2장 1절 Archaea (고세균, 시원균, 원시세균, Archaebacteria)

제 2 장. 극한미생물 (아키아)의 분류 및 특성

미생물의 분류는 시간이 지남에 따라 새로운 미생물이 발견되면서 계속적으로 변하는 학문이다. 또한 분류방법도 생육 특성이나 형태학적인 방법부터 분자생물학적 방법을 이용한 계통분류에 이르기까지 다양한 방법이 있다. 게다가 극한미생물은 계통학적으로 다양한 종에 걸쳐 존재하기 때문에 그 분류가 쉽지 않고 그 생육 특성에 따라 분류하는 것은 생육 조건 이외의 다른 공통적인 특성을 찾기가 상당히 어려운 경우가 많다. 따라서 이 장에서는 현재 가장 많이 사용되는 우즈의 3 도메인 분류법 (Archaea, Bacteria, Eukarya)에 따라 극한미생물과 거의 동의어처럼 사용되는 아키아의 분류학적 특성에 대해 주로 살펴보고 세균 및 진균성 극한미생물들에 대해 간단히 다루도록 하겠다.

1.아키아

1.1. 아키아의 특징

아키아와 박테리아는 공통적으로 진핵세포에서 볼수 있는 핵막이나 기관이 없고 긴 원형의 chromosomal DNA를 갖고 있으며 간혹 작은 플라스미드를 갖고 있는 경우도 있다. 또한 특정 대사와 연관된 아키아와 박테리아 유전자들은 공히 오페론을 이루거나 클러스터를 이루고 있는 경우가 많으며 아키아와 박테리아 모두 type II 제한효소 (인식부위와 절단부위가 모두 특이성이 있는 제한효소) 시스템을 가진다.

하지만 이 둘을 가르는 가장 큰 차이점은 크게 세가지 정도로 요약할 수 있는데 첫째는 유전자 및 단백질의 상동성, 둘째는 세포벽과 멤브레인의 구성, 세째는 DNA 복제 및 단백질 합성에서의 eukarya와의 유사성이다.

1). 아키아 세포벽과 멤브레인의 구성

 

(사진 출처: http://www.ucmp.berkeley.edu/archaea/archaeamm.html)

아키아가 다른 생물종과 다른 가장 큰 차이는 cell membrane의 형태학적 차이이다. 위의 그림에서 보듯이 아키아는 멤브레인을 구성하는 인지질의 구조에 있어서 약 4가지의 차이점을 보이는데 1) 글리세롤의 방향성 (L-form), 2) 에테르 결합, 3) isoprenoid chain, 4) branch가 있다는 점이 다르다.

2) 아키아 단백질의 상동성과 대사 경로

아키아는 일반적으로 DNA 복제, 전사, translation 등 소위 central dogma에 관련된 단백질은 Eukarya의 시스템에 가깝고 기본적인 대사의 경로는 Bacteria에 가깝다. 따라서 리보좀(ribosome)의 경우에도 박테리아 리보좀의 기능을 저해시키는 화학물질들이 아키아의 리보좀에는 잘 작용하지 않는 경우가 있다. 또한 전사RNA (tRNA)의 구조에 있어서도 아키아의 tRNA는 박테리아나 eukarya의 tRNA구조와도 구별된다.

1.2. 아키아의 계통학적 분류

최근까지 아키아는 크게Crenarchaeota, Euryarchaeota, Korarchaeota 이렇게 3개의 문(phylum)으로 분류되어왔으나 (칼 우즈의 첫 논문, 1990  PNAS에서는 kingdom이라고 분류했다) 2002년 대표적인 고온균 연구가 칼 스테터 (Karl O. Stetter) 연구진에 의해 Nanoarchaeota 라는 새로운 종이 발견됨(Nature, 2002)에 따라 현재는 4 종류로 크게 분류한다. 이들 분류는 계통학적 분류이기 때문에 16S rDNA 염기서열 이외의 공통적인 특성을 찾기가 어려운 경우가 많다.

1) Crenarchaeota

Euryarchaetoa보다 좀 더 원시적인 아키아로 여겨지는 Crenarchaeota 종류들은 초기에 hyperthermal vent등이나 온천등에서 분리되어 대부분이 초고온성 아키아라고 여겨져왔다. 현재까지 동정된 미생물 중에서 최고의 온도(113도) 에서 자라는 것으로 알려진 Pyrolobus fumarii와 2004년 UMASS의 데렉 러블리 교수팀에 의해 지구상에서 가장 높은 온도에서 자라는 것으로 보고된 strain 121 (121도)도 모두 Crenarchaeota에 속한다.

그러나 최근에는 해수나 토양등의 저온 환경 샘플에서 추출한 DNA에서 Crenarchaeota에 가까운 염기서열들이 보고됨에 따라 지금까지의 생각과는 달리 좀 더 광범위한 환경에 서식할 가능성이 점쳐지고 있다. 현재까지 저온성 Crenarchaeota의 배양에 성공한 몇몇 보고는 거의 없다. (Simon et al, AEM 2005 71:4751)

참고http://pacelab.colorado.edu/Publications/163/cren.html

Crenarchaeota 세포의 모양은 매우 다양하다. 포도상구균과 비슷한 Staphylothermus, 불규칙한 lobed 타입의 Sulfolobus, 디스크처럼 생긴 Thermodiscus, 필라멘트처럼 가느다란 Thermofilum, 직사각형에 가까운 간균 Pyrobaculum 등등이 있다.

Crenarchaeota에 속하는 아키아들은 호기성균부터 혐기성균까지 다양하게 존재하며 영양요구성도  chemoorganotrophs로부터  chemolithoautotrophs에 이르기까지 매우 다양하다.

가장 대표적인 특징은 위에서 언급한 호열성과 함께 호산성이다. Crenarchaeatoa중 가장 많은 연구가 된 대표적인 균인 Solfolobus solfataricus가 속해있는 Sulfolobales 목 (目, order)은 pH 1에서 2 사이에서 가장 잘 자라며 pH 7 이상에서는 사멸한다. 

 

최근까지는 Crenarchaeota에는 archaeal 히스톤 유전자가 존재하지 않는것으로 알려져 왔으나 최근 해양 crenarchaeota에서 히스톤 유전자가 밝혀져 (J Bacteriol. 2005 Aug;187(15):5482-5) 계통 진화적인 관심을 받고 있다. 

2) Euryarchaeota

Euryarchaeota는 한가지 특징으로 정리하기 어려울 정도의 다양한 아키아들이 속해있다. 현재까지 이들을 분류하는 전통적인 방법은 주로 생육 특성에 따른 분류방법으로 i) 초호열균 ii) 메탄생성균, iii) 호염균, iv) Thermoplasma 로 분류한다.

(참고http://www.earthlife.net/prokaryotes/euryarchaeota.html)

i) 초호열균 (Hyperthermophiles)

대부분의 초호열성 euryarchaeota 들은 hydrothermal vent에서 발견되었고 생육 최적 온도가 80 C 이상이다. 초호열균에 속하는 가장 대표적인 다섯종 (genus)은 Thermococcus, Pyrococcus, Methanopyrus, Archaeoglobus, Ferroglobus인데 이 중 Thermococcus 와 Pyrococcus 는 유전적으로 아주 가까운 절대혐기성 chemoorganotrophs 로서 다양한 탄소원을 이용하는 대사 경로가 있어서 가장 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히 현재까지 Pyrococcus 3종 (P. furiosus, P. horikoshiii, P. abyssi)과 Thermococcus 1종 (T. kodakaraensis)의 지놈이 보고되어 비교유전학 (comparative genomics) 연구에 좋은 재료가 되고 있으며 국내에서도 한국해양연구원의 연구팀에서 Thermococcus sp. NA1의 유전체 해독이 진행중에 있다. Archaeoglobus 는 아키아 중에서 독특하게 sulphate (SO42-)를 황화수소 (H2S)로 환원시키는 미생물이며 Methanopyrus는 심해저 환경의 암석으로부터 수소와 이산화탄소를 이용해 메탄을 생성하는 초호열성 아키아이다.

ii) 메탄생성균 (Methanogens)

현재까지 알려진 아키아의 약 45% 가량이 메탄을 생성하는 메탄 생성균이다. 따라서 산소가 없는 다양한 호수, 늪, 심해저, 동물의 장내 등등의 환경에서 제일 많이 발견되는 아키아가 methanogen이며 메탄 생성의 원료도 이산화탄소, 수소, formate, 일산화탄소, 메탄올, 메틸아민, 다이메틸아민,  트리메틸아민, 메틸머캡탄, 아세테이트 등 다양하다.

극한미생물 중에서 가장 먼저 지놈 시퀀스가 밝혀진 Methanococcus janaschii는 메탄생성균이면서도 초호열성 아키아이지만 Methanococcus maripaludis 는 메탄생성 아키아라는 것 이외에는 다른 어떤 극한 특성도 보이지 않는다. 

iii) 호염성균 (Halophiles)

호염성 아키아는 계통학적 분류상에 Halobacteriacea family에 속하는 일련의 아키아를 뜻하는데 바닷물 10배의 염농도 (9%=1.5M) 이상에서 주로 생육한다. 현재까지 알려진 모든 호염성 아키아는 그램 음성 염색이 되며 포자를 생성하지 않고 bunary fission에 의해 증식한다. 약 2M 에서 5M 사이의 무기염 농도에서 생육하는 호염성 아키아는 세포벽을 이용한 삼투압 조절은 하지 않고 대신 세포 내부 이온 농도에 대한 외부 이온 강도의 밸런스를 유지하거나 세포내의 단백질들과 다른 거대분자들이 높은 이온 강도의  환경에서 기능을 하도록 그들을 변형함으로서 외부 환경에 적응한다.  

호염성 아키아의 대표적인 미생물로는 Haloarcula, Halobacterium, Haloferax, Natronomonas등이 있으며 이들은 상대적으로 다른 아키아에 비해 균을 키우기가 용이하다. Halobacterium sp. NRC1은 중온성이며 호기성균으로서 유전자조작이 용이해 현재까지 가장 많은 연구가 이루어진 haloarchaea이다. Halobacterium sp. NRC1 의 지놈 시퀀스는 2000년에 호염성 아키아 중에는 처음 보고되었고 Haloarcula marismortui의 지놈은 2004년에 보고가 되었으며 Haloferax volcanii DS2 의 지놈은 현재 온라인 상에서 공개가 되어있다.  

iv) Thermoplasma

Euryarchaeota 중 가장 알려지지 않은 Thermoplasma들은 낮은 수소이온농도 (pH)에서 잘 자라고 약산성이나 중성 이상의 pH에서는 죽는 극산성 미생물들이다.  현재까지는 Ferroplasma, Picrophilus, Thermoplasma 세 종 (Genus)이 보고되었고 이중Picrophilus는 최적 pH가 0.7 이고 pH 4 이상에서는 사멸하는 지구상에 알려진 가장 극산성 미생물로 여겨지고 있다. 가장 많은 연구가 이루어진 Thermoplasma acidophilum strain DSM 1728은 고온성며 호산성 아키아로서  생육 최적온도는 55C, 최적 pH는 2이다.

Thermoplasma 아키아들의 가장 큰 특징은 세포막은 있으나 세포벽이 없다는 것이다. 이들의 세포막은 만노스와 글루코스가 붙어있는 tetra-ether lipid (lipoglycan)로 구성되어 있어 lipopolysaccharide와 유사하다. 

(그림출처: BBRC Volume 97, Issue 2, 28 November 1980, Pages 493-499)

3) Korarchaeota

Korarchaeota는 대부분 uncultured 미생물로서 environmental DNA에서 분리한 16S rDNA의 시퀀스를 통해 알려진 미생물들이다. 주로 고온성 환경에서 분리된 DNA에서 보고되어 고온성일 것으로 추축은 하지만 실제로 배양된 경우가 없기 때문에 단지 16S rDNA 상의 변이가 일어난 것일 가능성도 배제하지는 못한다.

4) Nanoarchaeota

대표적인 고온균 연구가 Karl O Stetter 연구진이 해저 열수 분출구에서 발견하여 2002년  <네이처>에 보고한 Nanoarchaeum equitans 는 직경이400nm 정도의 구균이며 초고온성이고 혐이성이며 숙주에 공생하는 아키아이다. 숙주는Crenarchaeota 의 하나인 Ignicoccus 속이며 죽은 Ignicoccus 의 세포 분쇄물 (homogenates)와는 자라지 못한다. 지놈의 크기는 0.49Mbp정도로 알려진 아키아의 지놈 중에서 가장 작다. 2003년 미국의 바이오텍회사인 디버사 (Diversa)에 의해 지놈 시퀀스가 보고되었다.