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미생물학Ⅱ
이정창 교수
건국대학교 대학원 생물공학과 석사졸업
건국대학교 대학원 생물공학과 박사졸업
건국대학교 대학원 생물공학과 석사졸업
건국대학교 대학원 생물공학과 박사졸업
건국대
숭실대
현) 유니와이즈 전임교수
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| 제목 | 강의시간 | 상세내용 |
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| 2장. 유전체학, 유전학 그리고 바이러스학 | ||
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[1강] 박테리오파아지의 단계 별 생활사 (1)
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박테리오파지 T4 생활사와 유전체 특징 핵심 정리
• 바이러스 복제주기와 비리온 개념: 부착-침투/핵산 도입-유전자 발현·복제-조립·포장-방출의 5단계 복제주기와 감염성 입자인 비리온 구조·기능 정리 • 박테리오파지 T4의 구조·감염 과정: E. coli LPS·편모·선모 수용체 인식, 꼬리섬유·베이스 플레이트·꼬리핀·리소자임을 이용한 침투와 고압 선형 dsDNA 주입, 머리-꼬리형 비리온의 각 부위 기능 정리 • T4 유전체 포장과 방어전략: 원상순열·연쇄체 형성·머리채우기(headful packing)에 의한 유전체 포장 원리와, 시토신→5-히드록시메틸시토신 치환 및 포도당화를 통한 세균 제한·수정 시스템 회피 메커니즘 정리 |
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[2강] 박테리오파아지의 단계 별 생활사 (2)
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박테리오파지 T4 복제 주기와 잠재성 파지·용원성 정리
• 박테리오파지 T4 용균성 복제 주기: 숙주 RNA 중합효소 변형을 통한 초기·중기·후기 단백질 순차 발현, T4 DNA 복제·비리온 구조 단백질 합성, 포장 모터 기반 DNA 캡시드 포장과 리소자임 매개 숙주 용해·비리온 방출 • T4 전사 조절과 시그마 인자: T4 초기 단백질에 의한 5-히드록시메틸시토신 포도당화·DNA 복제 효소 제공·숙주 RNA 중합효소 재프로그램, T4 특이적 시그마 인자 교체를 통한 초기→중기→후기 유전자 전사 전환 • 잠재성 박테리오파지와 용원성: 프로파지 형태로 숙주 염색체 통합 또는 플라스미드 공존, 억제단백질에 의한 용균성 유전자 발현 억제와 숙주와의 장기 공존, 유도(induction) 시 억제 상실에 따른 용원성→용균성 전환 및 숙주 DNA 보존 vs 파괴·세포 생존 vs 용해 비교 |
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[3강] 세균 및 동물 바이러스의 다양성과 생태학
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세균 및 동물 바이러스의 다양성과 생태학 핵심 정리
• 박테리오파지 및 원핵생물 바이러스: ssDNA·ssRNA·dsDNA 유전체와 중첩유전자 전략, 용균성·용원성 생활사 선택과 숙주 밀도·해양 환경에 따른 바이러스 군집 구조 • 동물바이러스 분류 및 감염 유형: DNA/RNA 유전체와 피막 유무, 숙주·조직 친화성 기준 분류, 독성·지속·잠복·형질전환 감염이 숙주세포 생존·종양화에 미치는 영향 • 레트로바이러스 및 역전사: 피막 보유 RNA 바이러스의 역전사효소 기반 RNA→DNA 역방향 정보 흐름, 프로바이러스 통합 후 전사·번역·출아를 통한 비리온 생산 및 HIV·종양 유발 기능 |
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[4강] 바이러스 유전체 구조와 진화
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바이러스 유전체 구조와 볼티모어 분류, 진화와 DNA 기원 가설
• 바이러스 유전체·볼티모어 분류: DNA/RNA, ss/ds, (+)/(−), 역전사 여부에 따른 7개 클래스 구조와 mRNA(+) 생성 경로, 초기·후기 단백질 합성 및 유전체 크기·거대 바이러스(NCLDV, Mimivirus) 특성 • 가닥 배열·전사 시스템: ss·ds, 양성가닥·음성가닥 정의와 표기, DNA 클래스(I·II·VII)·RNA 클래스(III·IV·V·VI), 역전사 클래스(VI·VII)의 전사·복제 전략과 클래스 II dsDNA 복제형(RF) 형성 과정 • 바이러스 기원·DNA 시스템 진화: 세포 의존적 복제와 유전자 이동 기작으로서 역할, DNA-특이적 효소에 의한 RNA→DNA 단계적 전환설, DNA 바이러스 감염·DNA 안정성 선택설, 고세균·진핵 vs 세균 DNA 시스템 차이의 바이러스 기원 가설 및 계통발생학적 의미 |
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[5강] DNA 유전체를 가진 바이러스 특징 (1)
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DNA 단일·이중가닥 박테리오파지(φX174, M13, T7, Mu) 핵심 정리
• 단일가닥 DNA 파지(φX174, M13) : 작은 원형 ssDNA 유전체, φX174의 중첩유전자 구조와 A·A*·E 단백질에 의한 복제·용해 조절, M13 필라멘트형 구조와 비용해성 방출·RF 형성·비암호화 구간을 이용한 클로닝·염기서열 분석 벡터 활용 • 이중가닥 DNA 파지 T7 : 선형 dsDNA와 단일 복제기점에서의 양방향 복제, I-form·Y-form 복제 중간체와 말단 반복서열·연쇄체 형성, 내부 endonuclease 절단을 통한 동일 길이·배열 유전체 포장과 제한효소 회피 기전 • 이중가닥 DNA 파지 Mu와 전이인자 : 전이효소 매개 엇갈림 절단·삽입·5 bp 중복서열 형성에 의한 전이인자형 복제, 억제단백질 양에 따른 용균형·용원형 전환과 숙주 염색체 내 무작위 통합에 의한 돌연변이 유발, 꼬리 섬유 조합에 따른 숙주범위 결정 기능 |
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[6강] DNA 유전체를 가진 바이러스 특징 (2)
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DNA 유전체를 가진 바이러스의 특징 (고세균 바이러스, Pox, Adenovirus, Polyomavirus, Herpesvirus)
• 고세균 바이러스·Poxvirus 특징: 고세균 감염 dsDNA 바이러스의 특이 구조(SSV 방추형 비리온 등)와 미해명 생활사, Poxvirus·vaccinia virus의 거대 선형 dsDNA와 세포질 복제 및 백신·바이러스 벡터 활용 • Adenovirus 복제 전략: 선형 dsDNA·비피막·경미한 호흡기 감염, 5′ 말단 결합 말단 단백질과 시토신 프라이머·역방향 말단 반복 서열 이용, 지연가닥 없이 양 끝에서 시작하는 독특한 DNA 복제와 용해성 비리온 방출 • Polyomavirus·Herpesvirus 특징: 소형 비피막 dsDNA Polyomavirus(SV40)의 중첩 유전자·숙주 DNA 중합효소 의존·허용성 숙주에서 용해성 복제와 종양성, Herpesvirus의 핵 내 원형화·회전원 복제·concatenated DNA 절단·잠복과 재활성화 및 암 유발 가능성 |
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[7강] RNA 유전체를 가진 바이러스와 역전사 효소를 이용하는 바이러스 (1)
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RNA 유전체를 가진 바이러스(양성·음성 가닥, MS2·폴리오·코로나·광견병·인플루엔자)
• 양성가닥 RNA 바이러스(MS2·폴리오·코로나) : mRNA와 동일한 단일가닥 RNA 유전체로 세포 내 유입 직후 직접 번역되며, MS2는 소형 유전체·중첩 유전자·RNA 복제효소 의존 복제, 폴리오바이러스는 Vpg 결합 5′ 말단·poly(A) 3′ 말단·폴리프로틴 생성 후 자가절단, 코로나바이러스는 초기 부분 번역으로 복제효소 생성 후 서브게놈 mRNA를 통해 구조단백질 합성 전략을 사용함 • 음성가닥 RNA 바이러스(광견병·인플루엔자) : mRNA에 상보적인 단일가닥 RNA 유전체와 비리온 내 RNA 의존 RNA 중합효소를 가지고 세포질에서 양성가닥 mRNA와 복제용 양성가닥을 전사하며, 광견병 바이러스는 두 클래스 RNA(구조단백질 mRNA·유전체 주형 RNA)를 생성하고, 인플루엔자는 분절 유전체와 피막 표면의 혈구응집소(HA)·뉴라미니다아제(NA)에 의해 숙주세포 결합·방출·면역원성·아형 분류가 결정됨 • 공통 복제·구조 전략 : RNA 바이러스는 유전체 극성(양성/음성), 유전체 크기와 구조(소형·중첩 유전자·분절 여부), 복제효소(RNA 의존 RNA 중합효소) 보유 방식, 표면 단백질(수용체 결합·면역원성·세포용해/방출 기능)에 따라 감염 초기 단백질 합성, 유전체 복제, 비리온 조립 및 세포용해/방출 과정을 차별화함 |
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[8강] RNA 유전체를 가진 바이러스와 역전사 효소를 이용하는 바이러스 (2)
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RNA 유전체 바이러스 II: 이중가닥 RNA와 역전사 바이러스 정리
• 레오바이러스(dsRNA 유전체) 감염·복제: 리소좀에서 외피 제거 후 뉴클레오캡시드 상태로 세포질에 존재하며, RNA 의존 RNA 중합효소를 이용해 뉴클레오캡시드 내부에서 mRNA·유전체 RNA를 합성함 • 역전사효소(Reverse transcriptase) 3가지 활성: RNA 의존 DNA 중합효소·RNase H·DNA 의존 DNA 중합효소 기능을 통해 tRNA 프라이머 기반 역전사, LTR 포함 이중가닥 DNA 형성, 숙주 염색체 통합을 매개함 • 레트로바이러스 유전체·유전자(gag, pol, env): 피막 보유 양성가닥 RNA 이배체 유전체를 직접 mRNA로 사용하지 않고 프로바이러스 DNA로 전환·통합 후 gag(구조단백질·프로테아제), pol(RT·integrase), env(피막 단백질) 발현으로 새로운 비리온을 생성함 |
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[9강] 준바이러스성 병원체 종류와 특징
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준바이러스성 병원체 비로이드와 프리온의 구조와 감염기작 핵심 정리
• 준바이러스성 병원체 개념: 비로이드·프리온으로 대표되는 핵산 또는 단백질이 하나 결여된 비정형 병원체로, 각각 RNA만 존재(비로이드), 단백질만 존재(프리온)하는 감염 인자 체계 정리 • 비로이드 구조·감염·복제: 단백질 캡시드가 없는 단일가닥 원형 나출형 RNA로 식물에서만 발견되며, 상처·곤충을 통해 침투 후 원형질연락사로 이동하고 숙주 RNA 복제효소와 비로이드 리보자임 활성에 의존해 복제되는 병원체 개념 정리 • 프리온 구조·병원성 기작: 핵산 없이 PrPc–PrPSc 동형 단백질 간 2차 구조 전환(α-나선 우세→β-병풍구조 우세)에 의해 증식하며, 종 특이적 PrP 서열 차이에 따른 species barrier와 PrPSc 응집체 축적으로 인한 신경조직 손상·해면상 뇌병증 발생 원리 정리 |
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[10강] 돌연변이의 분자생물학적 개념과 돌연변이의 특징 (1)
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돌연변이의 분자생물학적 개념과 유형, 선별 및 감별 요약
• 돌연변이·돌연변이주 및 인자형·표현형: 유전체 염기서열 변화로 정의되는 돌연변이와 그 결과체인 돌연변이주, 인자형(genotype)·표현형(phenotype) 표기 규칙 및 야생종·원영양체·영양요구체 개념 정리 • 돌연변이 선별·감별 기법: 항생제 내성 돌연변이의 선별(selecting) 원리와 복사평판법(replica plating)을 이용한 선별불가능 돌연변이·영양요구체 감별(screening) 절차 요약 • 돌연변이 유형과 분자 수준 효과: 자연·유도 돌연변이, 점돌연변이(염기쌍 치환·삽입·결실)와 불변·오인·비인식 돌연변이의 코돈 위치별 아미노산 서열·단백질 기능 변화 양상 정리 |
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[11강] 돌연변이의 분자생물학적 개념과 돌연변이의 특징 (2)
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돌연변이의 복귀, 억제 돌연변이, 화학적 돌연변이 유발원과 SOS 수리 시스템 정리
• 돌연변이·복귀돌연변이·억제돌연변이: 염기서열 변화에 의한 점돌연변이와 표현형 복귀(reversion), 진성 역돌연변이·두 번째 부위 역돌연변이·억제돌연변이(해독틀 복원·기능 대치 포함) 및 정지코돈을 읽는 억제 tRNA의 기능 정리 • 변이 유발·평가 시스템: 자연·유도 돌연변이 빈도와 DNA 수리 효율, 염기 유사체·알킬화제·삽입색소에 의한 점돌연변이·frameshift 유도 메커니즘, 영양요구체를 이용한 Ames 시험에서 역돌연변이 빈도로 mutagenicity 평가 구조 • SOS 수리 시스템: 복제 지연·DNA 손상 시 ssDNA-RecA 활성화와 LexA 자기 절단을 통한 SOS 유전자 발현, 고오류·저정확 수리로 생존을 우선하는 응급 수리 체계와 수리 후 LexA 회복에 따른 시스템 재억제 과정 정리 |
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[12강] 세균에서 유전자 전달의 특징과 대사의 다양성 (1)
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세균에서 유전자 전달의 특징과 상동 재조합·형질전환 개념 정리
• 세균 유전자 교환 경로: 형질전환·형질도입·접합을 통한 외래 DNA 도입과 새로운 유전자형·표현형 형성 원리 정리 • 상동 재조합 기작: RecA 중심의 가닥 절단·헬리카제 분리·SSB 결합·가닥 침입·heteroduplex 형성·resolvase 절단에 의한 DNA 교차·교환 과정 정리 • 형질전환과 유전자 재조합 기술: 수용능·수용능 단백질·나체 DNA 흡수와 RecA 매개 염색체 삽입, 플라스미드 벡터·제한효소·라이게이스·항생제 내성 마커를 이용한 재조합체 선별 원리 정리 |
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[13강] 세균에서 유전자 전달의 특징과 대사의 다양성 (2)
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세균에서의 형질도입과 F 플라스미드 접합, 유전자 전달 기작 핵심 정리
• 형질도입과 파지 전환: 일반 형질도입(용균 감염 중 임의 숙주 DNA 포장·저빈도 전달)과 특수 형질도입(용원성 파지 부정확 이탈로 인접 특정 유전자 고효율 전달), 파지 전환에 의한 숙주 독소·항원성·파지 면역성 획득 정리 • F 플라스미드와 Tra 영역: 자율 복제 원형 DNA 플라스미드 구조, 복제 조절 영역·IS 삽입서열·Tra 영역 구성, Tra 유전자의 성 섬모 형성·접합쌍 형성·DNA 전달 기능 및 접합성 플라스미드에 의한 항생제 내성·형질 전달 원리 • 성 섬모와 접합 과정: F⁺ 공여세포와 F⁻ 수용세포 간 성 섬모 수용체 결합·수축에 의한 접합쌍 형성, rolling-circle 복제에 따른 단일가닥 플라스미드 DNA 이동과 양 세포의 F⁺ 전환, Hfr 형성 시 숙주 염색체 일부 동반 전달과 상동재조합에 의한 유전체 변이·유전 형질 확산 기작 |
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[14강] 고세균에서 유전자 전달과 유전체의 특성 보존
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고세균에서 유전자 전달과 유전체 안정성 보존 핵심 정리
• 고세균 횡적 유전자 전달: 플라스미드 의존·비의존 접합, 단·양방향 DNA 전달, 필리 비의존성·세포연결 매개 등 세균과 다른 접합 기작과 항생제 선별 마커 사용 한계 정리 • 이동성 DNA와 전위요소: IS·트랜스포존 구조(전위효소, IR, 타깃 부위 반복), 플라스미드·염색체 내 삽입·공복제 특성, 트랜스포존의 항생제 내성 유전자 보유와 선별 마커 기능 • CRISPR-Cas 면역체계: 반복–공간자 구조와 cas 유전자, 염기서열 기억·획득·간섭 단계, crRNA–Cas 복합체와 Cas9 유전자 가위에 의한 외부 핵산 인식·절단을 통한 유전체 안정성 유지 |
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[15강] 유전공학의 기본도구로써 DNA 조작방법 (1)
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유전공학의 기본도구: 제한효소, 혼성화, PCR 핵심 정리
• 제한·수정 시스템과 제한효소: 1·2·3형 제한 엔도뉴클레아제의 인식서열 특이적 절단, sticky/blunt end 생성, 메틸화 변형효소에 의한 자가 DNA 보호 메커니즘 정리 • 핵산 분리·검출 도구: 아가로즈 겔 전기영동에 의한 DNA 조각 크기별 분리와 DNA ladder 활용, 핵산 혼성화·표지 탐침자 개념, Southern blot(DNA 표적)·Northern blot(RNA 표적)의 목적과 차이 정리 • PCR과 Taq polymerase: 변성·어닐링·신장 3단계 반복에 의한 표적 DNA의 지수적 증폭 원리, 프라이머 설계와 특이성 조건, Thermus aquaticus 유래 열안정성 Taq DNA 중합효소의 기능과 역할 정리 |
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[16강] 유전공학의 기본도구로써 DNA 조작방법 (2)
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유전공학 DNA 조작: 분자 클로닝·돌연변이·보고유전자
• 분자 클로닝·재조합 DNA: 제한효소·DNA 리가아제·PCR·벡터를 이용해 특정 유전자를 분리·벡터에 삽입·숙주에 도입하여 재조합 DNA를 만들고 복제·발현시키는 기술 • 위치지정/카세트 돌연변이·유전자 비활성화: 합성 올리고뉴클레오티드 또는 DNA 카세트를 이용해 표적 염기서열을 치환·삽입·결실시켜 단백질 특성 조절 또는 유전자 넉아웃을 수행하는 돌연변이 유도 기법 • 보고유전자·유전자 융합: lacZ·GFP 등의 보고유전자를 단독 또는 다른 유전자·프로모터와 융합하여 유전자 발현 여부·강도·세포 내 위치 및 조절 메커니즘을 검출·정량하는 표지 시스템 |
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[17강] 유전자 클로닝의 방법과 특징
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유전자 클로닝 벡터와 숙주, 셔틀/발현벡터, 코스미드·인공염색체 핵심 정리
• 분자 클로닝·돌연변이 조작: 특정 DNA 조각의 정확한 복제·대량 확보와 site-directed·cassette mutagenesis를 통한 염기·아미노산 서열 조작 및 단백질 기능 분석·개량 기술 정리 • 클로닝 벡터·숙주·특수 벡터: pUC19 중심 플라스미드 벡터 구조(ori, MCS, ampR, lacZ·X-gal 청백색 선별), 이상적 숙주 조건과 E. coli·B. subtilis·S. cerevisiae 특징, 셔틀 벡터(다중 ori·선택마커)·발현 벡터(강한 프로모터·RBS·T7 시스템)의 설계 원리 정리 • 대형 DNA용 벡터: 람다 파지 벡터와 cosmid의 포장·고효율 전달 메커니즘, YAC·BAC 등 인공염색체의 복제기원·센트로미어·텔로미어 구성과 대형 진핵 유전체 클로닝·라이브러리 구축 기능 정리 |
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[18강] 유전자 조작 미생물로부터 생산물과 대사경로 공학 (1)
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유전자 조작 미생물의 생산물과 대사경로 공학(1) – 포유류 유전자 발현, 소마토트로핀, 형질전환 생물
• 포유류 유전자의 세균 발현: mRNA→cDNA 전환으로 인트론 제거, 세균 프로모터·코돈 최적화·플라스미드 벡터를 이용한 발현 시스템 구축과 번역 후 변형 한계 인지 • 소마토트로틴 및 재조합 단백질: 인간·소 소마토트로핀 cDNA 클로닝과 세균 발현, rBST를 통한 성장·우유 생산 조절, 위치지정 돌연변이로 수용체 선택성 조절 및 다양한 의료용 재조합 단백질(EPO, 인슐린 등) 생산 • 형질전환 생물과 Ti 플라스미드: Agrobacterium Ti 플라스미드 기반 이중벡터 시스템(T-DNA, 클로닝 벡터, 도우미 플라스미드)을 이용한 외래 유전자 도입과 살충제·제초제 내성 및 성장·질병 저항성 형질전환 작물·양식 생물 개발 |
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[19강] 유전자 조작 미생물로부터 생산물과 대사경로 공학 (2)
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유전자 조작 미생물 생산물 백신 및 대사경로 공학
• 유전자 조작 백신 및 벡터 시스템: 백시니아 바이러스 벡터 활용 원리와 $tdk$ 유전자 불활성화를 통한 재조합 바이러스 선별 기전 • 메타유전체학 기반 유전자 발굴: 환경 시료 유전체 라이브러리 구축을 통한 배양 불가능 미생물의 유용 유전자 및 산업용 효소 탐색 기술 • 대사경로 공학 및 합성생물학: 바이오브릭 조립을 통한 신규 생화학 경로 구축과 산업 미생물의 대사 효율 극대화 및 시스템 설계 원리 |
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[20강] 초기 지구의 최초 세포생명체의 기원
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지구의 형성과 세포생물의 기원
• 초기 생명 기원과 RNA 세계: 해저 열수분출구 환원 환경에서 RNA 중심 자가복제 체계가 형성되고, DNA·단백질로 전환된 3분할 유전·대사·막 시스템과 LUCA 개념 정리 • 광합성과 지구 산화: 세균 기원의 비산소·산소 발생형 광합성, 남세균·스트로마톨라이트·띠 모양 철 형성층(BIF)을 통한 대기·해양 산화 과정 구조화 • 내부공생 가설과 진핵세포 기원: 호기성 세균·남세균 유사체의 공생으로 미토콘드리아·엽록체가 형성되었다는 내부공생가설과 70S 리보솜·16S rRNA·원형 DNA·이분법적 분열 근거 정리 |
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[21강] DNA로 바라보는 생명의 역사
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DNA로 바라보는 생명의 역사와 미생물 분자계통수 핵심 정리
• 생명 기원과 대사 진화: 환원적 초기 지구·심해 열수구 기원 가설, RNA World와 DNA 유전물질 전환, 남세균 산소발생 광합성과 지구 산화 및 진핵생물 내부공생(미토콘드리아·엽록체 기원) 구조 정리 • 세 도메인 체계와 분자계통학: SSU rRNA/18S rRNA 서열 비교를 통한 세균·고세균·진핵생물 세 도메인 설정, 각 도메인 주요 문 구성과 배양 현황, 유전체·PCR·범용 프라이머 기반 분자계통 분석 절차 요약 • 계통수 분석 핵심 개념: 상동성·오르토로그·파라로그 구분, 염기서열 정렬과 거리 계산, 마디·가지·유근/무근 계통수 구조와 해석, 부트스트랩 통계를 이용한 계통수 신뢰도 평가 원리 정리 |
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| 3장. 미생물의 다양성 | ||
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[22강] 미생물의 진화 과정과 미생물 유전체의 진화
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미생물의 진화 과정과 미생물 유전체의 역동성 핵심 정리
• 미생물 진화 기작: 대립유전자 빈도 변화 개념을 중심으로 돌연변이, 자연선택(적응도 기반), 유전적 부동·병목현상을 통한 집단 유전 구조 변화 정리 • 미생물 유전체 역동성: 돌연변이·재조합·선택·유전적 부동과 계통학적 거리 의존적 유전자 교환에 의해 유전체 구성이 변화하는 동적·이질적 구조 설명 • 핵심유전체·범유전체와 수평적 유전자 전이: 핵심유전체(공통 필수 유전자)와 범유전체(비공유·환경적응 관련 유전자) 구분, E. coli 수치 사례로 수평적 유전자 교환에 의한 높은 가변성 제시 |
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[23강] 미생물 계통분류학의 이해
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미생물 계통분류학: 블랙 퀸 가설과 MLST, DNA 혼성화 핵심 정리
• 미생물 진화·블랙 퀸 가설: 돌연변이·선택·적응도·유전적 부동을 전제로 군집 내 유전자 상실·기능 분업·상호의존성을 통해 생존 전략을 최적화하는 미생물 진화 가설 정리 • 세균·고세균 종 개념·유전체 유사도 분석: 16S rRNA 서열 분석과 DNA-DNA 혼성화 실험을 통해 유전체 유사도 기준(동일·유사·비관련 DNA 혼성화 비율)으로 종 동정·계통관계 판정하는 원리 정리 • 분자계통학적 분류법·MLST·표현형 분석: 다좌위 서열 타이핑(관리 유전자 대립유전자 조합 기반 ST 정의), 유전체 지문법·전체 유전체 분석과 형태·생리·대사·세포벽 특성 등 표현형 분석을 상보적으로 활용하는 계통분류 체계 정리 |
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[24강] 광영양 미생물의 특성과 에너지 보전 전략 (1)
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광영양 미생물의 광합성, 색소, 에너지 보전 전략 핵심 정리
• 광합성·광영양체·영양형 구분: 광합성으로 빛 에너지를 ATP로 전환하는 광영양체를 중심으로 광독립영양(photoautotrophy, CO₂ 사용)·광종속영양(photoheterotrophy, 유기탄소 사용)·산소발생형/비발생형 광합성의 전자공여체·O₂ 생성 여부에 따른 미생물군 차이 정리 • 광합성 색소·광복합체·막 구조: 엽록소·세균엽록소(테트라피롤, Mg 중심, 소수성 고리)를 핵심으로 한 광복합체 내 반응 중심·안테나 색소 조직, 카로테노이드(소수성 보조색소, 에너지 전달·광보호), 피코빌린·피코빌리단백질(남세균·홍조류의 주요 광포집계) 및 이들이 틸라코이드 등 광합성 막에 배열되는 구조 정리 • 에너지 보전·양성자 동력: 진핵 엽록체의 틸라코이드 막계와 원핵 광합성 막에서 색소·효소 복합체 배열을 통해 광유도 양성자 동력(proton motive force)을 생성하고 이를 ATP 합성과 연계하는 에너지 전환·보전 메커니즘 체계화 |
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[25강] 광영양 미생물의 특성과 에너지 보전 전략 (2)
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광영양 미생물의 산소비발생형·산소발생형 광합성과 캘빈 회로 핵심 정리
• 산소비발생형 광합성: 자색·녹색세균 P870 반응중심과 bacteriochlorophyll 기반 순환적 광인산화로 전자가 특수 쌍–cytochrome bc1–cytochrome c2를 순환하며 양성자 동력 형성 및 ATP 합성, O2·NADPH 비생성 • 산소발생형 광합성: 시안세균·조류·식물에서 PSII(P680) water-splitting으로 H2O 산화 후 pheophytin–퀴논–시토크롬–플라스토시아닌–PSI(P700)–NADP+로 이어지는 비순환적 전자 흐름으로 O2·NADPH·ATP 동시 생성 • 캘빈 회로(독립영양 CO2 고정): 엽록체 스트로마에서 RuBisCO가 CO2+RuBP→3PG를 매개하는 탄소 고정, ATP·NADPH로 3PG→DPG→G3P 환원, G3P 일부는 당 합성·나머지는 ATP 사용 RuBP 재생으로 순환 구조 유지하며 CO2를 포도당으로 동화함 |
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[26강] 화학무기영양의 개념과 에너지 보전 전략 (1)
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화학무기영양의 개념과 에너지 보전 전략 핵심 정리
• 화학무기영양체와 무기 전자공여체: 무기 전자공여체(H2, 환원된 황 화합물, Fe²⁺ 등)의 산화로 전자전달계를 구동하고, 환원전위 차이에 따른 음의 ΔG°′를 이용해 양성자 동력과 ATP를 보존하는 호기성 대사 방식 • 수소세균의 수소산화와 독립영양: 수소화효소(막-통합·세포질)를 통해 H2 산화 전자를 퀴논·시토크롬 사슬로 전달하여 ATP를 생성하고, 동시에 NAD⁺를 NADH로 환원해 켈빈 회로에 필요한 환원력을 공급하는 통성 화학무기영양 전략 • 환원된 황 화합물 산화와 에너지 보전: H2S, S0, S2O3²⁻, SO3²⁻를 단계적으로 SO4²⁻로 산화하며 S0를 일시적 에너지 저장물질로 축적·재산화하고, 전자전달과 양성자 생성으로 에너지를 보존하면서 주변 환경을 산성화하는 황세균 대사 경로 |
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[27강] 화학무기영양의 개념과 에너지 보전 전략 (2)
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화학무기영양에서 철산화·질산화·아나목스의 에너지 보전 전략 핵심 정리
• 철산화 세균 에너지 보전: Fe2+를 전자공여체, O2를 전자수용체로 이용하여 외막 cytochrome c–rusticyanin–cytochrome c–cytochrome aa3 전자전달계를 통해 양성자동력과 ATP를 형성하나, 단위 기질당 에너지가 작아 대량의 Fe2+ 산화가 필요함 • 질산화 미생물 에너지 보전: 환원된 질소 화합물(NH3, NH2OH, NO2−)을 전자공여체로 활용하여 AMO, HAO, nitrite oxidoreductase 및 퀴논–cytochrome 계열 전자전달계를 거쳐 양성자동력과 ATP를 생성하고, 암모니아-산화 미생물(NH3→NO2−)과 아질산염-산화 미생물(NO2−→NO3−)의 협력으로 완전 질산화를 수행함 • 아나목스 및 질소 제거 공정: 절대혐기성 아나목스 세균이 무산소 조건에서 NH3를 전자공여체, NO2−를 전자수용체로 사용해 N2를 생성함으로써 고정 질소를 제거하며, 이 경로가 폐수처리에서 질소 부하 감소를 위한 핵심 생물학적 공정으로 활용됨 |
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[28강] 발효대사의 원리와 발효의 종류 (1)
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발효대사의 원리와 젖산·혼합산 발효 핵심 정리
• 발효대사와 에너지 보존: 무산소 조건에서 고에너지 화합물(acyl-CoA 등)을 이용한 기질수준 인산화로 ATP를 합성하며, 발효산물 생성은 곧 에너지 보존(ATP 합성)과 산화/환원 균형 유지를 의미함 • 발효산물과 전자 흐름: 젖산·아세트산·숙신산·에탄올·H2·CO2 등 환원된 최종산물을 방출해 원자수 및 산화/환원 균형을 맞추며, H2는 페레독신·수소화효소를 통해 형성되어 미생태계에서 전자공여체로 재활용됨 • 젖산 발효와 혼합산 발효: 젖산 발효는 동형(aldolase 보유, 젖산 단일 산물, CO2 없음, ATP 2)과 이형(aldolase 결여, 젖산+에탄올+CO2, ATP 1)으로 구분되며, 장내세균의 혼합산 발효는 포도당으로부터 아세트산·젖산·숙신산과 함께 에탄올·H2·CO2를 생성하는 복합 발효 경로임 |
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[29강] 발효대사의 원리와 발효의 종류 (2)
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발효대사의 원리: 클로스트리디움, 프로피온산, 무기질 인산화 발효, 영양공생
• 클로스트리디움·프로피온산 발효: Clostridium의 해당과정·acetyl-CoA·기질수준 인산화 기반 부틸산·아세톤·부탄올 발효와 Propionibacterium의 젖산/포도당→피루브산→옥살아세트산→숙신산→프로피온산 경로 및 치즈 발효 응용 정리 • 기질수준 인산화가 없는 발효: Propionigenium modestum의 숙신산염 발효(ΔG°′ -20.5 kJ/mol, Na⁺ 이온펌프·나트륨 동력 활용)와 Oxalobacter formigenes의 옥살산염 발효(ΔG°′ -26.7 kJ/mol, antiport·proton motive force 활용)에서 막 이온동력과 ATP 합성 결합 원리 • 영양공생 에너지론: 1차·2차 발효로 구성된 syntrophy에서 종간 H2 전달을 통한 평형 이동·에너지 보존 메커니즘과 뿌리혹박테리아·반추동물 위 세균 등 공생 사례를 통해 무산소 탄소순환에서의 역할 구조화 |
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[30강] 혐기적 호흡의 원리와 종류 (1)
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혐기적 호흡의 원리와 질산염·황산염 환원 핵심 정리
• 혐기적 호흡·전자전달계: O2 대신 NO3−, SO42−, CO2 등을 전자수용체로 사용하는 막 기반 전자전달·양성자 동력·ATP 합성 중심의 호흡 대사 • 동화적 환원 vs 이화적 환원: NO3−·SO42−·CO2를 각각 세포 구성용 거대분자로 환원·동화(동화적)하거나, 에너지 보전을 위해 다량 환원해 N2·H2S·CH4 등 작은 분자로 배출(이화적)하는 대사 구분 • 질산염·황산염 환원과 탈질·황산염-환원 세균: NO3−의 NO2−→NO→N2O→N2 탈질산화와 SO42−→H2S 이화적 황산염 환원, 통성호기성 탈질 세균과 절대혐기성 황산염-환원 세균의 전자전달계(H2ase–cyt–Fe–S–환원효소) 및 불균등화·아인산염 산화 등 특이 대사 정리 |
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[31강] 혐기적 호흡의 원리와 종류 (2)
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혐기적 호흡: 아세트산 생성, 메탄 생성, 금속·유기전자·양성자 환원 정리
• 아세트산 생성과 아세틸-CoA 경로: CO2를 전자수용체, H2·유기기질을 전자공여체로 사용하는 아세트산생성균(주로 Clostridium, Acetobacterium)의 아세틸-CoA 경로(메틸기·카르보닐기 이중 선형 경로, CO dehydrogenase, THF)와 기질수준 인산화·이온펌프 기반 에너지 보존 정리 • 메탄 생성과 에너지 보존: 메탄생성균 고세균이 CO2를 C1 운반체 조효소(MFR, MPT)·메틸-CoM을 거쳐 CH4로 환원하는 단계, C1 운반체 조효소 vs 산화·환원 조효소 구분, 기질수준 인산화 없이 H+ 또는 Na+ 동력 생성으로 ATP 합성하는 메커니즘 정리 • 비산화질소성 전자수용체 환원: Fe3+/Mn4+ 금속 이온 환원과 PMF 형성, 푸마르산염→숙신산염 전환을 통한 유기 전자수용체 사용(E. coli 등 통성 호기성 세균의 혐기 성장), Pyrococcus furiosus의 당·펩티드 산화와 H+ 환원(양성자 환원)으로 이루어지는 단순 전자공여체–전자수용체 조합 정리 |
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[32강] 호기적 탄화수소 대사와 호기적 메탄 영양
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호기적 탄화수소 대사와 호기적·무산소 메탄 대사 핵심 정리
• 호기적 탄화수소 대사: 산소화효소(일산소화효소·이산소화효소)에 의한 O2 첨가로 포화·방향족 탄화수소를 지방산·카테콜 등으로 전환하고, β-산화와 시트르산 회로로 유입해 에너지·전구체 생산 • 메탄 호기적 대사와 C1 동화: 메탄영양체에서 메탄 일산소화효소(MMO)로 CH4→CH3OH 산화 후 전자전달계·양성자 동력·ATP 합성을 수행하고, 리불로오스 일인산염 경로와 세린 경로로 C1을 세포 물질로 동화 • 무산소 탄화수소·메탄 대사: 질산염·황산염·Fe3+ 환원과 연계해 지방족·방향족 탄화수소와 메탄을 전자공여체로 산화하며, 톨루엔의 푸마르산염 첨가를 통한 benzoyl-CoA 형성과 ANME–황산염환원균 컨소시엄에 의한 메탄 산화–황산염 환원이 특징 |
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이정창 교수님
미생물학Ⅱ
