대장균

속명 Escherichia는 1885년 영아의 대변에서 이 세균을 최초로 분리·기재한 독일-오스트리아 소아과 의사 테오도어 에셰리히(Theodor Escherich, 1857~1911)의 이름에서 유래했다. 에셰리히는 원래 이 세균을 Bacterium coli commune(대장의 일반적인 세균)라 명명했으며, 1919년 Castellani와 Chalmers가 새로운 속 Escherichia를 설립하면서 현재의 학명 Escherichia coli로 재분류했다. 종소명 coli는 라틴어 colon(대장)의 소유격으로, 이 세균이 주로 대장에서 발견되는 데서 유래했다(LPSN: co'li, L. gen. neut. n. coli, of the colon).

LPSN(List of Prokaryotic names with Standing in Nomenclature)에 따르면 E. coli는 현재 유효하게 출판된 정명(correct name)이며, 의학적 사용이 명시적으로 권고되는 종명으로 등록되어 있다. NCBI Taxonomy ID는 562이고, 분류학적 권위는 (Migula 1895) Castellani and Chalmers 1919 (Approved Lists 1980)로 표기된다. E. coli는 Escherichia 속의 모식종(type species)이자 장내세균과의 모식속에 속하는 핵심 분류군이다.

E. coli를 한 문장으로 요약하면, 인간의 장내 공생균이자 분자생물학 역사상 가장 중요한 모델생물이며, 동시에 일부 병원성 균주에 의한 감염과 항생제 내성으로 세계적 공중보건 위협이 되는 다면적 세균이다.

E. coli의 분류학적 위치는 다음과 같다. 역(Domain) Bacteria, 문(Phylum) Pseudomonadota(구 Proteobacteria), 강(Class) Gammaproteobacteria, 목(Order) Enterobacterales, 과(Family) Enterobacteriaceae, 속(Genus) Escherichia, 종(Species) E. coli이다. 모식균주(type strain)는 ATCC 11775(= DSM 30083 = NCTC 9001)로 지정되어 있으며, 해당 균주의 완전 유전체가 GEBA(Genomic Encyclopedia of Bacteria and Archaea) 프로젝트의 일환으로 해독되었다(Meier-Kolthoff et al., 2014).

E. coli는 유전적·표현형적으로 극도로 다양한 종이다. 범유전체(pangenome) 분석에 따르면 E. coli 종 전체에서 확인된 유전자 수는 30,000개 이상에 이르지만, 핵심 유전체(core genome)는 약 2,000~3,000개 유전자에 불과하여 전체 유전체의 약 20%만이 모든 균주에 공유된다(Lukjancenko et al., 2010; Abram et al., 2021). 2021년 발표된 Mash 기반 대규모 계통분석에서는 10,667개 E. coli 유전체를 분석하여 기존 7~8개에서 최대 14개의 계통군(phylogroup)을 식별했다(Abram et al., 2021). 전통적으로 인정되는 주요 계통군은 A, B1, B2, C, D, E, F, G이며, 계통군 B2와 D는 주로 장 외 감염(요로 감염, 패혈증 등)과 연관되고, A와 B1은 주로 공생균에 해당한다.

DNA-DNA 혼성화(hybridization) 및 전체 유전체 분석에 따르면 Shigella 속의 4종(S. dysenteriae, S. flexneri, S. boydii, S. sonnei)은 유전적으로 E. coli 종 내에 포함되어야 한다(Brenner, 1984; LPSN). 그러나 세균성 이질을 유발하는 의학적 중요성과 역사적 관행 때문에 별도 속으로 유지되고 있으며, 이러한 현상을 분류학에서는 'taxa in disguise'(위장된 분류군)라 한다. 또한 2023년 연구에서는 NCBI에 E. coli로 등록된 유전체 중 일부가 생식적으로 격리된 별개 종에 해당할 수 있음이 보고되어, E. coli의 종 경계에 대한 논의가 계속되고 있다(Gonzalez-Alba et al., 2023).

대장균의 종 하 분류에는 혈청형(serotype) 체계가 광범위하게 사용된다. O 항원(체세포 항원, 지질다당류 기반)은 약 190개 혈청군, H 항원(편모 단백질 플라젤린 기반)은 약 53종, K 항원(협막 다당류 기반)은 약 80종이 알려져 있다. 예를 들어 O157:H7은 O 항원 157형과 H 항원 7형을 가진 혈청형을 의미하며, 가장 널리 알려진 병원성 혈청형 중 하나이다.

E. coli는 양 끝이 둥근 직선형 막대 모양(간균, rod-shaped)의 세균이다. 세포 크기는 성장 조건에 따라 다소 변하지만, 일반적으로 길이 약 1.0~3.0 μm(전형적으로 약 2.0 μm), 폭 약 0.25~1.0 μm(전형적으로 약 0.5 μm)이며, 세포 부피는 약 0.6~0.7 μm³(약 1 fL)이다(BioNumbers). 세포는 단독 또는 쌍으로 존재하며, 영양 고갈이나 스트레스 환경에서는 구형(coccoid)에서 신장된 사상형(filamentous)까지 다양한 형태를 나타낼 수 있다.

E. coli는 그람 음성균 특유의 이중막(double membrane) 세포벽 구조를 가진다. 내막(세포질막)은 인지질 이중층으로 물질 수송과 에너지 생산(전자전달계)에 관여한다. 펩티도글리칸층(murein layer)은 그람 양성균에 비해 얇은 약 2~7 nm 두께이며 세포 형태를 유지하는 구조적 골격 역할을 한다. 외막(outer membrane)은 E. coli 세포벽의 가장 독특한 특징으로, 내층은 인지질, 외층은 지질다당류(lipopolysaccharide, LPS)로 구성된다. LPS는 지질 A(내독소 활성), 핵심 올리고당, O 항원 다당류의 세 부분으로 이루어져 있으며, 그람 음성 패혈증에서 내독소 쇼크를 유발하는 주요 원인 물질이다. 외막에는 포린(porin, 예: OmpF, OmpC)이라 불리는 수용성 단백질 채널이 존재하여 소분자 물질의 선택적 투과를 허용한다.

E. coli는 주모성(peritrichous) 편모 배열을 가지며, 약 5~10개의 편모가 세포 표면 전체에 걸쳐 분포한다. 편모는 플라젤린(flagellin) 단백질로 구성되며, 양성자 구동력(proton motive force)에 의해 회전하여 액체 환경에서 초당 약 25 μm(세포 길이의 약 10배)의 속도로 수영할 수 있다. 그러나 모든 균주가 운동성을 가지는 것은 아니며, 일부 병원성 균주(예: EIEC)는 비운동성이다. 섬모(pili/fimbriae)는 짧고 가는 단백질 부속물로 숙주 세포 표면 부착에 중요한 역할을 한다. 제1형 섬모는 만노스 잔기에 결합하는 FimH 부착소를 가지며, P 섬모(pap pili)는 요로병원성대장균(UPEC)이 요로 상피세포의 P-혈액군 항원에 부착하는 데 핵심적인 역할을 한다. 포자를 형성하지 않는다.

그람 염색 시 E. coli는 얇은 펩티도글리칸층으로 인해 에탄올 탈색 과정에서 크리스탈 바이올렛-아이오딘 복합체를 유지하지 못하고, 대조염색제인 사프라닌에 의해 분홍색~빨간색으로 염색된다.

E. coli의 유전체는 단일 원형(circular) 이중가닥 DNA 염색체로 구성된다. 가장 잘 알려진 실험실 표준 균주인 K-12 MG1655의 유전체는 1997년 Blattner 등에 의해 완전히 해독되어 GenBank에 등록되었다(U00096, 이후 U00096.3으로 갱신). 유전체 크기는 4,641,652 bp(약 4.6 Mb)이며, GC 함량은 50.8%, 단백질 코딩 유전자는 약 4,300개이다. 그러나 자연에서 분리된 E. coli 균주의 유전체 크기는 약 3.98 Mb(최소화 균주 K-12 MDS42)에서 5.86 Mb(병원성 O26:H11 11368)까지 상당한 범위를 보인다.

E. coli의 범유전체(pangenome)는 매우 개방적(open)이며, 종 전체에서 확인된 유전자군(gene family)은 30,000개를 초과한다. 이 가운데 핵심 유전체를 구성하는 약 2,000~3,000개 유전자만이 거의 모든 균주에 보존되어 있으며, 나머지는 접합(conjugation), 형질도입(transduction), 형질전환(transformation) 등 수평적 유전자 전달(HGT)을 통해 획득된 보조 유전체(accessory genome)에 해당한다. K-12 MG1655 유전체의 약 18%가 Salmonella와의 분기 이후 수평적으로 획득된 것으로 추정된다(Lawrence and Ochman, 1998). 병원성 유전자(독소, 부착인자, 철 획득 시스템 등)의 상당수가 병원성 섬(pathogenicity island), 플라스미드, 용원성 파지 등을 통해 전달되며, 시가 독소 유전자의 E. coli O157:H7으로의 전달이 대표적인 사례이다.

K-12 유전체에서 기능이 밝혀지지 않은 유전자의 비율은 EcoCyc 데이터베이스 기준 약 38%에 이르며, 이들의 기능 규명은 현재 진행 중인 중요 연구 과제이다. DNA 복제는 단일 복제원점(oriC)에서 양방향으로 진행되며, C 기간(전체 염색체 복제 소요 시간)은 약 40분이다. 빠른 성장 조건에서는 세대 시간(약 20분)이 C 기간보다 짧을 수 있으며, 이는 중첩 복제(overlapping replication)를 통해 가능하다. 즉 이전 복제 라운드가 완료되기 전에 새로운 복제가 시작되어, 세포 내에 동시에 여러 복제 포크가 공존할 수 있다.

E. coli의 대다수 균주(약 90% 이상)는 무해한 공생균이지만, 특정 독력인자(virulence factor)를 획득한 병원성 균주는 다양한 감염성 질환을 유발한다. 설사를 유발하는 장내 병원성 E. coli(diarrheagenic E. coli, DEC)는 6가지 주요 병원형으로 분류된다(Nataro and Kaper, 1998; Kaper et al., 2004).

장출혈성대장균(EHEC/STEC)은 시가 독소(Shiga toxin, Stx1 및/또는 Stx2)를 생산하여 출혈성 대장염과 용혈성요독증후군(HUS)을 유발할 수 있다. HUS는 급성 신부전, 미세혈관병성 용혈성 빈혈, 혈소판 감소증을 특징으로 하며, 특히 5세 미만 어린이와 고령자에서 치명적일 수 있다. 가장 잘 알려진 혈청형인 O157:H7은 1982년 미국 오레곤과 미시간에서 오염된 햄버거에 의한 혈성 설사 발생으로 처음 인식되었다. 장관독소원성대장균(ETEC)은 이열성 독소(LT)와 내열성 독소(ST)를 생산하며, 개발도상국 여행자 설사의 주요 원인이다. 장병원성대장균(EPEC)은 인티민(intimin)을 이용한 부착-소실(attaching and effacing, A/E) 병변을 형성하며 주로 영아 설사를 유발한다. 장침습성대장균(EIEC)은 Shigella와 유사하게 장 점막 상피세포에 침입하여 이질 유사 증상을 일으킨다. 장응집성대장균(EAEC)은 지속성 설사와 연관되며, 분산부착성대장균(DAEC)은 주로 소아 설사와 관련된다.

장 외 감염 측면에서, 요로병원성대장균(UPEC)은 요로 감염(UTI)의 가장 흔한 원인균으로 전체 지역사회 획득 UTI 사례의 약 80~90%를 차지한다(Foxman, 2014). UPEC는 제1형 섬모(FimH), P 섬모, 알파-용혈소(HlyA), 에어로박틴 등 다양한 독력인자를 통해 요로 상피세포에 부착하고 세포 내 침입하여 감염을 확립한다. 신생아 수막염 관련 E. coli(NMEC)는 K1 협막 항원을 가지며 신생아 세균성 수막염의 주요 원인균 중 하나이다. 또한 E. coli는 병원 내 감염(혈류 감염, 카테터 관련 UTI, 복강 내 감염, 인공호흡기 관련 폐렴 등)의 주요 원인균이기도 하다.

진단은 배양(MacConkey 한천 또는 EMB 한천에서 특징적 집락 형성), 생화학 검사(젖당 발효 양성, 인돌 양성, 시트르산 이용 음성 등), 혈청형 분류, 그리고 중합효소연쇄반응(PCR)에 의한 독력 유전자 검출을 통해 이루어진다.

E. coli는 전 세계적으로 분포하며, 건강한 인간의 90% 이상의 장에서 발견된다. 병원성 E. coli의 전파는 주로 분변-경구 경로를 통해 이루어지며, 오염된 식품(덜 익힌 쇠고기, 잎채소, 비살균 우유/주스), 오염된 음용수, 감염자와의 직접 접촉, 동물과의 접촉(특히 반추동물) 등이 주요 전파 경로이다.

STEC/EHEC에 의한 대규모 유행 사례로는 1996년 일본 사카이시에서 약 9,000명이 감염된 O157:H7 유행, 2006년 미국에서 오염된 시금치에 의한 O157:H7 유행, 그리고 2011년 독일에서 호로파 새싹에 의한 O104:H4 유행(사망자 54명, HUS 환자 약 850명)이 대표적이다. 2011년 독일 유행은 EAEC와 STEC의 특성을 동시에 가진 하이브리드 병원형에 의한 것으로, E. coli 병원성의 진화적 역동성을 보여주는 사례였다.

ETEC에 의한 설사는 전 세계적으로 연간 수억 건 발생하며, 특히 개발도상국의 5세 미만 어린이에서 주요 사망 원인이다. UPEC에 의한 UTI는 전 세계적으로 가장 흔한 세균 감염 중 하나로, 여성의 약 50~60%가 일생에 한 번 이상 경험하는 것으로 추정된다.

E. coli 감염에 대한 면역 반응은 선천면역과 적응면역 모두를 포함한다. 장 점막의 분비성 IgA는 1차 방어선 역할을 하며, LPS는 TLR4(톨 유사 수용체 4)를 통해 강력한 선천면역 반응을 유발한다. 편모 단백질(플라젤린)은 TLR5에 의해 인식된다. 그러나 병원성 균주는 다양한 면역 회피 기전(협막에 의한 보체 활성화 저해, 제3형 분비 시스템에 의한 숙주 세포 신호 조작 등)을 보유하고 있다.

STEC/EHEC 감염의 치료에서 항생제 사용은 논란이 있다. 항생제가 시가 독소 방출을 촉진하여 HUS 위험을 증가시킬 수 있다는 우려 때문에, STEC 감염에서는 일반적으로 항생제 사용이 권장되지 않으며 주로 보존적 치료(수분 보충, 전해질 교정)가 시행된다. UTI를 유발하는 UPEC에 대해서는 트리메토프림-설파메톡사졸, 니트로푸란토인, 포스포마이신, 플루오로퀴놀론 등이 사용되나, 내성률 증가에 따라 경험적 항생제 선택이 점점 어려워지고 있다.

항생제 내성은 E. coli와 관련된 가장 심각한 공중보건 문제 중 하나이다. ESBL(extended-spectrum beta-lactamase)을 생산하는 E. coli는 3세대 세팔로스포린을 포함한 대부분의 베타락탐 항생제에 내성을 보인다. 카바페넴 내성 장내세균(CRE)은 마지막 수단 항생제인 카바페넴에도 내성을 나타내며, 2015년 중국에서 최초로 보고된 mcr-1 유전자(플라스미드 매개 콜리스틴 내성)는 최후 수단 항생제인 콜리스틴에 대한 이동성 내성을 부여한다. CDC의 2019년 항생제 내성 위협 보고서에 따르면, 미국에서 매년 280만 건 이상의 항생제 내성 감염이 발생하고 35,000명 이상이 사망하며, ESBL 생산 장내세균은 심각한 위협(serious threat)으로 분류된다. 2024년 WHO BPPL은 카바페넴 내성 장내세균과 3세대 세팔로스포린 내성 장내세균을 모두 최우선 위협(critical priority)으로 지정했다.

새로운 치료법으로는 박테리오파지 치료가 주목받고 있다. 2024년 발표된 가장 대규모 파지 치료 임상시험에서는 Locus Biosciences의 6개 균주 파지 칵테일이 임상 분리 E. coli의 94%에 대해 시험관 내 효과를 보였다(C&EN, 2024). 또한 CRISPR-Cas 시스템을 탑재한 공학적 파지가 E. coli 생물막 내 표적 세균을 선택적으로 제거하는 데 효과적임이 보고되었다(Kiga et al., 2023). 예방 측면에서는 철저한 손 위생, 육류의 완전 조리(갈은 쇠고기 내부 온도 71°C 이상), 비살균 유제품 회피, 과일·채소의 충분한 세척, 교차 오염 방지 등이 효과적이다.

E. coli의 일차적 서식지는 온혈 동물의 하부 장관(대장)이다. 장내 세균총에서 E. coli를 포함한 통성혐기성균이 차지하는 비율은 총 세균의 약 0.1%에 불과하지만, 건강한 성인의 장에는 평균적으로 약 5개의 서로 다른 E. coli 균주가 공존하며 중요한 생태적 역할을 수행한다(Tenaillon et al., 2010). 장내에서 E. coli는 비타민 K2(메나퀴논)와 비타민 B12를 생산하여 숙주에 공급하고(Bentley and Meganathan, 1982), 병원성 세균의 장내 정착을 방지하는 집락 저항성(colonization resistance)을 제공하며, 장내 산소를 소비하여 절대혐기성균들에게 적합한 환경을 조성한다. E. coli Nissle 1917 균주는 이러한 유익한 특성을 활용하여 프로바이오틱 의약품(Mutaflor)으로 상용화되어 있다.

대사적으로 E. coli는 화학종속영양생물(chemoheterotroph)로서, 산소 존재 시 호기성 호흡을, 산소 부재 시 혐기성 호흡 또는 혼합산 발효(mixed acid fermentation)를 수행한다. 혼합산 발효 시 젖산, 숙신산, 에탄올, 아세트산, 포름산(이산화탄소 + 수소로 분해)을 생산하며, 수소 가스 생산은 장내 메탄생성 고세균이나 황산염 환원균과의 종간 수소 전달(interspecies hydrogen transfer)에 중요하다. 포도당과 젖당이 함께 존재할 때 포도당을 우선 소비하는 대사물 억제(catabolite repression) 현상은 Jacob과 Monod의 젖당 오페론(lac operon) 연구를 통해 유전자 조절의 고전적 모델이 되었다.

E. coli는 숙주 밖 환경에서도 일정 기간 생존할 수 있어 수질 및 식품 안전 분야에서 분변 오염의 지표생물(indicator organism)로 활용된다. 최근 연구에서는 숙주 밖 환경(토양, 담수)에서도 장기간 생존하고 증식할 수 있는 환경 지속성(environmentally persistent) E. coli 계통이 발견되어, 기존의 분변 지표생물로서의 해석에 주의가 필요함이 제기되고 있다.

E. coli의 과학적 역사는 1885년 테오도어 에셰리히가 독일 뮌헨에서 건강한 영아의 대변에서 이 세균을 처음 분리·기재한 것에서 시작된다(Escherich, 1885). 에셰리히는 한스 크리스티안 그람(Hans Christian Gram)이 개발한 새로운 염색법을 사용하여 이 세균의 특성을 기술했다. 1922년 회복 중인 디프테리아 환자의 대변에서 분리된 균주가 스탠퍼드 대학교 균주 컬렉션에 K-12로 등록되었으며, 이 균주가 이후 분자생물학의 핵심 실험 도구가 되었다.

1946년 Joshua Lederberg와 Edward Tatum이 K-12 균주를 사용하여 세균의 유전적 재조합(접합)을 발견한 것은 세균 유전학의 시작을 알리는 획기적 사건이었으며(Lederberg and Tatum, 1946), 1958년 노벨 생리의학상으로 이어졌다. 이후 E. coli는 유전암호 해독(1968년 노벨상), 유전자 조절 메커니즘(oepron 개념, 1965년 노벨상), 제한효소 발견(1978년 노벨상), 재조합 DNA 기술(1980년 노벨상), ATP 합성 메커니즘(1997년 노벨상), 단백질 신호서열(1999년 노벨상), 녹색형광단백질(GFP, 2008년 노벨상) 등 총 11건의 노벨상 수상 연구에 활용되었다(NCBI Bookshelf, NBK562895).

생명공학 분야에서의 이정표로는 1973년 Cohen과 Boyer에 의한 최초의 재조합 DNA 실험, 1978년 Genentech의 E. coli 기반 재조합 인간 인슐린 생산, 1982년 Humulin의 FDA 승인(최초의 재조합 의약품) 등이 있다. 현재에도 E. coli는 재조합 단백질 생산에서 가장 널리 사용되는 숙주생물로, 인슐린, 성장호르몬, 인터페론, 산업용 효소 등의 대량 생산에 활용되고 있다.

1988년 리처드 렌스키(Richard Lenski)가 시작한 대장균 장기 진화 실험(LTEE)은 단일 조상 균주에서 출발한 12개 독립 집단의 진화를 실시간으로 추적하는 세계 최장 기간 진화 실험이다. 2024년 8월 80,000세대를 돌파했으며, 이후 Jeffrey Barrick의 UT Austin 연구실에서 82,000세대까지 진행된 뒤 2025년 9월 MSU로 복귀하여 계속되고 있다(the-ltee.org, 2025). 이 실험에서 한 집단이 약 31,500세대 만에 호기적 시트르산 대사 능력을 진화시킨 것은 실험실에서 관찰된 미생물 종 분화의 대표적 사례로 평가된다.

Salmonella enterica는 E. coli와 약 1억 200만 년 전에 공통 조상에서 분기한 것으로 추정된다. 두 속은 유전체 수준에서 높은 상동성을 보이지만, Salmonella는 젖당을 발효하지 않고 H₂S를 생산하며, 세포 내 기생 능력을 가진다는 점에서 구별된다. Shigella는 앞서 언급한 바와 같이 유전학적으로 E. coli 종 내에 포함되지만, 비운동성, 젖당 비발효, 세포 침습 능력 등의 특성으로 임상적으로 구별되며 의학적 관행상 별도 속으로 유지된다.