세균의 개요와 연구방법
미생물학은 보이지 않는 세계를 연구하는 학문으로, 그중에서도 세균은 가장 대표적인 미생물입니다. 세균은 구조가 단순하지만 독립적으로 살아가는 작은 생명체 중 하나로, 환경, 식품, 의학 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 합니다. 그러나 세균의 크기는 수 마이크로미터 수준으로 매우 작아 맨눈으로는 관찰할 수 없기 때문에, 현미경과 염색 기법을 활용한 연구가 필수적입니다. 특히 세균은 형태와 배열, 그리고 염색 특성에 따라 구분할 수 있습니다. 구균, 간균, 나선균과 같은 세포 형태는 세균 분류의 기초가 되고, 그람 염색은 세균의 세포벽 구조적 차이에 기반해 그람 양성균과 음성균으로 구별할 수 있는 대표적 방법입니다. 이러한 기초 지식은 단순한 관찰을 넘어 세균의 동정, 성질 파악, 그리고 감염 진단과 치료제 선택까지 연결됩니다. 세균은 비교적 단순한 구조를 가진 단세포 생물로서, 독립적으로 살아가는 생명체 중에서 가장 작은 미생물로 알려져 있습니다. 세균은 보통 0.2~0.3㎛의 직경, 0.5~10.0㎛의 길이 정도입니다. 세균 세포는 현미경을 이용하여 관찰하여야 합니다. 세균의 모양이나 염색 특성 등을 연구할 때는 광학현미경을 보통 사용합니다. 광학현미경으로 관찰된 세균 세포의 크기와 모양은 세포의 분류와 동정의 기준이 될 수 있습니다. 이때에는 보통 염색법을 함께 이용해야 합니다. 염색하지 않고 관찰한다면 대상 세포와 그 주변 환경을 구별하기가 어렵습니다. 광학현미경 관찰 시 각각 세포의 모양과 세포의 상대적 크기와 세균의 배열 형태에 따라 분류할 수 있다.
세균의 형태와 분류
(1) 구균 - 구형 세포 (spherical cells-cocci)
- 쌍구균(Diplococci): 한 방향으로 분열하는 세포, 분열 후 쌍을 이루어 존재(Diplococcus 속)
- 구간균(Cocco bacilli): 쌍구균과 비슷하지만 약간 긴 모양(Acinetobacter속, Moraxella속)
- 연쇄상구균(Streptococci): 한 방향으로 분열하지만 분열 후에 계속 붙어 있어 긴 사슬을 형성. 긴 사슬은 분리될 때 주로 짝을 이루는 경향(Streptococcus 속, Leuconostoc 속, Lactococcus 속)
- 사연구균(Tetracocci): 두 방향으로 분열해 4개의 세포군 형성(Micrococcus 속)
- 포도상구균(Staphylococci): 세 방향에서 불규칙한 형태로 분열해 송이 모양 형성(Staphylococcus 속)
(2) 간균 - 막대형 세포(Rod shaped cells-bacilli)
- 단간균(Short rods): Vibrio 속, Shewanella속, Pseudomonas 속
- 간균, 장간균(Long to medium size rods): Escherichia coli, Salmonella 속
- 연쇄상 간균(Rods forming chains): Bacillus 속, Lactobacillus 속
(3) 나선균(Curved or helical cells - spirillar)
- 콤마형(Comma shaped): Vibrio comma
- (Curved): Campylobacter 속
그람 염색법과 세균의 분류 응용
그람 염색법을 같이 사용하여 광학현미경으로 세균을 관찰하면, 세균의 모양과 배열 상태만 아니라 해당 세균이 그람 양성 균주인지 그람 음성 균주인지도 알 수 있습니다. 이 기법은 1884년 덴마크 의사 크리스천 그람이 임상 조직 표본 내 세균 동정을 위해 개발하였습니다. 그람 염색법은 다양한 종류의 세균을 동정하고자 할 때 가장 먼저 사용합니다. 그람 염색 결과에 따라 세균은 그람 양성균과 그람 음성균으로 구분됩니다. 탈색제 처리 후 크리스털 바이올렛-요오드 복합체가 탈색되지 않고 남아서 보라색을 띠면 그람 양성균, 탈색되면 그람 음성균으로 봅니다. 세포의 생리적 상태에 의해서 미생물의 그람 반응성이 어느 정도 결정됩니다. 그람 염색 시 최대 18시간 배양한 미생물이나 가능하면 18시간 미만으로 배양한 미생물을 사용하는 것이 좋습니다. 어떤 그람 양성 세균들은 배양 시간이 길어지면 그람 반응성을 잃어버릴 수 있기 때문입니다. Gram variable 균주는 오랫동안 배양했을 때 확실한 그람 반응성이 나타나지 않고 그람 양성, 음성균이 혼합된 결과나 그람 음성이 나옵니다. 모든 그람 양성균들은 세포가 분해되기 시작하거나 죽는다면 그람 반응성을 잃습니다.
① 염색 전의 세균 세포는 관찰이 어렵습니다.
② 크리스털 바이올렛 용액으로 염색하면 보라색으로 변화합니다.
③ 요오드 용액 처리를 한다면 세포 중 크리스털 바이올렛-요오드 복합체가 형성되어 색이 진해집니다.
④ 탈색제 역할을 하는 에탄올, 아세톤, 아세톤/요오드아세톤과 에탄올의 혼합 용액 등으로 처리합니다. 이후 색을 유지하는 세포가 그람 양성균, 염색되지 않고 관찰이 어려운 세포가 그람 음성균입니다.
⑤ 표본에 대조염색 기능을 하는 사프라닌 용액을 처리했을 때 분홍색으로 변화하는 세포가 그람음성균입니다.
세균의 형태와 배열, 그리고 그람 염색 반응은 세균을 이해하고 분류하는 데 가장 기본이 되는 지식입니다. 이는 단순한 관찰을 넘어 임상, 식품, 환경 등 다양한 분야에서 세균을 동정하고 활용하는 데 중요한 기초가 됩니다.