대장균(Escherichia coli)

-. 대장균은 그람-음성 세균이다.

분자생물학의 많은 기본 원리는 세균과 그것을 감염시키는 바이러스의 유전학 연구에서 유래되었다. 세균의 구조, 생리, 생장에 대한 기본적인 지식은 이들의 유전학 연구에 반드시 필요하기 때문에, 세균에 대해 간단히 소개하도록 하겠다. 다른 모든 세포와 마찬가지로, 세균은 주변 환경과 세포질을 분리하는 세포막으로 둘러싸여 있다. 여러 겹의 펩티도글리칸(peptidoglycan, 다당류와 펩티드의 결합물)으로 이루어진 단단한 세포벽은 세포막을 둘러싸고 있다. 세포벽은 삼투압과 기계적 손상으로부터 세포를 보호하고, 일반적으로 구형, 막대형, 또는 나선형인 세균의 특징적인 모양을 갖도록 한다.

세균은 세포벽의 두께에 따라 2개의 주요 그룹으로 나눌 수 있는데, 덴마크의 세균학자인 Christian gram(크리스찬 그람)에 의해 1884년 개발된 염색 방법으로 구별할 수 있다. 간단히 설명하면, 세균 현탄액을 현미경 슬라이드 위에 도말하여 공기 중에서 건조한다. 그다음 슬라이드를 크리스털 바이올렛 용액으로 잠시 처리한 후, 물로 세척하고 다시 요오드 용액으로 처리한다. 그람-양성 세균과 그람-음성 세균 모두 세포질에 형성된 크리스털 바이올렛-요오드 복합체에 의해 보라색을 띤다. 아세톤-알코올 용액으로 슬라이드를 세척하면, 그람-음성 세균은 탈색되지만 그람-양성 세균은 탈색되지 않는다(그람-양성 세균의 두꺼운 세포벽은 염료가 빠져나가는 것을 방해하지만, 그람-음성 세균의 얇은 세포벽은 그렇지 못하기 때문에 이러한 차이가 나타난다). 마지막으로, 세포들을 두 번째 염료인 사프라닌으로 처리하면, 그람-양성 세균의 보라색은 변하지 않고 탈색된 그람-음성 세균은 분홍색으로 염색된다. 그러므로, 그람-양성 세균(보라색)과 그람-음성 세균(분홍색)의 독특한 염색 성질은 그들의 세포벽 차이에 의해 결정된다.

두 그룹의 세균을 구별하는 또 다른 중요한 구조적인 특징이 있다. 그람-음성 세균은 외막이라는 또 하나의 막이 세포벽을 둘러싸고 있지만, 그람-양성 세균에는 이것이 없다. 수용성의 작은 분자들은 포린이라 불리는 단백질 통로를 통해 외막을 통과할 수 있다. 그러나 분비되는 단백질들은 너무 커서 포린을 통과할 수 없으므로, 대부분은 세포막과 외막 사이의 공간이 주변세포질 공간에 머무른다. 어떤 주변 세포질 단백질들은 영양분과 결합하여 영양분이 세포막을 통과하는 것을 돕고, 또 다른 것들은 소화 효소로 작용하기도 한다. 외막은 세제, 소수성 항생제에 대한 방벽으로 작용하여 그것들로부터 세포를 보호한다. 외막이 없는 그람-양성 세균은 그람-음성 세균에 비해 보통 세제나 소수성 항생제에 훨씬 더 민감하다.

-. 세균은 액체 또는 고체배지에서 배양할 수 있다.

세균은 다세포 생물의 세포에 비해 배양하기 쉽고 빠르게 생장하며 상대적으로 단순한 조성의 영양분이 필요하다. 분자생물학에서 아마 가장 중요한 모델 시스템으로 사용되어 온 세균은 그람-음성 세균인 대장균이다. 대장균은 37도의 실험실 조건이면 약 30분에서 60분마다 분열한다. 따라서 1개의 세균은 기하급수적으로 증식하여 하루가 채 되지 않아 10의 9성 개의 세균이 된다.

세균은 액체 성장 배지에서 또는 고체배지의 표면에서 생장할 수 있다. 액체배지에서 생장하는 개체군을 세균 배양액이라 부른다. 만약 액체배지가 생물학적 물질로부터 뽑은 복합 추출물이라면, 이것을 브로스라고 한다. 예를 들면, 트립톤 브로스에는 우유 단백질인 카제인을 소화효소인 트립신으로 가수분해하여 만든 아미노산과 작은 펩티드의 혼합물이 들어 있다. 만약 성장 배지가 화학적 조성을 모두 알고 있는 간단한 혼합물이라면 최소배지라 부르는데, 이 배지에는 당과 같은 탄소 공급원 이외의 유기물을 포함하지 않는다. 전형적인 최소배지에는 포도당이나 글리세롤 같은 탄소 공급원 이외에 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 칼슘, 암모늄, 염소, 인산, 황산, 그리고 몇 가지 미량의 금속 이온 등이 들어 있다. 단일 탄소 공급원으로 다른 것을 함유한 최소배지보다 포도당을 함유한 최소배지에 세균은 더 빠르게 자란다. 만약 세균이 최소배지에서 잘 자랄 수 있다면, 그 세균은 원영양체라고 부른다. 만일 탄소 공급원 이외에 아미노산인 류신이나 비타민인 비오틴 같은 영양분이 생장에 필요하다면, 이러한 세균을 영양요구주라 부른다.

세균은 종종 고체 표면에서 생장한다. 해초로부터 추출한 겔화 물질인 한천은 대부분의 미생물이 분비하는 효소에 분해되지 않으므로, 액체배지를 굳히는 데 일반적으로 사용된다. 만약 브로스 배지를 겔 상태로 굳힌다면, 이 고체배지를 영양 한천배지라 한다. 또한, 최소배지를 겔 상태로 굳힌 고체배지는 최소 한천배지라 한다. 전형적으로 유리 또는 플라스틱 재질로 만들어진, 뚜껑이 있고 바닥이 편평하며 높이가 낮은 접시에 고체배지를 넣어 두는데, 이 접시를 페트리접시라 한다. 실험실 전문용어로, 고체배지가 들어 있는 페트리접시를 플레이트라 부르고, 이러한 한천배지 표면에 세균을 올려놓는 것을 평판한다고 한다.

대장균을 액체 배지에 넣으면, 그것들은 생장하고 분열하기 시작한다. 삼각플라스크에 넣어 진탕기에서 37도로 배양한 대장균의 전형적인 생장곡선은 지체기, 대수기, 정체기로 나타낸다. 지체기라 불리는 초기의 느린 생장 기간을 거친 후, 빠르게 기하급수적으로 생장하는 시기가 시작된다. 이 시기에는 배가시간이라고 불리는 일정 시간 간격마다 세균들이 분열한다. 세균 농도는 반복적으로 2배가 되므로 세균의 수는 대수적으로 증가한다. 이러한 세균 배양의 생장시기를 대수기라 부르고, 이 시기는 대장균의 세균 농도가 10의 9성 cells/mL이 될 때까지 계속된다. 이 세균 농도에 다다르면, 산소 공급과 pH가 세균의 생장 속도를 제한한다. 대장균의 생장은 대게 2~3 x 10의 9성 cells/mL에서 멈추고, 세균은 정체기에 들어선다. 공기의 공급 속도를 높이거나 적당한 pH를 유지하도록 하면, 상당히 더 높은 세균 농도를 얻을 수 있다. 모든 미생물의 생장뿐만 아니라, 동물세포의 생장을 논의할 때도 이러한 용어들을 종종 사용한다.