s.cienc.e: 7월 2007

2007년 7월 18일 수요일

[펌] 물의 놀라움

(The wonders of water)

Jonathan Sarfati

물(Water)! 마시고, 세탁하고, 요리하고, 수영하고.... 우리는 그것을 당연한 것으로 여긴다. 이렇듯 생활의 많은 부분을 차지하고 있는 이 무색 무미 무취의 놀라운 액체의 가치를 우리는 거의 생각하지 않고 있다. 우리 몸의 65%는 물이고, 물이 없으면 우리는 몇 일만에 죽게 된다. 물은 우리 몸에 꼭 필요한 미네랄과 산소를 녹이고, 노폐물을 씻어내 밖으로 내보내며, 필요한 영양분을 운반한다. 이러한 역할을 하는 것은 오직 물밖에 없다. 또한 물은 다른 많은 중요한 특성들을 가지고 있으며, 생명체를 위한 바로 그러한 역할을 담당하기위해 고안된 것이다.

액체

물질은 고체(solid), 액체(liquid), 기체(gas)의 세 가지 상태로 존재한다. 이 세 가지 상태는 모두 생명체에게 필수적이다.

1. 고체는 그 형태(shape)를 유지한다.
2. 액체는 흐르고, 용기에 따라 모양이 달라지지만, 동일한 전체 부피를 유지한다.
3. 기체는 그 용기의 형태와 크기대로 팽창하여 채운다.

분자들이 서로 반응을 하기위해서는 서로 인접해 있는 것이 바람직하지만, 또한 서로 자유로이 움직일 수 있어야 한다. 그것이 액체 상태가 제공하는 것이며, 그것이 모든 생물체의 모든 세포에서 일어나는 수천가지의 화학 반응 모두에 이상적인 것이다.

그러나 -270°C(-454°F)도 에서부터 가장 뜨거운 별의 내부인 수백만 도의 온도에 이르는 우주의 모든 온도 영역에서 물은 매우 좁은 온도범위 내에서만 액체로 존재한다. 보통의 기압조건에서 물은 단지 0~100 °C (32~212 °F)의 영역에서만 액체로 존재한다. 그러므로 우주에서 지구 만이 유일하게 액체 상태의 물이 존재하는 행성이라는 사실은 그리 놀라운 일이 아니다. 그리고 이러한 액체상태의 물이 존재한다는 것은 우리의 지구가 그 밝기나 크기 면에서 너무 밝지도 어둡지도 않으며, 너무 크거나 작지도 않은 적당한 조건을 갖춘 별임을 나타내고 있는 것이다. 그리고 지구는 또한 태양으로부터 적당한 거리에 있다. (The sun: our special star 참조)

온도의 완충

물의 또 다른 중요한 특성은 높은 비열이다. 물은 가열할 때 많은 에너지가 필요하며 (철에 비해 대략 10배), 또한 냉각되기 위해서는 많은 에너지를 잃어버려야만 한다. 그리하여 지구상에 있는 막대한 량의 물은 지구의 온도가 꽤 일정하게 유지될 수 있도록 하고 있다. 반면 육지 표면은 물에 비해 빨리 차가워지고 빨리 더워지는데, 이것은 상당히 안정된 물의 온도와 관련되어 유익한 점을 만들어낸다. 그것은 대기의 다른 부분들이 서로 다르게 가열되어진다는 것을 의미한다. 이것은 바람(wind)을 일으킨다. 바람은 신선한 공기를 유지하는데 필수적이다.

액체들은 증발할 때 주위부터 열을 흡수한다. 이것은 우리가 시원해질 수 있는 유용한 수단(땀흘림)을 가지고 있다는 것을 의미한다. 이것에 있어서 가장 중요한 부분은 물의 증발 시에 필요한 높은 잠열(latent heat)이다. 이것은 대부분의 다른 액체들보다 물이 증발하는 데에 훨씬 많은 에너지가 소모된다는 것을 의미한다. 그래서 우리는 체온을 낮추기 위해 단지 약간의 물만 내보내면 된다는 것이다. 만약 우리가 다른 액체로 땀을 흘린다면, 그 양은 엄청날 것이다.

훌륭한 용제 (solvent)

물은 우리 주변에 가장 가까이 있는 것으로 하나의 ‘우주적 용제(universal solvent)’이다. 각종 미네랄(minerals)과 비타민(vitamins)들은 운반되기 위해 용해되어져야만 하고, 따라서 물은 이러한 것들을 체내에서 효과적으로 전달한다. 용해된 나트륨(sodium)과 칼륨(potassium) 이온들은 신경계의 자극전달을 위해서 필수적이다. 물은 또한 공기로부터 산소(oxygen)와 같은 기체들을 녹이는데, 이것은 수중 생물들이 산소를 이용할 수 있도록 해준다. 물은 또한 혈액의 주요 성분으로[1], 모든 세포의 에너지 생산 시 만들어지는 노폐물인 이산화탄소(carbon dioxide)를 녹여 폐로 운반하여 호흡을 통해 밖으로 배출할 수 있도록 해준다.[2]

그러나 실제 우주적 용제라도 그것을 담을 수 있는 용기가 없다면 소용이 없을 것이다. 그러나 물은 유성 화합물(oily compounds)들과는 혼합되지 않으며, 따라서 세포막은 이러한 유성 성분으로 이루어져 있다. 우리 몸의 많은 단백질들은 부분적으로 유성 부분들을 가지고 있으며, 그들은 서로 접혀지는 경향이 있으나, 주위의 물과는 섞이지 않는다. 이것이 그렇게 다양한 모양의 단백질이 존재할 수 있도록 하는 데에 부분적으로 기여한다. 이들 단백질들의 모양들은 생명유지 기능을 수행하는 데에 아주 중요한 역할을 한다.

얼음에 들어있는 놀라운 사실

물의 중요하고 매우 독특한 특성 중의 하나는 그것이 얼음이 되었을 때 부피가 증가한다는 것이다. 이것이 빙산이 뜨는 이유이다. 사실 물은 4°C(39.2°F)에 도달할 때까지 온도가 낮아짐에 따라 부피가 감소하다가, 그 이하의 온도에서는 다시 부피가 증가하기 시작한다. 이것은 얼음이나 차가운 물이 4°C 물보다 밀도가 낮으며, 물 위로 뜬다는 것을 의미한다. 이것은 상당히 중요한 점으로, 대부분의 액체는 찬 공기와 접촉하면 냉각되고 찬 액체는 아래로 가라앉을 것이며, 더 많은 액체를 위로 밀어 올려 찬 공기에 의해 계속 냉각되게 할 것이다. 결국 바닥부터 꼭대기까지의 모든 액체가 열을 잃고 차가와져 결국은 모두 얼게 될 것이다. 그러나 물은 차가운 영역이 낮은 밀도를 가지기 때문에(물 표면에 존재하기 때문에) 찬 공기로 열을 잃게 되지 않으며, 이것은 표면은 얼게 되나 물의 아래는 여전히 생명체들이 살아갈 수 있는 환경을 만드는 것이다. 그러나 만약 북아메리카의 그레이트 레이크(Great Lakes)처럼 물이 다른 성분들로 대체 된다면 지구 전체에 위험한 일이 벌어질 것이다.

물에 대한 상식, 알고 계십니까?

- 지구는 70%가 물로 덮여 있다. 바다는 대략 13억7천 km3(3억3천4백만 mile3)의 물을 포함하고 있으며, 매년 육지에 내리는 비의 총량은 대략 11만3백 km3 이다.
- 전 세계 물의 단지 1%만이 인간이 이용할 수 있다. 대략 97%는 소금물이고, 2%는 얼음이다. 이 2%의 물은 2천9백만 km3(7백만 mile3)라는 엄청난 양으로 거대한 얼음층과 빙하에 갇혀 있다.
- 오스트레일리아는 가장 메마른 대륙으로 최소의 지표수를 보유하며 70%의 사막을 가지고 있다.
- 가정용수의 단지 1% 만이 식수로 이용된다. 나머지는 잔디에 물주기, 샤워 등으로 사용된다.
- 한 가정의 화장실에서 하루에 대략 150 리터의 물이 소모된다.
- 계속 줄줄 흐르게 방치된 물로 600 리터의 물이 하루에 낭비되며, 똑똑 떨어지게 방치된 물로는 하루에 30 리터의 물이 낭비된다.
- 정원에 덮개를 덮으면 75% 정도 증발을 줄일 수 있다.
- 스프링클러는 시간당 1000 리터의 물을 사용한다.
- 자연의 물중 소량의 광물염(mineral salts) 등이 용해된 물은 맛을 가지나 순수한 물은 맛이 없다.
(가정에서 물 사용에 대한 수치는 평균치이다. 그러나 개인의 습성과 이용하는 용품들에 따라 차이가 있다.)

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얼음은 왜 그렇게 미끄러운가?

많은 사람들이 스케이팅이나 스키 같은 겨울 스포츠를 즐긴다. 무엇이 얼음을 그렇게 미끄럽게 하여 이러한 활동들을 가능하게 할까? 많은 사람들은 그것은 얼음에 압력이 가해질 때 생기는 액체가 윤활층을 형성하기 때문이라고 믿고 있다. 실제로 물리화학자들에게는 잘 알려진 대로, 가해진 압력은 물질들이 최소의 공간을 가지도록 한다. 그러므로 압력은 얼음을 녹여 물이 되게 하는데 (물은 다른 액체들과 달리 얼음보다 부피가 작다), 결국은 그것의 녹는점(melting point)은 낮아지게 될 것이다.

그러나 이러한 효과는 많은 사람들이 생각하는 것보다는 훨씬 작아서, 대략 100 기압의 압력이 단지 1 oC 정도 녹는점을 낮춘다.[3] 그래서 압력이 훨씬 작은 스케이팅에서는 이 효과로 설명되어질 수 없다. 또한 비행기들이 얼음을 녹이고 75m (250 피트)나 가라앉게 되는 원인이 될 수 없는 것이다. (잃어버린 비행중대, The lost squadron 참조).

진실된 이유는 또 다른 독특한 특성 때문인데, 얼음 표면의 분자들은 자유로이 움직일 수 있는 것은 아니지만 고체 내부의 분자보다 훨씬 강하게 진동한다는(vibrate) 것이다. 이것은 얼음 표면을 ‘유사’ 액체(quasi-liquid, 액체 같은 그러나 액체는 아닌)의 성질을 띠게 만든다.[4]

표면 장력

물은 매우 높은 표면장력(surface tension)을 가지고 있다. 표면장력은 표면을 가능한 적게 유지하려고 하는 힘이다. 물은 글리세롤(glycerol)과 같은 시럽형의 액체보다 표면장력이 매우 높다. 표면장력은 거품을 만드는 경향이 있고 방물들을 구형으로 만든다. 그리고 일부 곤충들을 포함한 가벼운 물체들을 지탱하기에 충분히 강하다. 더욱 중요한 것은 이것은 생물학적 화합물질들이 표면 근처로 집중시킬 수 있다는 것을 의미한다. 이것은 생명체의 여러 중요한 반응들의 속도를 높일 수 있다.

물의 힘

물은 평상시에는 평온한 것처럼 보이지만, 많은 양이 빠르게 움직인다면, 그것은 자동차만한 바위들을 움직일 수 있고, 깊은 협곡을 파낼 수 있으며, 심지어 단단한 바위를 자를 수도 있다. 물이 매우 빠르게 흐를 때, ‘캐비테이션(cavitation)’ 이라고 불리는 매우 파괴적인 과정이 발생한다. 자세한 사항을 알기 원하면 Interview with Dr Edmond Holroyd을 보라. 또한 화학적 차원에서 물은 살아있는 세포에서 많은 중요한 큰 분자들을 빠르게 분해시킨다. 반면에 살아있는 세포는 많은 정교한 수선 메커니즘(repair mechanisms)을 가지고 있다. DNA는 세포 밖의 물에서 오래 지속되어질 수 없다 [5]. New Scientist 에 실린 최근의 한 논문은 생명체의 기원을 진화론적 개념으로 일하는 연구자들에게는 하나의 골칫거리로서 이것을 기술하였다 [6]. 그 논문은 또한 이것은 좋은 뉴스가 아니라고 말함으로서, 그들의 유물론적 편견을 보여주었다. 그러나 진정으로 나쁜 뉴스는 확실히 진화론적(모든 것들이 스스로 만들어졌다는) 신념이다. 이것은 객관적인 과학을 짓밟아 버리고 있다. (더 자세한 설명을 위해서는 Origin of life: the polymerization problem을 보라).

물은 왜 유일한가?

물의 가장 작은 구성요소는 물 분자이다. 이것은 수소 원자가 산소원자와 104°의 각도로 V 자를 이룬다. 그것은 극성(polar)을 띠는데, 산소원자는 음극의 전하를 띠고 반면 두 개의 수소원자는 양극의 전하를 띤다. 이것이 왜 물이 소금(salt)들과 같이 전기적으로 전하를 띤 구성 단위들을 가지고 있는 수많은 물질들을 잘 녹일 수 있는 지에 대한 이유이며, 반면에 기름(oil)과 같이 전하를 띠지 않는 분자들을 가지는 물질들을 잘 용해시키지 못하는 이유이다.

또한, 물은 수소결합(hydrogen bonds)에 의해 물 분자들끼리 서로 꽤 강하게 끌어당긴다. 이 수소결합은 보통의 화학결합보다 10배 정도 약한 결합이나, 실온에서 액체 상태의 물을 만들 수 있을 만큼 충분히 강한 결합이다. 반면에 비슷한 화합물인 황화수소(hydrogen sulfide)는 이러한 수소결합이 없기 때문에, 같은 온도에서 기체상태이다. 수소결합은 또한 물의 높은 표면장력(surface tension), 비열, 잠열 등의 성질들을 가지게 한다.

분자 모양과 수소결합은 얼음(ice)이 매우 열려진 육각형 모양의 결정 구조를 가지게 하는데, 이것은 다양한 종류의 눈송이(snowflakes)들에 의해 훌륭하게 설명되어진다. 이 결정 구조는 많은 공간을 차지하나, 결정이 녹을 때 붕괴가 되기 때문에, 액체인 물은 더 치밀해진다. 이것이 얼음이 물에 뜨는 이유이다. 최근의 연구는 물 분자들이 액체 내에서, 특히 6개의 분자들로 이루어진 새장 같은 구조에서 다발(clusters)을 이루는데 [7], 이것은 물의 많은 독특한 특성들을 가지게 한다.

다른 최근의 연구는, 물에는 2 종류의 수소결합이 있으며, 하나의 결합은 다른 것에 비해 두 배나 강하다는 것을 보여준다. 이것은 물이 넓은 영역에 걸쳐 액체상태인 이유를 설명하고 있다. 용융(melting)은 단지 약한 결합만을 끊지만, 비등(boiling)은 또한 강한 결합도 끊어야만 한다. 이 연구는 또한 강한 결합에서 약한 결합으로 변화되는 데에는 어떤 온도를 필요로 하는데, 이 중에 하나가 37°C (98.6°F)이다. 이 온도는 사람의 체온이며, 이것은 우리 몸이 많은 복잡한 설계 특성들을 가지고 있음을 가리키고 있는 것이다.

2007년 7월 9일 월요일

[펌] Archaea

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.

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source: http://biotechnology.tistory.com/25

2007년 7월 7일 토요일

[본문스크랩] 제 3 장. 화학독립영양 세균 및 호메탄세균

* Chemoautotroph(화학 독립 영양 세균)
무기화합물을 산화하여 증식에 필요한 에너지를 얻음.

* Methophile(호메탄 세균)
증식에 필요한 탄소원과 에너지원으로 메탄과 다른 C₁ 유기화합물을 이용함.

* Chemoautotroph와 methophile은 그들의 에너지원과 독립영양성(또는 호메탄성) 생활양식의 분화정도에 따라 몇 개의 생리적 아군으로 나누어진다. 이들은 토양과 물에 널리 분포되어 있으며, 생물권에서 원소들의 순환에 중요한 역할을 담당하고 있다.

1. 화학 독립 영양체

2. 호메탄 세균

3. 화학독립영양 세균 및 호메탄세균의 기원

1. 화학독립영양체

화학독립영양체는 탄소원으로 유일하게 CO₂를 이용하며, ATP와 환원력을 무기물의 호흡에서 얻기 때문에 제한된 무기배지와 어두운 곳에서도 자랄 수 있다. 이러한 생활양식은 원핵생물에만 존재한다.

1) 이용가능한 기질

화학독립영양적 증식을 가능하게 하는 무기질에는 H₂S와 다른 환원형 황화합물, 암모니아, 아질산염, 일산화탄소, 수소분자 및 철이온(Fe²⁺)등이 포함된다.

<호기성 화학독립영양세균의 생리학적 군>

군		산화가능한 기질	산화된 산물	최종 전자 수용체
Nitrifying bacteria (질화세균)	Ammonia oxidizers	NH₄⁺	NO₂^-	O₂
Nitrifying bacteria (질화세균)	Nitrite oxidizers	NO₂^-	NO₃^-	O₂
Sulfur oxidizers		H₂S, S₀, S₂O₃^2-(thio sulfate)	SO₄^2-	O₂;종종 NO₃^-
Iron bacteria		Fe²⁺(ferrous ion)	Fe³⁺(ferric ion)	O₂
Hydrogen bacteria		H₂	H₂O	O₂;종종 NO₃^-
Carboxydobacteria		CO	CO₂	O₂

+/STYL

Nitrifying Bacteria는 에너지원으로 환원형 무기질소화합물을 이용하는데, 이 아군내의 기질특이성은 매우 높다.

2) The Nitrifying Bacteria

1890, S. Winogradsky에 의해 strictly inorganic media(완전한 무기 배지)에서 순수 배양되었다.

이 질화세균은 크기가 매우 작고 G(-)인 막대형(rod-shape) 세균임이 입증되었다. 이들은 암모니아를 nitrite(아질산염; NO₂^-)로 산화시키는 Nitrosomonas와 아질산염을 질산염(NO₃^-)으로 산화시키는 Nitrobacter로 나누어지며 이 두 생물체들이 함께 작용하여 암모니아를 질산염으로 완전히 전환시킨다.

이들 두 미생물의 증식은 매우 느려서 최소 세대 시간(minimal generation time)이 대략 24시간이다. 그리고 growth yield(생장 수율)도 매우 낮다.

Winogradsky는 이들 세균들이 특정한 무기에너지원 없이는 자랄 수 없는 obligate autotroph(절대 독립 영양체)임을 밝혔다. 질화세균은 탄소원과 에너지원으로 아세트산을 사용하는 몇몇 Nitrobacter 균주를 제외하고는 절대화학 독립 영양성이다. 아세트산을 이용하는 균주들은 이들이 아질산염을 이용할 때 보다 생장이 매우 느리다.

최근에 암모니아와 아질산염의 산화에 관한 생화학적 기작이 밝혀졌다. Mono-oxygenase는 암모니아를 하이드로아민(hydroxyamine)으로 산화시키는데, 이 때 전자공여체는 cytochrome P₄₅₀이다. 산화형 P₄₅₀은 hydroxylamine이 산화되는 과정에서 환원된다. 즉 암모니아가 아질산염으로 산화되는 과정에서 생긴 2개의 전자는 ATP를 생성하는 데 사용된다. 암모니아의 산화과정은 이와 같이 복잡한 데 비해 아질산염이 질산염으로 산화되는 과정은 효소적으로 간단하며 직접적으로 일어난다. 이러한 산화과정에서 직접적인 전자 수용체로는 cytochrome이 작용하는데, hydroxyamine에 대해서는 cytochrome c가 작용하고 아질산염에 대해서는 cytochrome a가 작용한다고 생각되고 있다.

3) Sulfur Oxidizers

이들은 H₂S가 풍부한 환경에서 발견되는데 세포내에 다량의 황원소를 가지고 있는 경우가 많다. H₂S는 먼저 황으로 산화되어 세포내에 저장되는데, 저장된 황원소는 계속 황산염으로 더욱 산화된다. 그러나 이들을 H₂S의 존재하에 호기적으로 생장시키는 데에는 기술적인 어려움이 있기 때문에 소수의 미생물들만이 순수배양으로 분리되었다. 이 group에 대한 현재 지식은, 크기가 작고 세포내에 황을 축적시키지 않는 단세포성 황산화세균에 관한 연구에 기초를 두고 있다. 이 group의 미생물들은 별 어려움없이 순수분리하여 생장시킬 수 있는데, 그것은 이들이 화학적으로 안정한 환원형 황인 thiosulfate와 황원소를 산화할 수 있는 능력이 있기 때문이다.

이들 생물체들의 화학 독립 영양적 생장은 매우 빠르며, 어떤 것은 thiosulfate를 소비하여 자랄 때 generation time이 2시간 정도로 짧다. 이 group의 일반적이고 또 현저한 특징은 이들이 산에 대한 저항성이 매우 강하다는 점이다. 어떤 종들은 pH 1-2와 같은 강한 산성조건에서는 살수 있지만 pH가 6이상이면 생장할 수 없다. 이들 생물체들은 그들의 대사활성에 의하여 pH가 낮게 유지되는 특별한 환경에서 자주 발견된다. 그것은 환원형 황화합물이 황산염으로 산화되면 그 결과 상당량의 산이 생성되기 때문이다. Thiobacillus thiooxidans는 황원소를 재빨리 산화하고, T. ferrooxidans는 황원형 황화합물과 2가의 철이온을 더욱 산화하여 에너지를 얻을 수 있다.

Sulfur oxidizer에서의 Obligate chemoautotrophy(절대 화학독립 영양성)는 nitrifying bacteria에서 처럼 적용되지 않는다. 몇몇 thiobacilli는 유기탄소원과 에너지원을 이용하여 생장할 수 있다. 그러나 이용할 수 있는 기질은 글루코스(glucose)와 몇몇 아미노산에만 한정되어 있다. 황산화에 관한 생화학적 기작은 thiobacilli의 몇몇 균주에서 집중적으로 연구되어 2개의 다른 대사경로가 제시되었다.

첫번째 경로에서는 황화합물이 막에 결합된 효소에 의하여 polysulfide(다중 황화물)로 산화된 후에 황원소로 더욱 산화된다. 황원소가 sulfite(아황산염)까지 산화되는 데에는 운반체로서 환원형의 글루타티온(glutathione)이 필요하다. 그 다음 아황산염의 산화는 2가지 경로 중 하나를 거쳐 진행된다.

아황산염 산화효소에 의하여 직접 황산염으로 산화되거나 또는 AMP에 의하여 APS(adenylphosphosulfate)로 활성화된 후 인산(phosphate) 또는 피로인산(pyrophosphate)에 의하여 phospholysis되어 각각 ADP 또는 ATP를 형성하면서 산화된다. 아황산염의 산화에서 두번째 경로인 기질 수준 인산화(substrate-level phosphorylation)는 에너지 보존(energy conservation)의 효율을 증가시킨다.

4) The Iron Bacteria

철을 함유하고 있는 대부분의 샘물(springs)은 중성 또는 알칼리성인데, 이러한 조건에서 이온 Fe²⁺는 빠른 속도로 자연적으로 산화된다. 그러므로 이들 세균의 대사작용에 의하여 철이 산화되는지를 조사하는 것은 매우 어렵다. 특징적인 철세균의 대부분은 협막(sheath)으로 싸인 사상체성 세균으로 Sphaerotilus군에 속한다. 이들의 협막에는 산화철이 축적되어 있다. 이들은 화학종속영양체로서 빨리 생장하기 때문에 순수배양으로 분리할 수 있다. 순수배양에 의해 이들의 협막에 산화철이 축적된다는 것은 알 수 있다 할지라도 이러한 축적이 생리적으로 중요한 과정이라든지 또는 이들이 화학독립 영양체로서 자랄 수 있다는 증거는 없다.

그러나 Thiobacillus ferrooxidans가 2가의 철이온을 산화하면서 화학독립영양적 생장을 한다는 강력한 주장은 이들 세균들이 낮은 pH에서 독립영양적으로 자랄 수 있기 때문에 가능하다. 낮은 pH에서는 Fe²⁺가 화학적으로 안정하기 때문이다. 세포질의 pH가 6.5정도를 유지하기 때문에 이들 생물체의 환경과 세포질막 사이에 4.0이상의 pH농도구배가 형성된다. 이러한 규모의 양성자구동력은 ATP를 합성하는데 충분하다.

이러한 조건하에서의 철의 산화는 pyridine nucleotide의 환원을 위해 전자를 제공하고, 또한 ATP합성, reverse electron transport, 그리고 membrane potential(막전위)에 의해 추진되는 다른 세포 활성(such as flagella motility, some permeases, etc.)등으로 들어가는 양성자의 환원을 위해 전자를 제공하여야 한다. 그러나 respiratory electron transport systems(호흡 전자 전달계)의 중요한 특징인 respiratory proton pump(호흡 양성자 펌프)의 작용이 필요한 것은 아니다.

5) The Hydrogen Bacteria

수소 세균(Hydrogen bacteria)은 탄소원과 에너지원으로 광범위한 유기화합물을 이용할 수 있는 영양적으로 다양한 생물체이다.

Hydrogen bacteria에서 주목할 것은 두가지의 hydrogenase를 가지고 있다는 것이다.

대부분의 hydrogen bacteria는 다음 반응을 촉매하는 hydrogenase(particulate hydrogenase)를 가지고 있다.

H₂

2H⁺ + 2e^-

particulate hydrogenase

전자전달계와 직접적으로 연관된 막과 결합되어 있는 이러한 particulate hydrogenase 이외에도 Alcaligenes와 Nocardia의 일부 종들은 다음 반응을 촉매하는 soluble hydrogenase를 추가적으로 가지고 있다.

NAD⁺ + H₂

NADH + H+

soluble hydrogenase

두 종류의 hydrogenase 중 하나만 있어도 H₂를 이용하여 충분히 생장할 수 있는데 왜 두 종류의 hydrogenase를 생성하는지는 수소농도의 변화에 따른 이들 두 효소의 활성도 차이에서 알 수 있다.

만일 H₂분압이 매우 낮다면 두 번째 반응식에서 평형이 왼쪽으로 기울기 때문에 soluble hydrogenase는 정반응을 촉매하는 기능을 할 수 없다. 따라서 H₂분압이 낮을 땐 particulate hydrogenase에 의한 첫 번째 반응식이 진행되며 이 반응에서는 전자를 NAD에 전달하기 위해 ATP를 소모하면서 역전자전달을 하게 된다.

그러나 H₂분압이 높다면 soluble hydrogenase에 의해 두 번째 반응식의 정반응이 촉매되므로 역전자전달을 거치지 않고 NAD를 환원시킬 수 있기 때문에 에너지를 절약할 수 있다. 이러한 soluble hydrogenase는 H₂분압이 높은 곳에서 생장하기 위한 특별한 적응을 위해 나타난 것이다.

6) The Carboxydobacteria

많은 종류의 세균들은 일산화탄소를 산화시켜 이산화탄소로 전환시킬 수 있다. 비록 이 반응이 표준 자유에너지 감소반응; 발열반응이지만 이들 세균 모두가 CO를 소비하면서 자랄 수 있는 것은 아니다. 이들을 carboxydobacteria라고 하는데 수소세균처럼 다양한 세균들의 분류군에 널리 분포되어 있다. 이들에는 Alcaligenes, Azotobacter, Derxias 및 Pseudomonas의 몇몇 균주들을 포함된다. 실제로 대부분의 carboxydobacteria는 역시 수소세균이기도 하며(역은 성립하지 않는다), H₂산화와 CO산화를 촉매하는 효소들이 독립영양적 생장조건하에서는 동시에 유도되는 경우가 많다.

CO산화에 대한 생화학적 기작은 아직 밝혀지지 않았지만, 적어도 어떤 carboxydobacteria는 수용성 carbon monoxide oxidoreductase(일산화탄소 산화환원효소)를 사용하여 다음과 같은 반응을 촉매하는 것으로 보인다.

CO + H₂O

CO₂ + 2H⁺ + 2e^-

7) 화학독립영양성의 대사적 기초

모든 호기성 화학독립영양성 진정세균은 Calvin-Benson cycle을 이용하여 CO₂를 동화시킨다. 화학독립영양적으로 생장하였을 때 이들 세포에는 이 경로에 특징적인 2가지 효소, 즉 ribulose bisphosphate carboxylase와 phosphoribulokinase가 다량 존재한다.

8) 에너지 보존 및 피리딘 뉴클레오티드 환원

에너지 보존이란 발생한 에너지를 ATP 생성과정을 통해 보존하는 것을 말한다.

Chemoautotroph 중 sulfur oxidizer, hydrogen bacteria, carboxydobacteria, ammonia oxidizer는 종속영양성(heterotrophic) 호흡과 같은 메카니즘(또는 기작, mechanism)으로 전자전달계의 작동으로 생긴 chemiosmotic potential이 막에 결합해 있는 ATPase에 의해 화학적인 결합에너지로 전환됨으로써 에너지를 보존한다.

Iron bacteria(Thiobacillus ferrooxidans)는 다른 mechanism을 이용하지만 막에 결합된 ATPase에 의해 ATP가 생성되므로 넓은 의미로 호흡이라 할 수 있다.

반면에 nitrite oxidizer는 전적으로 기질 수준 인산화 반응에 의해 ATP가 생성된다.

NAD⁺-linked hydrogenase를 가지고 있는 hydrogen bacteria 를 제외한 모든 chemoautotroph에서 공통적인 생화학적 문제는 pyridine nucleotide를 환원시키기 위해 역전자전달이 필요하다는 것이다.

이 mechanism은 열역학적으로 불리한 반응이며 들어온 proton 대부분이 ATP합성보다 역전자전달에 사용되므로 chemoautotroph의 성장 수율은 전형적으로 매우 낮다.

9) 절대적인 독립영양성

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[본문스크랩] 제 2 장. 광합성 세균

* 그람 음성 원핵생물에는 3가지 분명하고 잘 정의된 광합성 세균이 있다.

- 시아노박테리아 또는 청녹 세균(Cyanobacteria or blue-green bacteria)
; 산소성(또는 산소발생) 광합성(oxygenic photosynthesis)
; 운동 : 글라이딩(gliding)에 의함.

- 퍼플 박테리아(Purple bacteria)
; 비산소성(또는 산소비발생) 광합성(anoxygenic photosynthesis)
; 운동 : 편모(flagella)에 의함.

- 그림 박테리아(Green bacteria)
; anoxygenic photosynthesis
; 운동 : gliding에 의함.

1. 광합성 세균의 보편적인 특성

2. 광합성 세균의 주요 군들 사이의 차이점

3. 광합성 세균의 세포 흡수 스펙트럼

4. The Cyanobacteria

5. The Purple Bacteria

6. The Green Bacteria

7. Anoxygenic Photosynthesis에 의한 생태학적 제약

8. 호기성 세균의 박테리오클로로필(Bacteriochlorophyll)

9. Heliobacterium

1. 광합성 세균의 공통적인 특성

* 광합성 세균 : 광독립영양체이며, 따라서 이들은 이산화탄소를 고정할 수 있다.

* cyanobacteria 및 purple bacteria : 리불로스 비스포스페이트 경로(ribulose bisphosphate pathway), 캘빈-벤슨 사이클(the Calvin-Benson cycle).

* green bacteria : 환원적 트리카복실산 사이클(reductive tricarboxylic acid cycle).

1) 광화학적 기구의 구성

*모든 광영양 진정세균에서 광화학적 기구의 분자구성은 기본적으로 같다.
이것은 3개의 주요 구성성분으로 구성되어 있다.

-1차적으로 빛을 모으는 색소 안테나(pigment antenna, = light gathering pigment)
-광화학적 반응이 일어나는 반응 센터(reaction center)
-그리고 ETS(Electron Transport System)

*光이란 光子(photon) 또는 光陽子(light quanta)의 흐름으로서 빛에너지는 파장에 반비례한다. 빛에너지를 식으로 표현하면

h(플랭크상수)와 c(광속도)는 항상 일정하므로 E는 λ(파장)에 따라 달라진다. 광자가 금속판에 도달하게 되면 금속판을 이룬 원자에서 정상궤도를 돌던 e^-(전자)가 이탈하게 된다. 이러한 반응은 클로로필(chlorophyll)에서도 일어난다. 광자가 도달하기전 chlorophyll은 기저 상태(ground state)를 유지하다가 광자가 도달하면 여기 상태(exited state)가 되어 분자에서 π전자가 쉽게 방출된다.

광합성의 1차적인 광화학적 반응은 pigment antenna내의 분자에 의한 광장에너지 흡수에 의해 시작된다. 이 에너지는 reaction center에 도달할 때 까지 antenna내의 분자사이로 이동되며, reaction center에서 이 에너지는 π전자 하나를 클로로필 테트라피롤(chlorophyll tetrapyrrole)의 바깥 궤도로 이동시킨다. 결과적으로 chlorophyll분자는 잠시 강력한 환원제가 되고 곧 인접한 전자수용체에 의해서 산화된다. 따라서 양자의 원래 에너지는 화학적인 일을 하는데 사용될 수 있는 전기적 전하의 이탈(분리)로써 보존된다.

2. 주요한 광합성 세균 군들 사이의 차이점

이들은 3가지 특성에 의해 구별된다.

① 광화학적 기구의 분자 구성
② 광화학적 기구의 구조적 배열
③ 환원제의 광화학적 생성 메카니즘

1) 광화학적 기구(또는 장치)의 화학적 조성

광화학적 장치는 색소 및/또는 막과 결합되어 있거나 막내에 박혀있는 전자운반체의 세트(set)로 구성되지만 그 구성요소의 화학적 조성은 다양하다.

① 광합성 색소(Photosynthetic pigments)

Chlorophyll은 중앙에 마그네슘(Mg)이 있는 사이클릭 테트라피롤(cyclic tetrapyrrole)구조이며 막 단백질과 비공유적으로 연결되어 있다.
Cyanobacteria의 chlorophyll은 chlorophyll a로서 고등식물과 같은 진핵의 광합성 생물체에서 발견되는 것과 같다.
Purple 및 green bacteria는 다른 진핵의 광합성 생물체에는 나타나지 않는 bacteriochlorophyll이라는 것을 가지고 있다. Bacteriochlorophyll은 화학적 구조에 따라 a, b, g와 c, d, e의 두 클래스(class)로 나눌 수 있다.
Purple bacteria는 종에 따라 bacteriochlophyll a나 bacteriochlophyll b중 한가지 형태만을 가지고 있다. 이 중 일부는 pigment antenna에 존재하고, 나머지는 reaction center에 존재한다.
Green bacteria는 두 가지 형태의 bacteriochlophyll이 다른 양으로 존재하는데, 주된 형태는 bacteriochlophyll c, d 또는 e로서 이것은 광을 수확하는(흡수하는) 역할을 하며 소수의 형태는 bacteriochlophyll a로써 이것은 reaction center에 존재한다. Green bacteria의 3개의 chlorophyll(bacteriochlophyll c, d, 및 e)이 화학적으로 차이를 나타내지만 분광학적 성질은 모두 cyanobacteria의 chlorophyll a와 매우 유사하다(흡수치의 범위는 약 640-660nm). 대조적으로 purple bacteria의 bacteriochlophyll a는 C₃와 C₄위치에, bacteriochlophyll b는 C₃에 부가적인 H와의 결합으로 C₃, C₄사이에 이중 결합이 아닌 단일 결합이 형성되어 있으며(saturated;포화되어있으며), 이것 때문에 다른 chlorophyll과는 다른 분광학적 성질을 나타낸다.

Chlorophyll a와 bacteriochlorophyll은 모두 5-아미노레불리네이트[aminolevulinate(ALA)]로부터 합성되지만, purple 및 green bacteria의 경우, ALA는 글라이신(glycine)과 숙시닐(succinyl)-CoA와의 축합(또는 응축)반응의산물인 반면, cyanobacteria의 경우에는 L-글루탐산(glutamic acid)으로부터 만들어진다.

페오피틴(Pheophytin)은 마그네슘(Mg)이 없는 chlorophyll로서, pheophytin a는 식물과 cyanobacteria의 광계 II의 reaction center에서 중간 전자 수용체 역할을 한다.

피코빌리단백질(Phycobiliprotein)은 cyanobacteria와 홍조류의 주요한 광흡수색소이며 세포의 가용성 단백질의 60%이상을 차지하고 있다. Cyanobacteria는 정지기에 도달하면 아르기닌(arginine)과 아스파트산(aspartic acid)의 공중합체(copolymer)인 시아노피신(cyanophycin)이라는 질소저장물질을 축적해서 가지고 있다가 질소원이 고갈되었을 때 이를 질소원으로 사용하는데, 이러한 저장된 cyanophycin이 없는 질소 제한 조건하에서 phycobiliprotein은 2차적인 질소원으로써 역할을 한다.

Carotenoid는 광합성에서 두가지 기능을 한다. 하나는 spectrum이 400-550nm사이의 청녹 지역(blue-green region)에서 빛을 흡수하는 광흡수색소로서의 기능이며, 다른 하나는 광산화적(photooxidative) 손상으로부터 광합성장치를 보호하는 것이다.

2) 광합성 세균에서 광화학적 장지의 위치

광합성세균의 주요한 세 group은 광화학적 장치의 위치가 서로 다르다.

①Purple bacteria는 함입된 원형질막내에 reaction center, ETS, antenna pigment가 존재한다.

②Green bacteria는 원형질막내에 reaction center와 ETS가 존재하며 클로로좀(chlorosome)에 antenna pigment(bacteriochlorophyll c, d, e)가 존재하고 baseplate에 antenna pigment로써 bacteriochlorophyll a가 존재하는데, 이것은 reaction center pigment가 아닌 antenna pigment의 역할을 한다.

③Cyanobacteria는 단위막으로 싸여있는 틸라코이드(thylakoid)에 reaction center와 ETS가 위치해있으며 반구체모양의 피코빌리좀(phycobilisome)에는 antenna pigment가 위치해 있다.

3) 환원제의 광화학적 생성

Photoautotroph는 탄소원으로 매우 산화된 형태인 CO₂를 이용하기 때문에, 흡수를 위한 과정에서 탄소를 환원시켜야만 한다. 이때 사용되는 환원제는 환원형의 피리딘 뉴클레오티드[pyridine nucleotide(NADH 또는 NADPH)]이다. 이러한 환원제의 생성과정은 세균에 따라 다르다.

① Cyanobacteria

(비순환 광인산화(noncyclic photophosphorylation);"Z"자와 비슷하다하여 "Z-scheme"이라고도 함)

Cyanobacteria의 광합성에서 물의 기능은 산화형의 광계I을 환원시키는 것이다. 그러나 물은 산화형의 광계I을 환원시킬 수 없는 약한(E'₀ = +810mV) 환원제이기 때문에 이 반응이 직접 일어나지는 않는다. 대신 광계I은 여기상태의 광계II로부터 전자를 받아서 환원되며 산화형의 광계II는 물에 의해 환원된다.

②Green Bacteria

Cyanobacteria처럼 여기상태의 광계가 낮은 전위(potential)의 iron-sulfur protein을 환원시키며 차례로 페레독신(ferredoxin)을 환원시킨다. 환원형의 ferredoxin은 이산화탄소를 고정하는 레독스(redox; reduction+oxidation) 반응에 직접적으로 참여하며 또한 피리딘 뉴클레오티드(pyridine nucleotide)를 환원시킬 수 있다. 산화형의 광계는 환원형의 황화합물로부터 유도된 전자에 의해 환원된다. 왜냐하면 이러한 화합물은 특징적으로 낮은 환원 전위[reduction potential(about -200mV)]를 가지고 있어서 제 2 의 광계를 필요로 하지 않기 때문이다.

③Purple Bacteria

순환적 광인산화동안 만들어 놓은 proton motive force를 이용하여 역전자전달을 시킨다. 왜냐하면 iron-sulfur protein이 없기 때문에 quinone이 전자를 받아서 Reverse Electron Transport 시킨다.
- 환원제 생성에 필수
- 에너지 효율면에서 불리한 점

Purple bacteria의 광계에서 최초의 안정한 환원형의 중간 생성물은 약 -100mV의 reduction potential을 갖는 quinone이며, 따라서 이것은 pyridine nucleotide를 환원시킬 수 없다. 두가지 mechanism이 이 reduction을 수행하는데 사용된다. 수소분자가 전자 공여체(electron donor)일 때, 효소 hydrogenase에 의해 촉매된 반응에서 hydrogenase에 의해서 직접 환원될 수 있다. 그러나 higher reduction potential을 가진(그러므로 pyridine nucleotide를 직접 환원시킬 수 없는) 환원형의 황화합물이 electron donor일 때는 reverse electron transport에 의해 NAD(P)+를 환원시킨다. 이런 경우에 광계는 환원제를 제공하기 보다는 차라리 reverse electron flow를 유도하는 protonmotive force를 생성한다.

3. 광합성 세균의 세포 흡수 스펙트럼

광합성 장치에서 모든 색소가 빛을 흡수하는 데에 있어서 동등하게 효과적이지는 않지만(chlorophyll a는 cyanobacteria에서 발견되는 phycobiliprotein보다 비효과적이다), 광합성 생물들의 세포흡수 스펙트럼은 광합성을 수행하기 위해 사용되는 스펙트럼 영역의 기복을 보여준다.

광합성 원핵생물들은 각각 chlorophyll, carotenoid, phycobiliprotein에 의해 만들어진, 빛흡수에 대한 특이적인 기여도를 가지는데 이것은 각 광합성 원핵생물군의 세포흡수 스펙트럼 특징이 명확하다는 증거이며 스펙트럼은 상당히 상보적인 관계에 있다.

Cyanobacteria에서는 phycobiliprotein과 chlorophyll a에 의해 대개 550-700nm사이에서 빛이 흡수된다.
Green bacteria에서는 주요한 흡수 밴드가 red region에서 상당거리 떨어져서 존재하며 700-800nm사이이고, 이것은 빛을 흡수하는 bacteriochlorophylls(c, d, 또는 e)의 특징 때문이다.
Purple bacteria에서 주요한 흡수 밴드는 대개 적외선 region가까이에 놓여 있으며, 하나 또는 그 이상의 peak에 의해 나타나며 이는 bacteriochlorophyll a 또는 b에 기인한 것이다.

이렇게 세 개 군의 세균들이 흡수하는 스펙트럼은 서로 상보적이며 따라서 모두 다른 파장이다. 이는 흡수 spectrum이 모두 같을 경우에 일어날 수 있는 경쟁이 나타나지 않는다는 것을 의미하며, 따라서 3가지 세균이 서로 피해를 주지 않고 모두 존재할 수 있으므로 생태학적으로 큰 의미를 갖는다.

1) 광합성 세균의 색깔

* Purple bacteria : 갈색, 붉은 색 또는 자주색 - be determined largely by their carotenoid complement.

* Green bacteria : 황록색, 오렌지색 또는 갈색 - depend on their carotenoid composition.

* Cyanobacteria : phycobiliprotein에 의해 큰 영향 받음.
phycoerythrin 없으면 청록색,
phycoerythrin 있으면 적색, 보라색, 갈색, 거의 흑색.

4. The Cyanobacteria

- 그람 음성 세균
- Ability to perform oxygenic photosynthesis
- Motility occurs by gliding
- All are photoautotrophs
- Assimilation of CO₂ occurs through the Calvin-Benson cycle, with the formation and deposition of glycogen as intracellular reserve material.

많은 cyanobacteria들은 절대적인 광독립영양생물(obligate photoautotroph)이며, 따라서 탄소원과 에너지원으로 유기물을 소모하면서 암소에서 성장하는 것은 전혀 불가능하다. 이용할 수 있는 탄소원과 에너지원이 제한된 범위에 있다는 것은 TCA cycle이 없다는 것을 나타낸다.
Cyanobacteria는 TCA cycle의 key enzyme인 α-ketoglutarate dehydrogenase가 결핍되어 있다. 암소에서 호흡대사는 주로 산화적인 pentose phosphate cycle을 통해 일어난다.
Cyanobacteria의 절대적인 광독립영양생물적 특징은 당을 세포내로 운반하는데 필요한 효소인 특이적인 permease의 결핍에 의해 기인하여 나타난다.

1) Nitrogen Fixation

Cyanobacteria는 산화적인 광합성을 할 수 있으면서 질소를 고정할 수 있는 유일한 생물체이다. 이들은 가장 간단한 nutrient를 필요로 하기 때문에 공기에 노출된 무기배지에서 탄소원으로 CO₂, 질소원으로 N₂를 소비하면서 빛에서 성장할 수 있다.
질소고정은 특수화된 형태의 세포인 heterocyst(異質細胞)에서 일어나며 heterocyst는 소수를 제외한 질소를 고정하는 filamentous cyanobacteria에서 만들어진다.
이러한 cyanobacteria는 복합질소원(nitrate, ammonia)이 공급될 때는 heterocyst를 만들지 않으며 nitrogenase 합성도 억제되지만 복합질소원이 고갈되었을 때는 heterocyst형성과 nitrogenase 합성이 모두 일어난다.
영양 세포(Vegetative cell)로부터 heterocyst의 분화는 ①새로운 두꺼운 outer wall layer의 합성, ②세포의 두 극을 가까이 모이게 하는 광범위한 thylakoid의 재구성, ③그리고 heterocyst와 각 vegetative cell이 붙어있는 지점에 잘록하고 특수화된 극의 연결부위의 형성에 의해 이루어진다.
그러나, 하나의 동일한 생물체에서 산화적인 광합성과 질소고정이 동시에 일어난다는 것은 분명한 파라독스(paradox)이다. 왜냐하면 질소고정은 본질적으로 혐기적으로 진행되며 그 key enzyme인 nitrogenase는 산소의 매우 낮은 부분압에서도 비가역적으로 불활성화되기 때문이다.
그렇다면, 어떻게 산화적인 광합성과 질소고정과정이 공존할 수 있는가?
성숙한 heterocyst는 정상적인 chlorophyll a 성분은 거의 가지고 있지만, 광계II의 본질적인 antenna pigment인 phycobiliprotein은 결핍되어 있다.
또 heterocyst는 매우 빠른 호흡속도를 가지고 있다.
광계II의 결핍으로 H₂O가 분해되지 않아서 O₂가 안 만들어지고, 또한 빠른 호흡속도로 O₂가 빨리 소모되기 때문에 heterocyst내의 O₂분압은 매우 낮게 유지되어 질소고정이 일어날 수 있는 환경이 만들어지게 되는 것이다.
Heterocyst와 vegetative cell은 상호의존적이다. Vegetative cell은 광합성을 통해 단당류, 이당류를 heterocyst에 전달하고 heterocyst는 이를 분해시키면서 나오는 전자를 ferredoxin에 전달하여 ferredoxin을 환원형으로 만들고 환원형의 ferredoxin은 전자와 H⁺를 N₂에 전달하여 N₂를 NH₃형태로 고정시키게 되며 NH₃는 vegetative cell이 아미노산을 만드는데 사용된다.
Nonheterocystous cyanobacteria는 N₂고정과 산화적광합성을 동시에 수행할 수 없지만, 많은 nonheterocystous filamentous cyanobacteria는 복합질소원이 감소되기 시작하면 nitrogenase를 합성하는 능력을 가지고 있다. 이 부분에 놓인 딜레마(dilema)는 nonheterocystous filamentous cyanobacteria가 facultative anoxygenic photosynthesis를 할 수 있다는 최근 demonstration에 의해 설명된다.
단세포성 cyanobacteria에서의 질소고정은 Gleothece속에서만 유일하게 발견되고 있다.

2) Anoxygenic photosynthesis

염도가 높은 호수에서 Oscillatoria limnetica가 혐기적으로 CO₂의 황화물-의존성(sulfide-dependent) 광동화 (photoassimilation)를 할 수 있음이 발견되었다. sulfide는 광계 II의 기능을 억제하고(∵전자를 H₂O에서 받을 수 없다), 광계 I으로 전자를 공급할 수 있게 하는 효소계(enzyme system)를 유도시킨다.

3) 색소 합성의 조절

피코에리트린(Phycoerythrin)을 생성하는 많은 균주들은 complementary chromatic adaptation의 mechanism에 대해서는 잘 알려져있지 않지만, phytochrome과 유사하나 동일하지는 않은 조절적인 광감수성 색소(regulatory light-sensitive pigment)에 의해 중계된다는 증거가 있다. Phytochrome은 식물의 생장과 분화에서 광조절을 하는 biliprotein이다.

4) 생태학

Cyanobacteria는 다른 photosynthetic procaryotes보다도 광범위한 영역의 서식처를 차지하고 있다.

서식처(habitats) : 토양, 담수, 해수, 열대의 토양, 빙하, 화산활동에 의해서 노출된 토양, 중성 또는 알카리성 온천.
- 호열성(thermophilic) cyanobacteria의 단세포성 개체는 75℃이상의 온도에서도 자랄 수 있다.
- 사막에서 소량의 습기가 존재하고 광합성에 충분한 양의 빛이 투과할 수 있는 바위표면 바로 밑의 작은 틈새.

Eutrophication(부영양화 현상)이 있는 호수(mineral nutrients, phosphate, nitrate가 풍부함)에서 단세포성 그리고 사상형태의 cyanobacteria는 1년중 따뜻한 계절에 대량으로 증식한다. 이들은 대부분 가스포를 가지며, 온화한 날씨에는 개체군이 표면으로 부유하여 소위 bloom을 형성한다. Cyanobacteria는 일반적으로 eucaryote와 공생관계를 갖는데, 이러한 관계에서 이들의 역할은 종속영양성 상대에게 고정된 탄소를 공급하거나 다른 광독립영양생물에게 고정된 질소를 제공하는 것이다.

5. The Purple Bacteria

분류학적으로 purple bacteria는 30여 종으로 구성된 G(-) eubacteria의 작은 군이다. 이들은 단세포성이며 이분법(binary fisson)에 의해 증식하고 일부는 출아법(budding)에 의해 증식한다. 대부분은 편모로 이동하지만 비운동성인 것도 있다. 어떤 것은 가스포를 형성한다. 혐기적 조건하에서는 일반적으로 질소고정을 한다.

모든 purple bacteria는 photoautotroph(적어도 잠재적으로)이며 electron donor로서 환원된 무기 화합물을 이용하고 탄소원으로써 CO₂를 이용하여 빛이 존재할 때 혐기적 상태에서 성장할 수 있다. 이러한 조건하에서 Calvin-Benson cycle은 carbon assimilation(탄소동화)의 주된 회로이다. 그러나 purple bacteria는 빛이 존재하는 혐기적 조건하에서 아세테이트(acetate)와 같은 유기물을 이용하여 광종속영양적으로 증식할 수 있다. 이러한 환경에서는 CO₂도 동화되기는 하지만 세포구성물질은 대부분 유기질로부터 유래된다.

만일 유기 기질(organic substrate)이 세포물질보다 더 환원되었다면 동시에 일어나는 CO₂의 흡수가 매우 중요하게 되는데, 그 이유는 CO₂의 환원적 동화(reductive assimilation)가 유기물질의 산화로부터 유래되는 전자에 대한 수용체를 제공하기 때문이다. 이 점은 purple bacteria에 의한 두 지방산, 즉 acetate와 부티레이트(butyrate)의 광대사경로를 고려해 볼 때 설명될 수 있다. 두 화합물은 빛이 존재하는 혐기적 상태에서 많은 purple bacteria에 의하여 재빨리 동화되고, 먼저 저장물질인 poly-β- hydroxybutyric acid로 CO₂가 존재해야만 한다. Acetate가 poly-β-hydroxybutyric acid로 전환되는 반응은 reductive process이며 butyrate로 부터 poly-β-hydroxybutyric acid의 형성은 oxidative process이다.

1) Purple bacteria의 구성군

Purple bacteria는 생리적, 생태적으로 구별되는 차이에 의해 관례상 purple sulfur bacteria와 purple nonsulfur bacteria로 분류되어 왔다. 대부분의 purple sulfur bacteria는 electron donor로서 H₂S(황화수소)를 이용하여 광독립영양적 대사를 하는 절대 혐기성 세균이다. Purple nonsulfur bacteria는 주로 광족속영양적 대사를 수행하나 이들은 낮은 농도의 황화물에서도 증식이 억제될 정도로 H₂S에 민감하게 반응을 나타내지만, sulfide(황화물)의 농도가 매우 낮게 유지되면 빛이 존재하는 곳에서 혐기적으로 sulfide를 산화시킬 수 있다. Purple bacteria의 두 아군의 대부분은 electron donor로서 H₂를 이용하여 광독립영양적으로 성장할 수 있다. Purple sulfur bacteria는 절대광합성생물체인 반면, 대부분의 purple nonsulfur bacteria는 암소에서 호기적으로 증식할 수 있다. 이러한 균주는 호기성 전자전달계를 가지며, 따라서 호흡능력도 갖고 있다. 그들 중 일부는 피루베이트(pyruvate)나 sugar의 발효(fermentation)를 이용하여 암소에서 매우 느리기는 하지만 혐기적으로 성장할 수 있다. Purple nonsulfur bacteria는 일반적으로 유기물은 존재하지만 sulfide가 없거나 저농도로 존재하는 담수호(freshwater lake)나 연못에서 서식한다. Purple sulfur bacteria의 일반적인 서식처는 sulfide가 풍부히 존재하는 물로서, 이곳에서는 sulfate-reducing bacteria에 의해 황화물;sulfide가 생성된다.

2) Purple sulfur bacteria

이들의 특징적인 광대사는 주로 Calvin-Benson cycle에 의한 CO₂의 동화와 관련이 있고 cyclic photophosphorylation에 의해 ATP를 제공받으며, reverse electron transport에 의해 환원력을 얻는다. Electron donor인 H₂S는 elemental sulfur를 거쳐 sulfate로 산화된다.

Purple sulfur bacteria에 의한 H₂S의 산화는 항상 다량의, 그러나 일시적인 S⁰의 축적을 유도하는데, 그것은 이러한 반응의 첫 단계가 S⁰에서 SO₄^2-로 산화되는 반응보다 상당히 빨리 진행되기 때문이다.

3) Purple nonsulfur bacteria

Purple nonsulfur bacteria에 의하여 광동화될 수 있는 유기화합물의 범위는 매우 넓다. 즉, 지방산, 다른 유기산, 1차 알콜 또는 2차 알콜, 탄수호물 그리고 방향족 화합물까지도 포함된다.

6. The Green Bacteria

Green bacteria는 purple bacteria보다 더 작은 G(-) bacteria의 분류군이다. 이 군의 생리적, 영양적 특성은 purple bacteria의 특성과 유사하다.

1) The green sulfur bacteria

이들 아군의 구성원은 절대적인 혐기성 광독립영양생물이며, H₂S나 다른 환원형 무기화합물 또는 H₂를 electron donor로 이용한다. H₂S의 산화에 의해 형성된 S⁰는 세포외부에 축적되며(Ectothiorhodospira에서 처럼), sulfate의 산화에 앞서 산화된다. Green sulfur bacteria는 sulfur source로써 sulfate를 이용할 수 없기 때문에, H₂를 electron donor로 이용하여 생장할 때 생합성에 sulfide를 필요로 한다.

질소고정은 공통적으로 일어난다. Green sulfur bacteria는 CO₂를 TCA cycle의 역반응(환원적 TCA cycle)에 의하여 동화한다. 고세균인 sulfolobus도 환원적 TCA cycle을 이용한다는 최근의 정보는 이 회로가 덜 진화된 경로이며, Calvin-Benson cycle은 좀 더 진화된 경로임을 시사한다.

7. Ecological Restrictions Imposed by Anoxygenic Photosynthesis

광합성을 수행하기 위해서 anoxygenic phototroph(산소비발생 광영양체)는 혐기적 상태를 필요로 하며, 물보다는 다른 유기물질 또는 환원형 무기화합물을 필요로 한다. 이러한 제약은 cyanobacteria와 photosynthetic eucaryote에는 적용되지 않는다. 그러므로 purple sulfur bacteria와 green sulfur bacteria는 제한된 특정 서식처에만 존재하며, 생물권(biosphere)에 있어서 광합성적 생산성에 대한 양적 기여도는 무시해도 될 정도이다.

Purple and green bacteria는 빛의 강도가 강한 물의 표면근처에서도 자랄 수 있는데, 그 이유는 일반적으로 물의 표면이 oxygenic phototroph의 증식에 의해 덮여 있기 때문이다. 그러므로 이러한 환경에서 윗부분에 위치한 호기성 광합성 생물을 지나 전달되는 매우 긴 장파장의 빛을 흡수할 수 있는 능력은 그들의 생존에 매우 중요하다고 할 수 있다. 광합성에 이용되는 빛은 적색 또는 근적외선 영역으로 bacteriochlorophyll에 의해서 거의 완전히 흡수된다.

Purple and green bacteria가 많이 존재하는 제 2 의 환경은 상당히 깊은 호수로서 특히 meromictic lake(부분순환호)인데 영구적인 수층이 특징적이다. 따뜻하고 호기적인 상층에서 10-30m 정도 깊이에는 차갑고 산소가 없는 층이 존재한다.

Purple and green bacteria가 발견되는 깊이에서는 450-550nm의 파장 중 녹색과 청록색의 빛만이 투과되도록 상층의 수층 자체가 효과적인 빛의 여과작용을 함으로써, 이들의 생장에 필요한 혐기적 환경이 만들어진다. 빛을 흡수하는 색소의 역할은 주로 bacteriochlorophyll이 아닌 carotenoid에 의하여 일어난다.

8. 호기성 세균의 Bacteriochlorophyll

다양한 호기성 세균들은 상당히 많은 양의 bacteriochlorophyll a를 합성한다. 분광적 증거를 토대로 한 해양생물의 생태적 연구에 의하여 조간대(intertidal)와 원양(pelagic)의 호기성 생물체 중 1%정도와 해변가의 모래에서 분리된 호기성 생물체 중 6%정도가 bacteriochlorophyll을 만든다는 것이 밝혀졌다.

이들 bacteria중 가장 잘 연구된 것은 절대호기성 세균인 Erythrobacter이다. 이 생물체의 균주들은 건조중량 mg당 약 0.1-0.5㎍의 bacteriochlorophyll을 생산한다. 이 수치는 purple bacteria가 혐기적 상태에서 생산하는 bacteriochlorophyll의 양(일반적으로 건조중량 mg당 0.2-1.0㎍정도)만큼 높은 것이다.

Bacteriochlorophyll은 Erythrobacter에서 기능을 갖는 것 같아 보이는데, 이는 빛에 의존한 cytochrome의 환원과 산소소비의 억제가 광화학적 ATP를 생성시킴을 나타낸다.

9. Heliobacterium

매우 특이한 광영양 세균이 호기성 토양에서 분리되었는데, 이를 Heliobacterium chlorum이라고 명명하였다. Heliobacterium의 유일한 광색소는 bacteriochlorophyll g라는 새로운 bacteriochlorophyll이다.

16S rRNA의 분석을 통해 Heliobacterium이 purple bacteria나 green bacteria보다 Clostridium과 더욱 상관관계(relationship)가 가깝다는 것이 밝혀졌다.

[본문스크랩] 제 1 장. 고세균

* Characteristics of living organism

① 생물은 구조적으로 매우 복잡하며 고도로 조직화되어 있다. 생물은 복잡한 내부구조를 가지고 있고, 복잡한 종류의 분자들을 포함하고 있다. 반대로 우리의 환경에 있는 무생물(예컨대, 진흙, 모래, 바위 및 바다물)은 상대적으로 간단한 화학적 화합물로 구성되어 있다.

1. 진정세균(Eubacteria)과 고세균(Archaebacteria)의 차이

2. 메탄 생성 세균[The Methanogens (methane producing bacteria or methanogenic bacteria)]

3. 호염성 세균(The Halophiles)

4. 호열호산성 세균(The Thermoacidophiles)

1. Eubacteria와 Archaebacteria의 차이의 요약 설명

* 세포화학적 차이

- 막 구성지질(인지질) : 리피드(lipid)의 차이

eubacteria : 진핵생물(eukaryote)처럼 글라이세롤(glycerol)간의 탄화수소들이 에스테르 결합을 하고 있다.
archaebacteria : 이소프레노이드 곁사슬('측쇄'라고도 부름)(isoprenoid side chain)이 존재하며, 에테르 결합을 하고 있다.

- 펩티도글리칸(Peptidoglycan)(murein이라고도 함)

archaebacteria의 peptidoglycan : 슈도뮤레인(pseudomurein)(여기서, 'pseudo'란 '허위' 또는 '거짓'을 뜻함)

당유도체(backbone) → eubacteria ; G(N-acetylglucosamine)와
; M (N-acetylmuramic acid)으로 구성되어 있으며, 이 둘사이는 β(1,4) 글리코시드 결합(glycosidic bond)으로 결합되어 있다.

→ archaebacteria ; G(N-acetylglucosamine)와
; T(N-acetyltalosaminuronic acid)로 구성되어 있으며, 이 둘사이는 β(1,3) 결합으로 결합되어 있다.

* 분자 생물학적 차이

-RNA 효소
-tRNA 효소에서의 차이가 있다.

*계통분류학적 차이(Phylogenic Taxonomy)

-16s rRNA(계통분류학적 분석; 언제 분기했는가)

; 핵산을 비교, 분석하는 것이 권장된다.
; DNA가 좋은 재료이지만 거대분자(macromolecule)이므로 rRNA이용한다.
; S_J(Simiarity Coefficient) : 유사도 지수, 범위 : 0.0-1.0(1.0가까울수록 relatedness높다)
;eubacteria사이 S_J = 0.2 or larger
;archaebacteria사이 S_J = slightly less(0.2)
;between eubacteria with archaebacteria S_J = 0.1 or less
⇒0.2보다 값이 낮은 것이 중요, 즉 relatedness가 멀다(없다)

1) 진정세균과 고세균의 차이 정리

① 인지질내의 결합

일반세균 : 지방산과 글리세롤사이에 ester결합
고세균 : ether결합

② R group에 일반세균은 fatty acid가 오는데(single bond) 고세균은 소수성 side chain을 가진 isoprene(systematic name : 2-Methyl-1,3-butadiene)이 온다(double bond; ∵alkene group)

③고세균은 2가지의 인지질 구조가 있다.

1)Glycerol diether
glycerol-ether linkage-isoprenoid chain
-ether linkage-isoprenoid chain → 지질 이중층(lipid bilayer)

2)Diglycerol tetraether
-ether linkage-isoprenoid chain-ether linkage-glycerol
glycerol -ether linkage-isoprenoid chain-ether linkage- → 지질 단일층(lipid monolayer)

2) 고세균의 구성군

고세균은 대사적 또는 생태학적 특성에 근거해서 세 개의 주요군으로 나눌 수 있다.

① 메타노젠;메탄생성균[methanogen(methane producing bacteria)]
: 독특한 에너지 대사의 최종 산물로서 메탄을 생성한다.

② 호염균(halophiles)
서식지 : 높은 염도를 나타내는 환경

③ 호열호산성균(thermoacidophiles)
서식지 : 고온 및 낮은 pH

3) 고세균의 지질

* 고세균에서는 2가지 유형의 지질 구조가 발견된다.
- 글리세롤 디에테르 및 디글리세롤 테트라에테르(glycerol diether and diglycerol tetraether)

* 일반적으로 thermoacidophiles는 주로 dibiphytanyl tetraether를, halophiles는 주로 diphytanyl diether를 가지고 있다. Methanogen에서는 2가지 다른 패턴으로 나누어진다. coccoid cell은 diphytanyl diether만을 가지고 있는 반면, 나머지는 diphytanyl diether와 dibiphytanyl tetraether를 모두 가지고 있다.

2. 메탄생성균[The Methanogens (methane producing bacteria or methanogenic bacteria)]

유기 물질의 부식이 일어나고 있는 대부분의 혐기성 환경에서 생물학적인 메탄 생성은 지구과학적으로 중요한 의미가 있다.

* 환경 : 늪, 호수침전물, 동물의 장내부분, 혐기성 하수 부식물질.

이것은 다른 혐기성 세균에 의해 형성된 발효 산물(CO₂, H₂, formate, acetate)을 메탄 또는 메탄과 CO₂로 변환시키는 매우 특수한 세균군의 활동에 의해 일어난다.

메탄은 물에 잘 녹지 않는 기체상태이기 때문에 혐기성 환경을 벗어나서 혐기성 및 호기성 조건이 접하는 영역에서 사는 호메탄균과 같은 세균군에 의해 호기적으로 산화될 수 있다.

* Mesophiles : 메탄과 같은 단순한 유기화합물(탄소하나로 이루어진 화합물)을 분해하여 에너지 이용하며, 메탄을 섭취(?)하여 이산화탄소로 분해(↑)시키는 세균.

Methanogen은 혐기성 생태계에서 다량의 유기물질이 격리되는 것을 막아주는 역할을 한다.

그대로 두었을 경우, 순환이 안될 탄소를 methanogen이 순환시킨다.

즉, 탄소의 순환에 중요한 역할을 한다.

1) 독특한 보조인자

Methanogen은 다른 세균에서 발견되지 않는 몇가지 보조인자를 가지고 있다.
그들 중 셋[메타노프테린(methanopterin), 메타노푸란(methanofuran) 및 CoM]은 이산화탄소가 메탄으로 환원될 때, C₁ unit의 운반체이다; Factor 420은 이 환원과정에서 수소 운반체로서 기능을 하며 Factor 430(an unusual nickel tetrapyrrole)은 이 환원과정에서 마지막 효소인 methyl-CoM reductase의 prosthetic group이다. 일부 methanogen은 생장 인자로서 CoM을 필요로 한다.
#prosthetic group : apoenzyme에 강력히 결합되어 있는 상태의 cofactor or coenzyme을 말함.

2) 에너지 대사

Methanogen이 에너지원으로서 이용하는 화합물은 한정적이다. 일부 포르메이트, 아세테이트, 메탄올, 메틸아민을 에너지원으로 이용하는 균주도 있지만 대부분의 methanogen은 전자공여체로서 H₂를 그리고 전자수용체로서 CO₂를 에너지원으로 이용한다. ATP합성과 연관된 메탄생성 메카니즘(methanogenesis mechanism)은 알려지지 않았지만, 대부분의 methanogen에는 시(사이)토크롬(cytochrome)과 퀴논(quinone)이 없다. 따라서 통상적인 전자전달은 일어나지 않는다. 그럼에도 불구하고 chemiosmotic membrane potential에 의해 에너지 보존이 중계되는데, 이는 양성자 구배(proton gradient)를 와해시키는 약품을 처리했을 때 ATP농도가 급격히 감소하는 것으로 알 수 있다.

* methanogen에서의 양자구동력(protonmotive force) 형성
- 세포막 밖의 H₂가 2H⁺로 산화되고 분리된 2e^-는 막내의 hydrogenase라는 효소에 전달된다.
- 산화형의 F420이 막의 안쪽의 2H⁺와 결합하여 환원형의 F420이 된다.
- 환원형의 F420은 methanogenesis의 각 부분(필요한 부분)에 2H를 공급한다.
- 막 밖은 [2H⁺]가 증가하게 되고 막 안쪽은 [2H⁺]가 감소하게 되어 proton gradient가 형성되고 protonmotive force가 형성된다.

# protonmotive force : an energized state of a membrane created by expulsion of protons usually occurring through action of an electron transport chain.

Protonmotive force는 막에 결합된 ATPase에 의해 ATP로 합성된다. ATPase는 막의 안쪽에 여러개 소단위로 구성된 머리부분과 막의 안과 밖에 결쳐있는 꼬리 부분으로 구성되어 있다. ATPase는 가역반응을 촉매하여 양자구동력을 소비함으로써 일부를 ATP합성에 이용하기도 하고 ATP를 가수분해하여 H⁺를 밖으로 방출하기도 한다.

* 이 과정에 영향을 주는 chemicals
- inhibitors : 전자전달 방해 ;inhibitors block electron flow.
- uncouplers : 전자전달을 방해하진 않지만 proton gradient를 와해시킴.
(;uncouplers dissipate the proton motive force and hence inhibition of ATP synthesis.)

막에는 ATP → ADP + Pi의 가역반응을 촉매하는 특수한 효소 ATPase가 있기 때문에 세포가 양자 구동력을 ATP합성에 이용할 수 있다. 양자 구동력은 ATPase의 활성을 통해 ATP합성에 이용된다.

# Chemiosmosis : the use of ion gradients, especially proton gradients, across membranes to generate ATP.

3) 황산염에 의한 메탄생성의 저해

* 황산염이 풍부한 환경(바다)에는 황환원세균이 많이 존재하는데, 황산염을 환원시키기 위해 H₂를 필요로 하기 때문에, 이러한 환경에서 황환원 세균은 methanogen과 H₂를 경쟁적으로 취하려 하며, 이 결과 methanogenesis를 저해하는 요인이 된다.

4H₂ + SO₄^2-

H₂S + H₂O

황환원 세균

따라서 바다보다는 담수와 육지에서 methanogenesis가 일어난다.
황환원세균은 전자공여체로 메탄생성균과 똑같은 H₂를 이용하기 때문에, 경쟁으로 인해 methanogen에 H₂공급이 원활치 않게 된다.

# 최종 전자 수용체에 따른
①(aerobic) respiration(호기적 호흡) : O₂②fermentation(발효) : organic compound(세포내 유기화합물)
③anaerobic respiration(혐기적 호흡) : O₂이외의 무기물 ex)SO₄(황산염), NO₃(질산염)
⇒①과 ③은 최종 전자 수용체(final electron acceptor)가 외부에서 공급되며 ②는 외부에서 공급되지 않는다.
⇒황환원세균(sulfate reducing bacteria)은 혐기적 호흡을 하는 생물체이다.

4) Carbon Assimilation(탄소동화작용)

* 대부분의 methanogen은 유일한 탄소원으로 이산화탄소를 이용한다(독립영양생물: autotrophs).
* 탄소동화회로는 Calvin-Benson cycle과 reductive TCA cycle이 대표적이나 methanogen에서는 발견되지 않으며, 대신 Carbon monoxide pathway가 발견되었다 →이산화탄소 환원.(found in some sulfur-reducing bacteria and some clostridia.)

5) 생태학

* Methanogen은 다량의 유기물이 혐기적 상태에 격리되는 것을 막아주는 역할을 함으로써 탄소의 순환에 중요한 역할을 한다.

* Hydrogenase : Km값이 매우 낮다.
Km은 친화도(affinity)에 관한 것으로 속도가 증가할 수록 Km값은 줄어들고 속도가 줄어들수록 Km은 증가한다. 효소에 따라 기질과의 친화도가 높고 낮음을 나타낸다. 친화도가 높을수록 Km값은 낮아진다.

* Methanogen의 hydrogenase는 Km값이 낮다, 즉 affinity가 높다. 따라서 주위의 수소분압은 소모되어 낮은 상태를 유지한다.

* 혐기성세균의 H₂이용

NADH + H⁺

NAD⁺ + H₂

혐기성세균이 메탄생성균과 함께 존재하면 메탄생성세균이 H₂를 소모해버리기 때문에 화학반응의 평형이 오른쪽으로 치우친다.

NADH + H⁺

NAD⁺ + H₂

NADH보다 NAD⁺가 더 많이 만들어지게 되어 산화반응이 더욱 진행되므로 정상때보다 더 산화된 최종 산물이 생성된다.
높은 수율의 ATP와 biomass가 만들어진다. 이와 같은 현상을 interspecies hydrogen transfer(종간수소전달)라고 한다.

<중요> Interspecies hydrogen transfer

Methanogen의 hydrogenase의 Km값은 활발한 methanogenesis가 일어나기에 충분할 만큼 낮은 H₂분압을 유지시켜주며 이러한 낮은 H₂분압은 혐기성세균이 NADH를 다시 산화시키도록 한다. 이러한 hydrogenase는 혐기성세균에 널리 분포되어있다. 혐기성세균을 순수배양시키면 화학평형이 왼쪽으로 치우쳐 있기 때문에 NADH의 재산화가 이루어지지 않는다. 그러나 메탄생성균과 함께 배양시키면 메탄생성균의 methanogenesis로 인해 연속적으로 H₂가 소모되어 낮은 H₂분압이 만들어지며 혐기성세균은 NADH를 산화시켜 NAD⁺를 많이 만들게 되어 산화반응이 더욱 진행되므로 정상때보다 더 산화된 end product가 생산되고 높은 수율의 ATP와 biomass가 증가하게 되어 결국 cell은 활발하게 증식하게 된다. 이러한 현상을 interspecies hydrogen transfer라고 한다.

3. 호염성 세균

1) 호염성 세균에서의 광인산화

대부분의 halophile은 절대적으로 호흡물질대사를 하지만 그 중 일부는 특이한 photophosphorylation의 형태(방식)에 의해 ATP를 합성할 수 있다. Halobacteria의 경쟁하는 종들이 산소가 제한된 상태에 놓이게 되면 화학적으로 변화된(수정된) 세포막을 합성한다. 호기적으로 성장한 세포에서 막은 많은 캐로티노이드(carotenoid)성분으로 인해 적색을 띤다. 하지만, 혐기적환경에선 생장을 멈추며 새로운 구성요소인 자색막(purple membrane)의 합성이 유도된다.

* Halobacterium속에 속하는 세균중 일부는 특이한 광인산화반응을 통해 ATP를 합성할 수 있다. Halobacterium은 호기적 환경에선 호기적호흡에 의해 아미노산을 이용하여 ATP합성한다. 혐기적 환경에서 살게되면 성장을 멈추면서 carotenoid에 의해 red를 띠던 membrane이 purple을 띠게 된다.
Purple membrane은 25%의 지질과 한 가지의 단백질(bacteriorhodopsin)으로 구성되어 있다.
박테리오로돕신(Bacteriorhodopsin)은 혐기적 환경에서 새롭게 나타난 단백질로서, 이 단백질 의해 혐기적 환경의 halophiles은 purple을 띠게 되며 빛을 이용하여 ATP를 생성한다. Bacteriorhodopsin의 크로모포어[chromophore(발색단;빛에너지를 받아들이는 부위)]는 bacteriorhodopsin의 리신(lysine)잔기의 epsilon amino group(즉, 5번째 아미노잔기를 말함)에 쉬프 베이스(Schiff base)를 통해서 연결되어 있는 캐로티노이드 레티널(carotenoid retinal)이다.

Bacteriorhodopsin은 양성자 펌프(proton pump)로서 역할을 하며 빛 에너지를 proton motive force로 전환시켜 세포의 ATP level을 유지시킬 수 있다.
그러나, 성장은 못한다.
∵β-carotenoid에서 retinal이 만들어지는데, 그 과정에서 반드시 O₂를 요구한다. 성장(=division)을 위해선 모(母)세포에서 retinal이 2배가 되야 한다. 하지만 더 이상 O₂가 없기 때문에 retinal을 만들지 못하여 분열할 수가 없다.
최초의 retinal을 만들기 위해 수중에 남아있는 O₂, 세포내의 O₂를 모두 소비한다.

Halobacterium은 혐기적 환경에서 빛을 이용하여 ATP를 생성할 수는 있지만 이러한 환경에서 성장할 수는 없다. Photophosphorylation은 비성장 세포(nongrowing cell)의 생존력의 연장에만 사용된다. Halobacterium이 빛이 있는 혐기적인 환경에서 성장할 수 없다는 것은 β-carotene으로부터 retinal을 형성하기 위한 O₂분자의 요구도를 시사한다.
따라서 광종속영양적 성장(photoheterotrophic growth)는 O₂분압이 bacteriorhodopsin의 합성을 유도할 만큼 낮지만 retinal을 생합성할 정도로 높을 경우에만 일어난다.

4. The Thermoacidophiles

* The thermoacidophiles are defined by their ability to grow at high temperature and low pH.

* Subgroups - Sulfolobus
- Thermoplasma
- Thermoproteus

1) Sulfolobus

* facultative chemoautotroph

* 서식지 : 고온 산성 온천 및 토양

* 최적 생장 온도 : 63-80℃
pH : 2.0

* 생장 온도 범위 : 55-85℃
pH : 1.0-5.9

* 황원소를 환원시킴.

2) Thermoplasma

* facultative anaerobe

* 탄소원 및 에너지원으로서 소수의 단당류 및 이당류를 이용

* 잔여 석탄 및 상당량의 황철광(FeS)을 함유한 탄광의 쓰레기 더미에서만 발견됨

⇒oxidation of the FeS by chemoautotrophic bacteria acidifies and heats the pile, creating a favorable growth environment for Thermoplasma(pH 0.5 to 4.5 ; temperature 37 to 65℃).

3) The Thermoproteus Group

* 최종 전자 수용체로서 황원소를 사용하는 물질대사를 원칙적으로 또는 유일한 호흡 대사로 이용함.

* 이들의 물질 대사 방법은 호흡 기질로서 다양한 당류, 알콜, 유기산(fromate 포함) 및 CO를 사용하는 호흡이다.

* 온도 : 78 내지 95℃.

* pH : 2.5 내지 6.