2장 미생물의 발견과 미생물의 제어
2장에서 배우게 될 내용
1) 미생물의 발견과 미생물학 연구의 태동 미생물의 발견과 현미경의 역할. 미생물의 발생을 과학적으로 설명. 파스퇴르, 코흐의 각종 병원체 확인. 미생물을 제어할 수 있는 개념의 확립 . 2) 미생물학의 발전 과거, 현재, 미래 레웬훅 이후 300년간의 중요 발견 미생물의 연구로 이루어진 연구성과 얼마나 편리하게 이용할 것인가? 이로 인한 문제점은 없는 가?1) 미생물의 발견과 미생물학 연구의 태동
미생물을 발견하게 된 과정과 미생물이 어떻게 하여 생기는가를 이해 미생물학의 시작을 가능케 한 1) 레웬훅, 2)파스퇴르, 3) 코흐의 소개. 미생물학 이라는 학문은 현미경이 발명되기 까지 없었던 학문. 현미경이 발명되므로서 미생물이 저절로 생기지 않음을 증명. 레웬훅(Leeuwenhoek), 네델랜드인 레웬훅은 자신의 현미경(1684)으로 최초의 미생물 관찰한 과학자. 현미경이 발명되기 전까지의 두 가지 의문점이 현미경이 발명되므로서 명쾌히 설명되었음. 1) 생물은(미샐물)은 자연적으로 생기는 것인가? 생명체의 자 연발생설(Spontaneous Generation of living organisms)이 현 미경이 발명됨 으로서 부정되었음. 2) 전염병은 어떤 기작으로 사람에서 사람으로 전파되나? 전염 병균의 실체가 현미경에 의하여 파악됨으로서 전염의 예방이 가능. 현미경: 최초의 현미경은 수 십 배의 배율을 가지나 현대적 현미경은 수 천 배(2,500배)의 확대가 가능.레웬훅의 최초 현미경 현대적 현미경 수 십 배의 배율
레웬훅의 최초의 세균관할 로버트 훅의 푸른곰팡이 관찰 연쇄상구균 현미경을 통하여 관찰한 미생물을 스켓치한 그림 현미경에 장치된 카메라로 찍 은 사진
생물은 저절로 생겨날 수 있나? 현미경으로 증명할 수 있었다.
파스퇴르(Pasteur), 프랑스인 쓰레기 더미에서 지렁이가, 헌 옷더미에서 쥐가, 더러운 의복과 침구 에서 이(lice)가 저절로 생긴다는 가설. 자연발샐설(Spontaneous Generation).1860년대 말 파스퇴르가 유리플라스크를 이용한 실험을. 통하여 자연발생설이 맞지않음을 증명. 고기즙(국물) 파스퇴르의 실험부패되지 않고 오랫동안 보존가능. 현미경으로 관 찰하면 아무것도 보이지 않음. 탁하게 변하며 현미경으 로 보면 엄청난 수의 미 생물을 관찰할 수 있음
파스퇴르의 위의 실험결과를 종합하면, 1) 미생물은 저절로 생겨나지 않으며 원래 있거나 외부에서 들어간 미 생물로부터 생겨남. [자연발생설의 부정]. [Germ Theory]확립. 2) 미생물은 열을 가하면 죽게되며 죽은 후에는 외부에서 들어가지 않 으면 무균상태가 지속. [미생물 제어에 열의 사용이 효과적임 을 발견]. 결과적으로 파스퇴르의 발견은 은 인간의 삶을 매우 편리하게 해주었으며 열 을 이용한 각 가지 미생물 살균방법이 개발되었음. 파스퇴르의 저온살균 : 식품에 열을 가하면 영양소가 파괴되는 단점이 있으므로 비교적 낮은 온도에 서 시간을 연장하여 살균하는 방법을 생각해 냄. 저온살균법 (Pasteurization). 60C에서 30분간 가열. 처음에는 우유에 존재하는 결핵균(소 결핵), 부르셀라균(Brucella), 장 티브 스균(typhoid fever)울 살균하기 위한 목적. 단점: 활동 중인 세균은 죽지만 휴면중인 포자는 살균되지 않음. 현재 우유의 살균은 71C에서 15초 또는 120C에서 1-2 초를 주어 우유 위 질 의 변화를 최소화하고 열에 약한 미생물을 죽임. Flash pasteurization(순간 저온살균)이라 함. 대장균 O157을 예방에 적당.
전체의 10%만이 살아 남아있을 때까지 걸리 는 시간
중온세균
고압솥 내 부의 압력 계기판 수증기 배 출 밸브 고압압력 솥 문 온도계기판 겸 공기 배출밸브 스팀 공급관 밸브 외부로 공기배출 외피공간 스팀 배출 구 스팀 공급관
고압솥 구조
이밖에도, 파스퇴르는 나폴레옹으로부터 와인이 식초로 변하는 원인을 찾아내라는 명령 을 받은 적이 있으며, 파스퇴르는 와인을 연구하는 중에 와인발효가 효모(yeast)에 의하여 이루어짐 을 발견. 현재 프랑스 파리에는 파스퇴르 연구소가 설립되어 있어 미생물에 대한 연구 를 계속하고 잇으며 전 세계의 미생물학자들이 방문함. Pasteur의 연구는 1880-1890에 탄저병백신, 조류콜레라백신, 광견병백신을 개발. Pasteur의 연구는 그 후 전염병에 관하여 업적을 이룩한 Koch의 연구로 이어짐.
코흐(Koch) 독일의 의사-미생물학자 A. 코흐의 탄저병 연구 코흐는 처음으로 anthrax(가축탄저병)에 걸린 모든 소의 혈액을 관찰한 결과 혈액 내에 많은 병균이 존재함을 현미경으로 관찰. 그렇지만 이 세균이 병을 일으킨다는 확실한 증거를 찾지 못하고 쥐를 사용하여 다음과 같 은 실험을 실시, 1) 탄저병에 걸린 쥐A의 혈액을 쥐B에 주사. 2) 쥐B가 병에 걸린 후 여기로부터의 혈액을 쥐C에 주사 3) 쥐C가 다시 A, B와 같은 증상의 병에 걸리는 것을 확인하고 현미경 관찰을 통하여 이 세균이 탄저병병원체 임을 발견. 탄저병: Bacillus anthracis가 원인균 소, 양, 말 등의 초식성가축에서 흔한 패혈증. 수 일내 100% 사망. 세균이지만 포자를 만들어 공기 중으로 전파되며 10년이상 생존가능. 코흐가 1863년에 병에 걸린 양을 써서 연구. 파스퇴르가 약화된 탄자병균을 주사하면 면역이 발생함을 발견. 백신의 시작. 제너(Jenner)도 비슷한 실험(1798)을 하였으나 병원체를 볼 수 없었음.
탄저병균 사진
Gram stain of Bacillus anthracis. B. anthracis is a gram-positive spore-forming rod (Section 12.20). Note the formation of endospores (arrows). Spore formation (Section 4.15) enhances the ability to disseminate B. anthracis in aerosols.
문제가 되는 병원균이 모 든 이병된 소에 존재하여 야 하며 건강한 소에서는 발견되어서는 안된다. 문제가 되는 병원균은 순 수배양이 가능해야 한다. 순수배양된 병워균을 건 강한 소에 주사하면 같은 병이 발생하여야 한다. 이 소에서 분리한 병원 균은 처음의 소의 병원 균과 동일하여야 한다 Koch의 가설
Koch는 병원균이 갖춰야 하는 다음과 같은 네 가지 기본조건을 확립(가설로 도 불림) 1) 병에 걸린 모든 동물에서 발견되어야 하며 건강한 동물에서는 발견되지 않아야 함. 2) 병에 걸린 동물로부터 분리되어 순수하게 배양되어야 한다. 3) 배양된 병원균은 건강한 다른 동물에 접종 후 처음과 같은 동일한 병을 일으켜야 한 다. 4) 병에 걸린 두 번째 실험 동물로부터 분리된 병원균은 첫 번째와 같은 병원균이 분리 되어야 한다. 현미경으로 확인. B. 코흐의 결핵연구 1) 당시 유럽 전 인구의 1/7이 결핵으로 사망하고 있었으나 아직까지도 결핵균이 발견 되지 않은 상태. 2) 순수배양 하는데 성공 1905년 Nobel Prize 받음. 특히 병원균을 동물의 몸 속이 아 닌 인공 배지를 사용하여 배양하는 기술을 개발, 미생물의 연구에 큰 공헌.
결핵(Tuberculosis) BC 3000년의 기록에도 나타남. 1865년 파스퇴르가 전염병임을 발견. 1882년 코흐가 결핵균을 처음으로 확인. Mycoplasma tuberculosis가 병원체. 아직도 년간 150만 명이 이 질병으로 사망. 전체 전염병 사망의 10% 차지. 국내에도 17만 명 환자. 매년60,000명 발생, 3,300명 사망/년
결핵관련 사진
인공배지란 무엇인가?
인공배지(artificial culture medium)의 조 성의 예 , 인산칼륨 7g 황산암모늄 1g 황산마그네슘 0.1g 염화칼슘 0.02g 포도당 5g 미량원소 10ug 한천분말 15g 증류수 1L
과거 300년간의 미생물학분야의 주요 연구업적
1684년 레웬훅 세균의 발견 1864 파스퇴르 알코올 발효시 효모의 역할 발견 1882 코흐 결핵균 발견 1884 그람 그람 염색법 발견 1901 베이어링크 농축배양 개발 1911 라우스 첫 암유발 바이러스 발견 1929 훌레밍 항생물질 페니실린 발견 1944 왁스만 스트렙토마이신 발견 1953 와트슨, 크릭 DNA 구조 발견 1959 포터 항체단백질 구조발견 1966 니렌버그 유전암호발견 1967 브록 온천 끓는 물에 서식하는 세균발견 1969 테민 등 역전사효소 발견 1970 스미스 제한효소 발견 1973 코헨 등 재조합 DNA 최초로 만듬. 1981 프루시너 프리온 발견(광우병 병원체) 1983 몬타니어 AIDS 바이러스(HIV) 발견2) 미생물학의 발전 과거, 현재, 미래
미생물의 연구가 현대 생물학에 끼친 가장 중요한 결과 1) 곰팡이를 연구하여 유전자의 발견. 분자생물학의 시작. 2) 세균을 이용하여 유전자를 조작. 유전공학 기술의 개발 3) 유전공학 기술의 실제적 응용. 유전자변형 미생물, 식물, 동물 출현. 미생물을 연구하여 이룩한 중요한 업적 1941년 비들과 채텀, 붉은빵곰팡이를 연구하여 유전자의 존재를 확인 1944년 에버리 등이 세균을 사용하여 유전자를 이루는 물질이 DNA임을 발견. 1953년 왓슨과 크릭이 대장균을 사용하여 DNA가 이중나선임을 발견. 1960년 제이콥 등이 대장균에서 오페론(유전자 발현 조절단위)의 개념확립. 1966년 니렌버그 등이 유전암호 발견. 1973년 코헨 등이 재조합 DNA 만듬. 1977년 생거 등이 유전자의 염기서열 확인하는 방법 개발. 1983년 몬태니어 AIDS 병원체인 HIV 발견 1995년 박테리아의 개놈지도 완성 2004년 인간의 개놈지도 완성생물학이 오늘날의 수준에 이르기까지 발전한 중요한 동기는 모두 미생물의 연 구에서 시작된바 있음. 미생물이 연구재료로서 편리한 점: 1) 구조가 매우 간단하여 연구하기가 쉽다. 2) 분열시간이 짧아 단 시간 내에 많은 양을 얻을 수 있다. 3) 대부분의 미생물은 인공배지에서 쉽게 자란다. 4) 유전자의 수가 적어 분자생물학적 연구에 적당하다. 5) 돌연변이 유발이 용이하여 유전자의 기능과 구조를 연구하기 쉽다. 6) 고등동물, 고등식물과 유사한 물질구성을 하며 같은 유전부호를 적용하므 로 분자생물학적 연구에 편리하다.
재조합 DNA: 두 종류 이상의 생물로부터의 DNA를 같이 포함하는 DNA. 그러므 로 A 생물의 유전자를 B 생물의 DNA에 붙일 수 있다.
재조합 DNA 제조 재조합 DNA 를 사용하여 새로운 유 전자 구성을 한 박테리아 만듬.
유용한 유전자와 대장균에 들어 갈 수 있는 DNA와 재조합 DNA를 만듬 -> 대장균에 넣 어 대량으로 만듬 -> 식물을 감염할 수 있는 세균으로 이 DNA를 옮겨 줌 ->식물을 감염 하여 유용한 유전자가 나타나는 유전자 변형 식물 탄생 유용한 물질생산 유전자변형식물
TPA=Tissue plasmigen activator, 혈전용해제
Transgenic Plants
Ordinary Rice Transgenic Rice(carotine)
유전자변형으로 카로틴이 포함되는 쌀을 생산함.
유전자 변형식물(GMO) 제초제 glyphosphate에 내성을 가진 콩. Agrobacterium으로부터 glyphosphate 내성유 전자를 분리하여 식물에 도입. 담배의 엽록체에 BT toxin을 발현시킨 유 전자변형식물과 정상 담배의 비교. 애벌 레가 아래의 변형식물은 먹지 않음.
유전자 재조합기술을 응용한 또 다른 예:
유전자 도입방법에 의한 지뢰 탐지식물의 개발 1) 해파리의 형광유전자(GFP)를 분리하여 TNT가 있을 때 형광이 나도록 하는 작동 DNA와 재조합 시킨다. 2) 재조합 유전자를 대장균에 도입한 다음 식물종양발생 세균으로 도입 시킨다. 3) 식물에 감염된 세균은 재조합 DNA를 식물세포에 전달한다. 4) 이 식물을 지뢰가 있을 것으로 추정되는 지역에 살포하여 자라게 한 다. 5) 지뢰가 있는 곳의 식물은 TNT와 접촉한 작동DNA가 식물로 하여금 형광을 내게 하여 지뢰지점을 표시해 준다. Interferon을 생산하는 상추의 개발 구제역 바이러스의 단백질을 생성하는 목초의 개발유전자 재조합기술에 의한 새로운 물질생산, 유전자변형 미생물, 식물, 동물의 출현이 증가될 것으로 전망. 특히 유전자변형 생물(GMO) 에 대한 긍정적 또는 부정적인 예측이 있 음. 특히 GMO가 자연에 노출시킬 경우 우려의 목소리가 있음. 긍정적인 면: 유용한 생물, 유용한 물질을 함유한 생물이기 때문에 생산성면 에서 긍정적이며 식량문제를 해결할 수 있는 해답도 기대 가능. 해충에 저항성이 있는 작물의 개발: 농약 사용을 줄임 특정 영양분이 결여된 작물의 완전 식품으로 전환 재배영역을 넓힐 수 있음: 건조, 냉해에 강한 작물의 개발 부정적인 면: 식품으로서 균형을 무너트리고 지구의 생태계의 균형을 해치므 로 환경을 파괴하는 요소가 된다. 인위적으로 삽입된 유전자가 돌연변이를 거치면서 장기적으로 어떤 결과가 올지 예측이 어려움.
