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미생물이야기 방선균의 화학적 계통적 분류
2013-08-06 09:52:42
이엠생명과학연구원

(1) 화학분류

 

화학분류는 어떤 특정의 균체 성분에 대해서, 그 구성 성분을 비교함으로써 미생물간의 유연성을 분석하는 것이다. 그러므로 분류의 지표가 될 균체 성분은 대상 미생물에 널리 존재하면서 편차가 풍부하여야 한다. 즉 생명현상의 근간이 되면서 환경 변화 등에 대하여 영향을 받지 않는 안정한 것이 좋을 것이다. 현재 이러한 관점으로, 세포벽 성분, 환원당, 균체 지질(polar lipids, long chain fatty acids, menaquinones), DNA의 염기조성 등이 분류지표로 사용되고 있다. 이렇게 함으로서 지금까지 표현형질의 폭이 넓거나, 주관적인 정보에 의해 잘 못 분류되던 것이 줄어들었다.

방선균의 분류에 화학적 방법이 도입된 예로서는, 1958년에 Cummins와 Harris(35)가 Actinomyces, Streptomyces, Micromonospora 등에 대해서 세포벽을 구성하는 아미노산과 당의 조성을 분석하였는데, 이는 화학 분류지표로서의 가능성을 시사한 한 것이라 하겠다. 그 후 1970년에 Lechevalier & Lechevalier(33)가 많은 방선균과 세균에 대해서 세포벽과 전균체의 환원당 조성을 분석한 연구 결과에 기초하여 분류체계를 구축하였다. 이 체계는 지표가 되는 아미노산과 당을 정성적으로 분석한 것으로서, 이들의 화학적 형태에 대해서는 고려하지 않았다. 1972년에는 Schleifer 와 Kandler(36)가 세균의 peptidoglycan 다양성을 정리한 바 있으며, 1980년경에는 균체 지질에 관한 화학분류학적 연구가 많이 행해져, 데이터가 축적됨으로써 좋은 분류 지표의 하나가 되었다. 특히 인지질, 균체 지방산, menaquinone, mycolic acid등은 과나 속명의 동정에 있어서 당시의 분류체계에 큰 영향을 주었으며, 현재 방선균 동정에 있어서 필수적인 지표가 되고 있다.

방선균과 일반 세균을 구별할 수 있는 특징으로서 어떤 것이 있는지 세포벽 성분인 peptidoglycan의 구조를 예로서 살펴보자. Agromyces를 제외한 모든 방선균에는 muramic acid에 결합하는 peptide subunit에 있어서 3번째 peptide subunit의 2염기 아미노산과 4번째 peptide subunit의 D-alanin이 cross-linkage를 형성하는 A형 peptidoglycan이 존재한다. 2염기 아미노산으로서는 LL-diaminopimelic acid(A2pm), meso-diaminopimelic acid, lysine 또는 ornithine형으로 나눌 수 있다.

형태 분화가 많이 된 일반 방선균에는 LL-A2pm가 존재하는데, 방선균에 있어서는 크게 LL-A2pm와 meso-A2pm 형태로 분류할 수 있다. LL-A2pm 형태의 경우에는 glycine으로부터 cross-linkage를 형성하며(세포벽 type I, peptidoglycan type A3γ), meso-A2pm 형태의 경우에는 peptide subunit간에 직접 cross-linkage를 형성한다(세포벽 type II~IV, peptidoglycan type A1γ). 이러한 점에서 두 가지 형태는 큰 차이가 있다. 즉 Lechevalier & Lechevalier가 제안한 세포벽 type II는 N-acetylmuramic acid에 인접하는 첫 번째 L-alanin이 glycine으로 치환된 것으로서(37), type III(A1γ)의 하나가 바뀐 것이다. 세포벽 type IV의 경우는 peptidoglycan이 type III와 동일하지만 세포벽 표층의 다당 구조가 다르다.

한편, A2pm이 존재하지 않는 방선균으로서는 ornithine을 함유한 Actinomyces israelii 그룹(세포벽 type V, peptidoglycan type A4β), lysine을 함유한 Actinomyces bovis 그룹, Oerskovia속, Promicromonospora속 (세포벽 type IV, peptidoglycan type A4α), Rothia속 (세포벽 type VI, peptidoglycan type A3α), 2,4-diamino butyric acid를 함유한 Agromyces 속에는 2번째 D-glutamic acid와 4번째 D-alanin이 diamino acid로서 cross-linkage를 형성하는 B형 peptidoglycan이 존재한다.

이상과 같이 형태 분화의 정도는 세포벽의 peptidoglycan 구조와 어느 정도 상관성이 있는 것으로 보인다. 그러나 대부분의 방선균에 존재하는 A1γ형의 peptidoglycan은 Brevibacterium, Bacillus 등에도 존재하고 있으며 Streptomyces의 peptidoglycan 구조도 Propionibacterium과 같다. 따라서 이러한 세포벽의 구조가 방선균에만 국한 한다고 말하기는 어렵다.

기타의 화학분류학적 지표에 있어서도 비슷하다. 그 예로, 방선균의 isoprenoid quinone은 다른 그람양성 세균에 존재하는 menaquinone을 함유한다. 단지, 방선균에 존재하는 menaquinone의 경우 isoprenoid 측쇄가 포화되어 있는 경우가 대부분이고, 복수 종의 quinone이 존재하는등 일반적인 그람양성 세균에 비하여 복잡한 경향을 나타낸다. 그러나 Rhodococcus나 Nocardia의 근연종인 Tsukamurella는 불포화형의 MK-9을 단독적으로 함유하며, Pseudonocardiaceae는 MK-8(H4) 또는 MK-9(H4)를 단독적으로 함유하는 경우가 많다. 그리고 방선균에 있어서 균체 지방산이나 인지질의 경우도 일정한 경향이 있으며, 이러한 특징이 방선균에 있어서 주요 분류지표의 하나로서 이용되어 지고 있다.

 

(2) 계통분류

 

지금까지 언급한 분류학은 형태와 구성 성분등 표현 형질을 지표로하여 미생물간을 차별화하는 것인데, 현존하는 미생물이 어떤 경로를 통하여 과거로부터 현재에 이르게 되었는지에 대한 것은 지금까지 크게 주목되지 못하였다. 고등생물의 경우에는 화석자료 등을 근거로 어느 정도 추론이 가능하지만, 미생물의 경우에는 물적 증거가 희박하여 어렵다.

한편, 분자유전학과 집단유전학이 발전함에 따라 생물진화를 분자 수준에서 연구하는 분자진화학이 최근 급속히 발전하여, 미생물분류학에 이용되고 있다. 분자 수준의 진화라고 하는 것은 DNA 복제시에 일어난 돌연변이가 그 미생물 군 전체에 고정화되는 것을 의미한다. 그래서 비교되는 미생물간의 진화거리는 DNA 등의 정보가 전사되어 생긴 RNA나 단백질로부터 염기의 치환율을 측정함으로서 상동성 관계를 계산할 수 있다. 이러한 목적으로 이용되는 정보고분자는 시간의 흐름에 비례하여 변화가 축적되므로 분자시계라 부르기도 하는데, 세균을 비롯한 방선균에 있어서는 16S rRNA 분자가 가장 많이 사용되고 있다. 그 이유로서는 바이러스를 제외한 모든 생물에 있어서 공통적으로 존재하며, 염기 치환 속도가 비교적 일정하고, 크기나 정보량이 연구자들이 다루기에 적당하기 때문이다. 16S rRNA 분자의 1차 구조결정이 용이하게 된 것은 Lane등(38)이 reverse transcriptase 효소를 이용하는 방법을 개발한 1985년 이후가 된다. 그 이전에는 rRNA-DNA 교잡법 또는 oligonucleotide catalogue법이라고 하는 편법이 분자간의 유사도를 측정하는데 이용되었다.

이 분류법에 따르면, coryneform bacteria(Arthrobacter, Brevibacterium, Aureobacterium 등, Corynebacterium 속은 제외)와 Micrococcus 등은 형태적으로 원시 방선균인 Actinomyces와 Oerskovia 등과 함께 Actinobacteria로 불린다. Actinoplanes와 Micromonospora는 다른 포자형성 방선균 보다는 Actinobacteria나 Corynebacterium, Nocardia에 가깝다. Dermatophilus 속의 경우도 Actinobacteria에 속하지만 형태적으로 유사한 Geodermatophilus와는 전혀 다르다.

한편, Thermoactinomyces는 기생균사와 기균사가 잘 발달되어 전형적인 방선균으로 분류되고 있으나, GC 함량이 아주 낮고 내열성 포자를 가지며, ribosomal RNA의 염기서열에 따르면 다른 방선균과는 거리가 있으며, 오히려 저 GC 그룹인 Bacillus 속과 유사성을 나타내어 재분류가 요구되고 있다.

이상과 같은 catalogue법의 연구 결과에 근거하여, Goodfellow와 Cross(39)는 방선균을 형태적 특징에 따른 정의가 아닌, 「DNA의 GC 함량이 55% 이상으로 높고 16S rRNA oligonucleotide의 염기배열과 핵산의 교잡으로부터 계통적인 근연성을 나타내는 그람 양성세균」이라고 하였다. 이렇게 되면 GC 함량이 높은 그람양성 세균인 Bifidobacterium과 Propionibacterium을 방선균에서 제외시킬 근거가 희박해진다.

그리고 catalogue법은 최근의 간편한 16S rRNA의 염기배열 결정방법의 등장으로 전 1차 구조가 비교적 용이하게 결정됨에 따라 그 역할이 바꿔지게 되었다. 현재 미발표된 방선균의 16S rRNA의 염기배열 데이터를 포함하여 많은 데이터가 축적되어 가고 있어, 앞으로 가까운 장래에 진정한 의미의 분자계통을 논할 수 있게 될 것 같다.




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