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미생물이야기 곤충을 비롯한 동물 및 식물은 여러 가지 미생물에 의해 병을 일으킨다.
2013-08-13 15:17:58
이엠생명과학연구원

곤충을 비롯한 동물 및 식물은 여러 가지 미생물에 의해 병을 일으킨다. 곤충에도 병이 존재함은 오래 전부터 인간과 친숙한 누에와 꿀벌에서 경험적으로 알고 있다. 누에와 꿀벌 같은 익충에 병의 발생은 경제적 손실을 초래했기 때문에 그 병의 원인과 방제에 특히 관심이 높았다.

꿀벌들의 질병에 대해 일찍이 아리스토텔레스가 언급하였다. 1834년 이탈리아 바씨 (Agostino Bassi, 1773∼1856)는 병에 걸려 죽은 누에의 몸에 생긴 흰솜과 같은 것이 병원체라고 하였으며, 그것이 흰굳음병의 병원체인 Beauveria bassiana 였다. 이를 건강한 누에의 몸에 접촉시켰을 때 며칠 후 똑같은 병징을 나타내며 죽는다는 미생물학적으로 중요한 실험을 하였다. 또한 1865년 프랑스의 파스퇴르 (Louis Pasteur, 1822∼1895)는 병든 누에에서 병원체를 분리하고 그 병원체는 원생동물이며 포자에 의해 경란전염한다는 사실을 밝힌 누에 미립자병의 연구는 매우 유명하다. 그 후 많은 연구자들에 의해 곤충의 병과 그 병원체가 밝혀졌다.

사람들은 병에 걸려 죽은 곤충과 그 병원체에 많은 관심과 함께 실제 이용하였다. 예를 들어 이미 옛날부터 중국 등 동북아시아에서는 충체가 흰색가루로 뒤덮여 미이라처럼 되는 흰굳음병으로 죽은 누에와 동충하초 (冬蟲夏草)를 한약재로 이용하였다. 또 중요한 것은 곤충에 병을 일으키는 병원체를 역으로 이용하여 해충방제에 적용하게 되었다. 1940년대에 화학살충제의 강한 독성 및 잔류성 등 많은 문제점들이 제기되자 곤충병원 미생물을 이용한 해충방제 목적으로 곤충병리학이 본격적으로 발전되었다. 현재 약 1,500종 이상의 곤충병원 미생물들이 많은 곤충으로부터 분리되었다.

여기서는 곤충병원 미생물 중 주요한 세균, 바이러스 및 사상균을 중심으로 미생물학적인 특성을 개괄적으로 기술하고자 한다. 아울러 이들을 이용한 미생물 살충제의 개발 및 현황을 기술하고자 한다.

 

 

1. 곤충병원 미생물

 

가. 세균병

  • 세균의 포자 형성 유무에 따라 포자형성 세균과 포자비형성 세균으로  구분되는데, 내생포자를 형성하는 그램 양성 간균인 Bacillus속이 곤충에 강한 병원성을 보임으로써 많은 연구가 이루어졌다. 곤충병원성 세균중에서 B. thuringiensis (Bt)와 B. popilliae는 해충의 미생물적 방제수단으로서 상당한 관심을 받아 오고 있다. 그 중 Bt는 현재 가장 널리 연구되고 살충제로 사용되는 세균으로 전세계에 걸쳐 이용되고 있다.

    대표적인 곤충병원성 세균인 Bt는 1901년 Ishiwata에 의해 처음으로 발견된 이래, 지난 수십년 동안 많은 아종이 분리되었다. 이들 아종의 분류는 여러 가지 방법이 가능하나 현재에는 주로 편모항원성과 분자생물학적 기법의 도입으로 곤충의 숙주특이성과 관련된 내독소 단백질 유전자형에 따라서 크게 분류되고 있다. 편모항원성에 기초한 분류기준에 의하면 1997년 현재 65개의 혈청학적 아종을 포함하여 총 50개의 편모항원성으로 나뉘어져 있다. 그 밖에도 다양한 Bt 균주의 병원성과 많은 곤충 종의 감수성 비교를 위한 일정한 기준 마련을 위해 몇몇 종의 표준균주가 선발되어져 있는데, 나비목 곤충에는 Bt subsp. kurstaki, 수생 파리목 곤충에는 subsp. israelensis, 그리고 딱정벌레목 곤충에는 subsp. tenebrionis 등이다.

    Bt는 초기 영양세포에서 세포분열을 통하여 이들이 포자를 생산하기 시작할 때는 포자낭 (sporangium)으로 불려지며, 포자형성 시기 동안 몇몇의 Bacillus는 한 개 또는 그 이상의 결정체를 생산하거나 포자낭내에 내독소 단백질을 형성하여 곤충체내에서 독소로 작용하고 포자는 다시 발아하는 생활사를 반복한다 (그림 1). Bt가 생성하는 내독소 단백질은 숙주특이성과 내독소 단백질 유전자간의 아미노산 유사성에 따라 크게 다섯 가지로 구분된다. CryI은 나비목 유충에, CryII는 나비목과 파리목에, CryIII는 딱정벌레목에, CryIV는 파리목에, CryV는 딱정벌레목과 나비목에 이중독성을 나타낸다. 숙주범위에 있어서도 나비목 160여종, 파리목 30여종, 딱정벌레목 10여종 등에 독성을 가지는 다양한 내독소 단백질 등이 알려져 있다. 이들 중 나비목에 독성을 보이는 CryI과 CryII로 대표되는 유전자는 이중피라미드형과 사각형의 내독소 단백질 형태를 가지며, 딱정벌레목에 독성을 보이는 CryIII는 마름모형을 그리고 파리목에는 CryIV 유전자에 의해 구형의 내독소 단백질을 형성한다.


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그림 1. Bacillus thuringiensis의 생활사.

  • Bt가 생산하는 독소는 내독소 (δ-endotoxin) 외에도 외독소 (α, β, γ-exotoxin) 들이 발견되었다. 이 중 가장 강력한 독소인 내독소는 내독소 단백질의 결정체를 형성하는데, 이러한 내독소 단백질의 형태, 크기 및 형성 양상은 다양하게 나타난다. 대개 나비목에 독성을 가지는 Bt 종은 이중피라미드 형태를 가지고, 다른 종들은 삼각형, 사각형, 막대형, 부정형 및 납작한 형태를 나타내며, 그 크기는 0.5∼1.5㎛로 광학현미경으로 관찰할 수 있다. 내독소 단백질은 열에 의해 쉽게 변성되어지며, 물과 유기용매에는 녹지 않으나, 높은 알칼리 용액에서 용해된다. 내독소 단백질은 곤충 중장의 높은 pH 10∼11하에서 단백질 분해효소의 작용에 의해 활성화되어 독소로 작용한다.

    Bt에서 내독소 단백질 형성은 포자형성 초기 단계에 시작하여 완전히  형성되면 세포벽이 분해되고 성숙한 포자와 내독소 단백질은 각각 방출된다. 일반적으로 한 세포에서 생성된 내독소 단백질은 면역학적으로 동일하나, 두개 이상의 내독소 단백질이 한 세포에서 생성될 경우 각각은 생화학적 및 독성 특성이 다르다. 예를 들어 kurstaki 균주의 경우 이중피라미드형과 사각형의 단백질을 형성하는데 전자는 나비목에만 후자는 나비목과 파리목에 동시에 독성을 가지고 있다. 그러나 내독소 단백질의 생성이 바로 독성으로 연결되지는 않는다. 왜냐하면 자연환경에서 내독소 단백질은 형성되지만 독성을 띠지 않는 무독성 균주의 존재가 우세하기 때문이다.

    세포에서 형성된 내독소 단백질은 결정체를 이루는데, 이중피라미드형인 경우 내독소 단백질은 분자량이 약 130∼140KDa으로 분해효소에 의해 64∼71KDa의 독성을 띠는 독소로 분해된다. 단백질 분해 효소는 내독소 단백질에 작용해서 N-말단으로부터 첫 28개 아미노산과 친수성 C-말단영역을 제거해서 분자량 66KDa의 독소를 형성하며, 활성화된 독소의 2차 구조는 두개의 구조 단위로 구성되는데, N-말단 영역은 독성을 나타내는 부위이며, C-말단의 영역은 세포의 수용기에 부착되는 결합 영역을 형성하는 것으로 알려져 있다.

    Bt의 내독소 단백질 유전자는 다양한 단백질을 생산하는 수많은 유전자들이 계속해서 밝혀지고, 많은 아종들이 한 개에서부터 다섯 개에 이르는 다수의 내독소 단백질 유전자를 가지고 있어 매우 복잡한 양상을 보이고 있다. 내독소 단백질 유전자는 대부분이 플라스미드 상에 존재하지만, 몇몇 종은 염색체 상에 존재하기도 한다. Bt 세포내에 존재하는 플라스미드의 수는 2∼12개로 다양하며, 크기 또한 약 1.4∼225MDa에 걸쳐 넓게 분포한다. 내독소 단백질 유전자를 포함하고 있는 플라스미드는 크기가 30∼225MDa에 이르는 고분자량의 플라스미드에 속하는 것으로 알려져 있다.

    내독소의 살충기작은 일반적으로 세포내에서 독소는 세포막의 구조와 투과성에 영향을 주는 것으로 세포내 이온 (K+) 펌프의 억제에 따른 작용과 원형질막에 작은 구멍 (pore)을 형성해서 결과적으로 장막의 투과성을 변화시켜 체액의 pH와 이온의 변화를 초래함으로써 충체 전체를 마비시키고 결국 곤충을 죽게 만든다고 밝혀져 있다. 이는 독소가 특별한 세포막의 수용기에 부착되면 독소 단백질의 N-말단을 막에 삽입해서 작은 구멍을 형성하여 막의 반투과성을 저하시키고 이온과 물의 유입을 야기시킴으로 세포가 팽창하게 되고 결국에는 세포가 터지게 된다는 것이다. 그리고 Bt 균주의 숙주특이성 변이는 곤충마다 중장피막세포의 원형질막에 특별한 수용기를 갖고 그 종류가 다르기 때문이다. 내독소 단백질 구조상에서 N-말단 영역은 세포막내 구멍 형성에 관련되어 독소 활성을 나타내며, C-말단 영역은 독소의 결합에 관련되어 숙주특이성을 결정한다고 밝혀져 있다.



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