내생포자에 대한 모든 것

내생포자

일부 진정 세균들은 포자화(sporulation)라 불리는 과정 중, 내생 포자(endospore)라는 구조물을 생성합니다. *내생 포자는 접두어 endo는 "내부"를 의미합니다. 내생포자는 고도로 분화된 세포로서 열, 강한 화학 물질과 방사선에 강한 저항성을 가지고 있습니다. 내생포자는 생존 구조의 기능을 가지고 있으며, 세포가 높은 온도, 건조 혹은 영양분 고갈 상태의 어려운 상황을 극복할 수 있도록 해줍니다. 그러므로 내생포자는 세균의 생활사에서 휴지기로 볼 수 있습니다. 

영양세포(vegetative cell)  → 내생 포자(endospore) →영양세포(vegetative cell) 

내생 포자는 또한 바람, 물, 동물의 장 등을 통해 쉽게 확산됩니다. 내생포자를 형성하는 세균은 대부분 토양에서 발견되며, Bacillus 속의 세균에서 연구가 많이 되어 있는 대표적인 세균입니다.

 

내생포자 생성 및 발아

내생 포자가 생성되는 동안 영양세포는 비생장, 내열성이며 빛을 굴절시킬 수 있는 구조로 바뀝니다. 세포는 활발하게 자라는 동안에는 포자를 형성하지 않으나, 필수적인 영양분이 고갈되어 생장이 멈출 경우에만 포자를 형성합니다. 그러므로 전형적인 내생포자 형성 균인 Bacillus 세균은, 주요 영양분이 부족하게 될 때, 여양 생장을 중지하고 포자화를 시작합니다.

 

내생 포자는 수년 동안 휴지기로 남아있을 수 있지만, 내성 포자는 상대적으로 빠르게 영양세포로 전환될 수 있습니다. 이 과정은 3단계로 이루어졌습니다.

활성화(activation) →발아(germination) → 생장(outgrowth) 

활성화는 새롭게 형성된 포자를 죽일 수 있는 온도보다는 낮지만 높은 온도에서 수 분간 가열함으로 가장 쉽게 이루어질 수 있습니다. 활성화된 포자는 특정 아미노산과 같은 특정한 영야분이 공급될 때 발아할 상태가 됩니다. 발아는 빠르게 진행되며 (수분 내), 현미경 상 내생 포자의 굴절도를 잃게 되며, 염료에 의한 염색성이 증가하고 내열성과 화학물질에 대한 내성을 잃게 됩니다. 마지막 단계인 생육단계에서는 수분 흡수와 새로운 RNA, 단백질과 DNA합성에 따라 눈에 띄게 팽창하게 됩니다. 파열된 내성 포자로부터 영양세포가 출현하고 다시 생장하기 시작하며, 세포는 다시 환경조건의 변화에 따라 포자화를 시작하기 전 까지는 영양생장을 계속하게 됩니다. 

 

내생포자 구조

내생 포자는 강한 굴절력을 가진 구조로 광학 현미경으로 관찰할수 있습니다. 내생포자는 대부분의 염료를 투과시키지 않기 때문에, 메틸렌블루와 같은 염기성 염료로 염색된 세포 내에서 염색되지 않는 부분으로 관찰됩니다. 내생 포자를 염색하기 위해서는 특별한 염색과 방법을 사용하여야 합니다. 전형적인 내성 포자 염색 방법은 말라카이트 그린으로 염색하여 증기 포자 내로 흡착시킵니다.

 

전자현미경으로 관찰한 포자의 구조는 영양세포의 구조와는 상당히 다릅니다. 특히 내생 포자는 영양세포에는 없는 많은 층을 가지고 있는 복잡한 구조를 가지고 있습니다. 가장 바깥층은 포자 외막(exosporium)이며 얇은 단백질로 둘러 쌓여 있습니다. 그 안쪽에 포자 특이성 단백질 층으로 구성된 여러 겹의 포자각(spore coat)이 있습니다. 포자각 아래는 피층(cortex)이며, 느슨하게 교차 결합된 펩티도 글릴 칸으로 구성되었고, 피층 안에는 중심(core)으로, 중심 벽(core wall) 외부에 있는 여러 구조를 가지고 있어 영양세포와 차이가 있습니다.

 

영양세포에 존재하지 않는 내생 포자만의 독특한 물질의 하나는 디피 콜린 산(depicolinic acid)이며, 이 물질은 포자 중심(core)에 축적되어 있습니다. 또한 포자에는 높은 농도의 칼슘이 있는데, 대부분의 디피 콜린 산과 결합되어 있습니다. 칼슘-디피 콜린 산 복합체는 내생 포자 건조 중량의 약 10%에 이르며, 내생포자 내 자유수(free water)와 결합하는 기능을 가지고 있어 내생포자 건조에 도움을 줍니다. 또한 이 복합체는 DNA 염기 내로 끼어들어, 열변성으로부터 DNA를 안정화시키는데 도움을 줍니다.

 

내생 포자의 중심은 내생포자를 만들어 내는 영양세포의 세포질과 뚜렷하게 다릅니다. 내생포자의 중심은 영양세포보다 1/4보다 적은 양의 물을 함유하고 있어, 중심 세포질은 젤 정도의 점도를 가지고 있습니다. 중심의 건조상태는 포자 내 큰 분자물질의 내열성을 증가시킵니다. 미생물의 멸균 기준 온도인 121℃에서 대부분의 내생 포자는 비활성화되지만 일부 세균의내생 포자는 150℃정도의 높은 열에서도 생존합니다. 건조상태는 또한 내생 포자가 과산화수소와 같은 독성 화학물질에 대한 내성을 가지게 하며, 포자 중심 내 효소는 불활성화 됩니다. 내생 포자의 낮은 수분함량과 더불어, 중심의 pH는 영양세포의 세포질 pH보다 약 1정도가 낮습니다.

 

내생포자의 중심은 작은 산용 해성 단백질을(small acid-soluble proteins, SASPs)을 다량 함유하고 있습니다. 이 단백질은 포자 형성 시에만 만들어지고, 최소한 두 가지의 기능을 가지고 있습니다. SASPs는 중심에 있는 DNA와 강하게 결합하고 있으며 자외선, 건조, 건식 열로부터 받을 수 있는 DNA 손상을 막아줍니다. SASPs가 DNA의 분자구조를 평상시의 "B" 형태에서 보다 압축된 "A" 형태로 바꿀 때, 자외선에 대한 내성을 가지게 됩니다. A형태의 DNA는 돌연변이를 일으키는 자외선에 의한 피리미딘 이량체 형성이 억제되며, 건식 열에 의한 변성 효과에도 내성을 가지게 됩니다. 이와 더불어 SASPs는 내생 포자가 발아한 후, 영양세포 생장을 위한 탄소 및 에너지원의 역할을 합니다.

<내생포자 구조>

 

내생포자 주기

포자화(sporulation)는 세포분화(cellular differentiation)의 한 과정으로 영양생장에서 포자화로 변경되는 동안 세포 내 유전자에 의해 생기는 많은 변화가 일어납니다. Bacillus세포의 포자화 과정 중 일어나는 구조적인 변화를 그림에서 보여주고 있습니다. 포자화 과정은 몇 단계로 구분될 수 있습니다. Bacillus subtilis의 경우, 전체 포자화 과정은 8시간 정도 소요되며, 비대칭 세포 분열로 시작됩니다. 개별 유전자가 포자화 과정을 억제하는 Bacillus 돌연변이 연구결과에 의하면 200개 이상의 유전자가 포자화 과정에 관여합니다. 

 

포자화는 다른 단백질의 합성이 필요합니다. 이 과정은 내생 포자 특이 유전자군의 활성하로 이뤄지며, 많은 영양세포의 기능이 중지됩니다. 내생포자 특이 유전자 군로부터 합성된 단백질은 수분함량이 높고, 대사 작용을 하는 영양세포를 상대적으로 건조되고 대사 작용이 멈춘, 그러나 내성이 높은 내생 포자로 전환되는 일련의 과정을 촉진합니다. 

 

<내생포자 형성 단계>