로베르트 코흐 등의 연구를 통해 세균학이 발전했다. 미생물학은 미생물 배양, 역할, 분류, 현미경 관찰, 유전학 등 다양한 분야를 다루며, 산업 발효, 항생 물질 생산, 생물 정화 등 다양한 분야에 기여한다. 또한, 미생물은 물질 순환, 질병, 유전학 연구에도 중요한 역할을 한다.

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미생물학
미생물학
세균 계통수
학문 분야	생물학의 한 분과
연구 대상	미생물
관련 학문	세균학 진균학 바이러스학 기생충학 면역학 분자생물학 생화학 유전학 생태학
주요 연구 분야
기초 연구	미생물의 생리 및 생태 미생물의 유전 및 진화 미생물 간의 상호작용
응용 연구	의학미생물학 식품미생물학 산업미생물학 환경미생물학 농업미생물학
역사
주요 인물	안톤 판 레이우엔훅 루이 파스퇴르 로베르트 코흐 알렉산더 플레밍
관련 기술
주요 기술	배양 현미경 유전자 분석 단백질 분석

2. 역사

미생물의 존재는 실제로 발견되기 여러 세기 전에 가설로 제기되었다. 보이지 않는 미생물 생명체의 존재는 기원전 6세기(기원전 599년 - 기원전 527년) 초에 마하비라의 가르침에 기초한 자이나교에 의해 제기되었다.^[7] 폴 던다스는 마하비라가 땅, 물, 공기, 불에 사는 보이지 않는 미생물 생물의 존재를 주장했다고 언급한다.^[1] 자이나교 경전은 우주의 모든 부분, 심지어 식물의 조직과 동물의 살에도 퍼져 있다고 하는, 매우 짧은 수명을 가진 거대한 덩어리로 사는, 현미경보다 작은 생물체인 니고다를 묘사한다.^[8] 고대 로마의 마르쿠스 테렌티우스 바로는 늪지 근처에 농가를 짓는 것을 경계하면서 미생물을 언급했는데, "눈으로 볼 수 없고, 공기 중에 떠다니며 입과 코를 통해 몸에 들어가 심각한 질병을 일으키는 특정 작은 생물이 번식하기 때문이다."라고 하였다.^[9]

페르시아인 과학자들은 아비센나의 저서 ''의학 정전'', 옴진드기를 발견한 이븐 주르 (아벤조아르라고도 알려짐), 알 라지가 그의 저서 ''미덕의 삶''(알 하위)에서 천연두에 대한 가장 초기의 설명을 제공한 것과 같이 미생물의 존재를 가설로 세웠다.^[10] 10세기 도교 경전 은 채소 씨앗과 닮은 "무수한 미생물 벌레"를 묘사하고 있는데, 이는 네덜란드 중국학자 크리스토퍼 시퍼가 "유해한 세균의 존재가 당시 중국인들에게 알려져 있었다"고 주장하게 만들었다.^[11]

1546년, 지롤라모 프라카스토로는 전염병이 직접 또는 간접적인 접촉이나 매개체를 통해 감염을 전파할 수 있는 전달 가능한 씨앗과 같은 실체에 의해 발생한다고 제안했다.^[12]

세균학(이후 미생물학의 하위 분야) 분야는 19세기에 페르디난트 콘에 의해 설립되었으며, 그는 조류와 광합성 세균에 대한 연구를 통해 ''바실루스''와 ''베기아토아''를 포함한 여러 세균을 기술했다. 콘은 또한 세균의 분류 체계를 처음으로 공식화하고 내생포자를 발견한 인물이기도 하다.^[17] 루이 파스퇴르와 로베르트 코흐는 콘의 동시대 인물이며, 각각 현대 미생물학^[16]과 의학 미생물학의 아버지로 여겨진다.^[18] 파스퇴르는 당시 널리 퍼져 있던 자연 발생설을 반증하기 위한 일련의 실험으로 가장 유명하며, 이를 통해 미생물학은 생물학적 과학으로서의 정체성을 굳건히 했다.^[19] 그의 제자 중 한 명인 아드리앙 세르테는 해양 미생물학의 창시자로 여겨진다.^[20] 파스퇴르는 또한 식품 보존(파스퇴르 살균법)과 탄저병, 가금 콜레라, 광견병과 같은 여러 질병에 대한 백신을 설계했다.^[2] 코흐는 특정 질병이 특정 병원성 미생물에 의해 발생한다는 것을 증명함으로써 세균설에 기여한 것으로 가장 잘 알려져 있다. 그는 코흐의 가설로 알려진 일련의 기준을 개발했다. 코흐는 순수 배양에서 세균의 분리에 주력한 최초의 과학자 중 한 명이었으며, 결핵의 원인 물질인 ''결핵균''을 포함한 여러 새로운 세균을 기술했다.^[2]

파스퇴르와 코흐는 종종 미생물학의 창시자로 여겨지지만, 그들의 연구는 직접적인 의학적 관련성이 있는 미생물에만 집중했기 때문에 미생물 세계의 진정한 다양성을 정확하게 반영하지 못했다. 19세기 후반 마르티뉘스 베이에린크와 세르게이 비노그라드스키의 연구에 이르러서야 미생물학의 진정한 폭이 드러났다.^[2] 베이에린크는 미생물학에 두 가지 주요 기여를 했다. 바로 바이러스의 발견과 농축 배양 기술의 개발이다.^[21] 그의 담배 모자이크 바이러스 연구는 바이러스학의 기본 원리를 확립했지만, 미생물학에 가장 즉각적인 영향을 미친 것은 다양한 생리를 가진 광범위한 미생물을 배양할 수 있게 해준 농축 배양의 개발이었다. 비노그라드스키는 화학합성 독립영양의 개념을 처음으로 개발하고, 이를 통해 지구화학적 과정에서 미생물이 수행하는 필수적인 역할을 밝혀냈다.^[22] 그는 질산화 세균과 질소 고정 세균을 최초로 분리하고 기술했다.^[2] 프랑스계 캐나다인 미생물학자 펠릭스 데렐은 1917년 박테리오파지를 공동 발견했고, 초기 응용 미생물학자 중 한 명이었다.^[23]

조지프 리스터는 환자의 열린 상처에 페놀 소독제를 사용한 최초의 인물이다.^[24]

2. 1. 미생물 개념의 탄생 (17-18세기)

안토니 반 레벤후크는 자신이 설계한 단일 렌즈 현미경을 사용하여 세균 및 기타 미생물을 관찰했다.^[14]^[2] 그는 자신이 설계한 간단한 단일 렌즈 현미경을 사용했기 때문에 미생물학의 아버지로 여겨진다.^[14] 반 레벤후크는 종종 미생물을 처음 관찰한 인물로 인용되지만, 로버트 훅은 1665년에 곰팡이의 자실체를 처음으로 현미경으로 관찰했다.^[15] 그러나 아타나시우스 키르허라는 예수회 사제가 미생물을 처음 관찰했다는 주장도 있다.^[16]

키르허는 투사를 위해 매직 랜턴을 설계한 최초의 인물 중 하나였으며, 렌즈의 특성에 대해 잘 알고 있었다.^[16] 그는 1646년에 "현미경으로 조사한 자연의 놀라운 구조에 관하여"를 저술하여 "식초와 우유에 무수한 벌레가 있다는 것을 누가 믿겠는가."라고 말했다. 그는 또한 부패 물질이 무수한 기어 다니는 작은 동물들로 가득 차 있다고 언급했다. 그는 1658년에 그의 ''페스티스 조사''(역병 검사)를 출판하여 이 질병이 미생물에 의해 발생한다고 정확하게 언급했지만, 그가 본 것은 역병 원인 자체보다는 적혈구 또는 백혈구일 가능성이 높다.^[16]

연도	내용
17-18세기	안토니 판 레이우엔훅의 현미경 관찰을 통해 미생물의 개념이 생겨났다.
1837년	카냐르 드 라투르, 슈반, 퀴츠인에 의해 알코올 발효를 하는 생물인 효모가 미생물이며, 이 반응은 효모의 생리 기능에 기초한 것이라고 발표했다.

2. 2. 미생물학의 발전 (19세기)

안토니 반 레벤후크의 현미경 관찰로 미생물 개념이 생겨난 후, 19세기에는 미생물학이 본격적으로 발전하기 시작했다.

1837년, 카냐도 - 라투르, 슈반, 퀴칭은 알코올 발효를 일으키는 효모가 미생물이며, 이 반응이 효모의 생리 기능에 기반한다고 발표했다.^[2] 1840년경에는 수술로 인한 패혈증을 막기 위해 소독제 도입이 진행되었다.^[2]

1857년, 루이 파스퇴르는 "모든 발효 과정은 미생물 활동에 기초한다"는 것을 발표하고, 이후 20년간 다양한 발효 반응을 연구했다.^[2] 1860년에는 백조 목 플라스크를 이용한 실험으로 자연 발생설을 부정했으며, 틴들 또한 멸균 개념을 통해 자연 발생설을 부정하는 실험을 했다.^[2]

1870년, 드 바리와 브레펠트는 순수 배양을 "단 한 종류의 미생물을 포함하는 배양"이라고 정의했다.^[2] 1876년에는 로베르트 코흐가 탄저병의 원인균인 탄저균(Bacillus anthracis)을 분리하고 병원성을 증명했다.^[2]

1892년, 이바노프스키는 세포 여과기를 통과하는 바이러스의 존재를 제안했다.^[2]

^[13]

루이 파스퇴르를 비롯한 생물학자들이 개발한 혁신적인 실험실 유리 제품과 실험 방법은 19세기 후반 세균학이라는 새로운 분야에 기여했다.

이러한 발견과 연구를 통해 19세기 미생물학은 크게 발전했으며, 이후 생화학, 유전학 등과 융합하며 더욱 발전하게 된다.

2. 3. 20세기 이후의 발전

20세기 이후 미생물학은 생화학에 대한 이해를 깊게 하였다. 또한 돌연변이 등을 이용한 유전학 실험이 미생물을 통해 진행되었으며, 1945년 이후에는 유전학과 생화학이 미생물학과 융합되기 시작했다.^[2]

3. 미생물 배양

미생물학에서는 연구를 위해 미생물을 배양하는 것이 중요하다. 미생물 배양은 특정 미생물만을 분리하여 순수하게 배양하는 기술을 포함한다. 순수 배양은 미생물학 실험의 가장 기본적인 방법 중 하나로, 기구 멸균, 배지 조성 등 세포를 다루는 학문의 기초 기술이 필요하다.

배지의 종류, 온도, 배양 시간 등 여러 조건에 따라 분리할 수 있는 미생물의 종류가 달라진다. 토양에서 미생물을 분리할 때는 흙을 멸균수에 현탁시킨 후, 상징액을 희석하여 한천 배지에 도포하고, 적절한 온도에서 배양하여 균의 생장을 관찰한다. 한천 배지에서 잘 자라지 않는 미생물은 한외 희석법을 사용하기도 한다.

하지만, 순수 배양이 어렵거나 불가능한 난배양성 미생물도 많다.

3. 1. 순수 배양

미생물학의 가장 기본적인 실험 내지 방법으로는 미생물의 순수 배양 기술(분리)이 있다. 환경에서는 다양한 종류의 미생물들이 종간 상호 작용을 하고 있으며, 이러한 상호 작용을 제외하고 개별 유형의 성격을 탐구하기 위해서는 미생물을 순수하게 배양하는 기술이 가장 기본적인 부분이 된다. 순수 배양에는 기구의 '''멸균'''과 배지의 조성 등 미생물뿐만 아니라 세포를 다루는 학문의 기초가 되는 기술이 수반된다.

배지의 조성, 온도, 배양 시간 등에 따라 분리할 수 있는 균이 다르다.

; 토양에서의 분리

: 전형적인 기법(희석 평판법)에서는 환경에서 얻은 흙을 멸균수에 현탁하여 정치한 후 상징액을 적당히 희석하여 한천 배지에 도포한다. 적정 온도에서 배양하여 균의 생육을 기다린다. 성장한 콜로니를 다시 백금이 등을 이용해 한천 배지에 도포하여 단일 콜로니(단일 균체 유래 콜로니)를 얻는다.

; 한외 희석법

: 한천 배지에서 생육시킬 수 없는 경우에 행해진다. 균을 현탁한 배지를 여러 배 희석하여 배양함으로써 단일 균체 유래의 배양액을 얻는다. 엄밀하게는 균이 얽혀 있거나, 쓰레기에 여러 균이 붙어 있는 경우도 있으므로 유의한다.

3. 2. 난배양성 미생물

순수 배양에 근거한 연구는 미생물학의 주된 연구 방법이었지만, 미지의 인자를 요구하는 등 순수 배양이 불가능하거나 매우 어려운 미생물도 많으며, 이들은 난배양성 미생물이라고 불린다. 토양 등 자연계에 존재하는 미생물의 대부분은 이러한 난배양성 미생물인 것으로 알려져 있으며, PCR이나 DNA 마이크로어레이, 메타게놈 분석 등의 기술을 이용한 순수 배양에 의존하지 않는 연구 방법도 모색되고 있다.

4. 미생물의 역할

미생물은 산업 발효(알코올, 식초, 유제품 생산 등), 항생 물질 생산과 같은 유익한 과정에 기여하며, 유전자 변형을 통해 식물 및 동물과 같은 복잡한 유기체에 DNA를 전달하는 분자 전달체 역할을 한다. 과학자들은 미생물에 대한 지식을 활용하여 Taq 중합 효소,^[27] 리포터 유전자, 효모 투 하이브리드 시스템과 같은 새로운 분자 생물학 기술, 생명 공학적으로 중요한 효소를 생산한다.^[28]

세균은 아미노산, 유기산, 비타민, 단백질, 항생 물질 등 상업적으로 사용되는 대사 산물의 산업적 생산에 사용될 수 있다. ''Corynebacterium glutamicum''은 연간 이상의 L-글루탐산과 L-라이신을 생산하는 중요한 세균 종 중 하나이다.^[29] ''Streptomyces''와 같이 일부 세균은 아미노글리코사이드 항생제와 같은 항생 물질을 합성하는 능력이 있어 의학적 목적으로 사용된다.^[30]

미생물은 다당류, 폴리에스터, 폴리아미드와 같은 다양한 생체 고분자를 생산한다. 조직 공학 및 약물 전달과 같은 고부가가치 의료 응용 분야에 적합한 맞춤형 특성을 가진 생체 고분자의 생명 공학적 생산에도 사용된다. 예를 들어 잔탄 검, 알긴산염, 섬유소, 시아노피신, 폴리(감마-글루탐산), 레반, 히알루론산, 유기산, 올리고당 다당류, 폴리히드록시알칸산염의 생합성에 사용된다.^[31]

미생물은 토양, 퇴적물 및 해양 환경에서 가정, 농업 및 산업 폐기물과 지하 오염의 미생물 생분해 또는 생물 정화에 유익하다. 각 미생물이 유해 폐기물을 분해하는 능력은 오염 물질의 특성에 달려 있다. 일반적으로 현장에는 여러 유형의 오염 물질이 있으므로, 미생물 생분해에 가장 효과적인 방법은 한 종류 이상의 오염 물질 생분해에 특정한 세균 및 곰팡이 종과 균주의 혼합물을 사용하는 것이다.^[32]

공생 미생물 군집은 소화 보조, 유익한 비타민 및 아미노산 생성, 병원성 미생물 억제 등 인간과 동물의 건강에 이점을 제공한다. 발효 식품, 프로바이오틱스 (소화 시스템에 잠재적으로 유익한 세균), 프리바이오틱스 (프로바이오틱 미생물의 성장을 촉진하는 물질) 섭취로 이점을 얻을 수 있다.^[33]^[34] 마이크로바이옴이 인간과 동물의 건강에 영향을 미치는 방식과 그에 영향을 미치는 방법은 활발한 연구 분야이다.^[35]

연구에 따르면 미생물이 암 치료에 유용할 수 있다고 한다. 비병원성 클로스트리디움의 다양한 균주는 고형 종양 내에서 침투하여 복제할 수 있다. 클로스트리디움 벡터는 안전하게 투여할 수 있으며, 치료 단백질을 전달할 가능성이 전임상 모델에서 입증되었다.^[36]

일부 세균은 기본적인 메커니즘 연구에 사용된다. 운동성^[37] 또는 다당류 생산 및 발달 연구에 사용되는 모델 세균의 예는 ''Myxococcus xanthus''이다.^[38]

4. 1. 대사

세포 기초 대사 내용은 진핵 세포를 이용한 것보다 개별 세포 클론을 얻을 수 있는 미생물로부터 많은 지식을 얻을 수 있었다. 이화작용, 동화작용은 물론 단백질, 지질, 핵산의 생합성 등은 미생물에서 얻을 수 있었던 것으로 해도 과언이 아니다.

4. 2. 증식

미생물의 증식에 관한 실험을 통해 세포의 영양 요구성, 유전자 발현 조절 등을 이해할 수 있다. 또한 영양 요구성뿐만 아니라 온도, pH, 산소 등의 환경 요인의 요구 조건에 대한 지식도 얻을 수 있다.^[27]

4. 3. 물질 순환

탄소, 질소를 비롯한 많은 물질이 생태계 속을 순환하고 있지만, 그 안에는 미생물에 독특한 반응도 존재하고 물질 순환에 미생물이 수행하는 역할은 상상 이상으로 크다. 이 학문은 특히 미생물 생태학으로 알려져 있다. 또한, 미생물 간의 종간 상호 작용도 연구가 진행되고 있다.

4. 4. 병원성

탄저균을 비롯한 많은 미생물은 인간에게 병원성을 가지며, 질병 측면에서도 많은 미생물이 연구되어 왔다. 인공적인 면역법, 위생학적 방법과 같은 현재 의학에서도 필수적인 많은 기술이 미생물학에서 생겨났다. 또한, 바이러스에 대해서도 병원성(담배 모자이크병)에서 발전한 개념 및 학문 중 하나이다. 일본에서는 병원성 미생물을 다루는 학문으로 세균학이라는 고유한 분야를 두고 있다.

5. 미생물 분류

미생물은 형태가 작아 단순하고, 다세포 생물처럼 표현형으로 분류하기 어렵다. 그러나 미생물학적 지식을 이용하면 분류가 불가능한 것은 아니다. 표현형 평가가 어렵기 때문에 16S rRNA 계통 분석과 같은 유전자를 이용한 분류 방법이 고안되었다.

조류나 원생동물은 형태가 중요시되었지만, 전자 현미경 수준의 구조가 밝혀지면서 외형보다는 편모 장치 등의 미세 구조가 중요하게 되었다. 균류는 생리 작용에 의한 판별과 형태가 모두 중요시되며, 원핵생물은 외형적 형태로는 분류가 거의 불가능하여 생리 작용(예: 다양한 물질 분해 능력)이 중요하게 여겨졌지만, 이 역시 점차 분자 유전학적 형질에 중점을 두게 되었다.

6. 현미경 관찰

안토니 판 레이우엔훅이 발명한 현미경은 미생물 개념을 소개했으며, 현미경을 이용한 세포 관찰은 현재에도 필수적이다.^[2] 현재는 전자 현미경을 비롯한 많은 고성능 현미경이 개발되었으며, 그 결과 미생물 표면에 존재하는 편모 운동이나 단백질의 거동 등이 밝혀지고 있다.

7. 미생물 유전학

미생물 배양에서 원래 주식의 완전한 복제가 일반적으로 얻어지지만, 일정 확률로 성상이 약간 다른 변종이 얻어진다. 돌연변이의 개념을 소개한 것은 미생물학의 업적 중 하나이며, 돌연변이 유도를 비롯해 상동 재조합, 형질전환, 접합, F 인자 전달, 형질 도입과 현재 분자생물학에 매우 중요한 많은 방법을 제공하여 왔다.

참조

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