대장균

E. coli는 장내세균과의 모식속인 Escherichia 속의 모식종이다. NCBI Taxonomy ID는 562이며, 분류학적 권위는 (Migula 1895) Castellani and Chalmers 1919로 표기된다. E. coli는 유전적·표현형적으로 매우 다양한 종으로, 전형적인 대장균 유전체에서 약 20%의 유전자만이 모든 균주에 공유된다.

DNA 상동성 분석에 따르면 Shigella 속의 4종(S. dysenteriae, S. flexneri, S. boydii, S. sonnei)은 분류학적으로 E. coli 종 내에 포함되어야 하지만, 세균성 이질을 유발하는 의학적 중요성 때문에 별도 속으로 유지되고 있다. 이러한 현상을 분류학에서는 taxa in disguise(위장된 분류군)라 한다.

대장균은 세 가지 주요 표면 항원을 기반으로 혈청형(serotype)으로 분류된다. O 항원(체세포 항원)은 지질다당류(LPS) 층의 일부로 약 190개의 혈청군이 알려져 있다. H 항원(편모 항원)은 편모 단백질인 플라젤린에 기반하며, K 항원(협막 항원)은 협막 다당류에 기반한다. 예를 들어 O157:H7은 O 항원 157형과 H 항원 7형을 가진 혈청형을 의미한다.

E. coli 균주들은 진화적 유연관계에 따라 A, B1, B2, C, D, E, F 등 주요 계통군(phylogroup)으로 분류되며, 2023년 기준 최신 분석에서는 8~14개 그룹이 인정된다. 계통군 B2와 D는 주로 장 외 감염(요로 감염 등)과 연관되고, A와 B1은 주로 공생균에 해당한다.

E. coli의 일차적 서식지는 인간을 포함한 온혈 동물의 하부 장관(대장)이다. 장내 세균총에서 E. coli를 포함한 통성혐기성균이 차지하는 비율은 약 0.1%에 불과하지만, 건강한 성인의 90% 이상에서 발견되며 중요한 생태적 역할을 수행한다. 평균적으로 건강한 인간의 장에는 약 5개의 서로 다른 E. coli 균주가 공존한다.

장내에서 E. coli는 여러 유익한 기능을 담당한다. 비타민 K2(메나퀴논)를 생산하여 혈액 응고와 상처 치유에 기여하고, 비타민 B12도 생산한다(Bentley and Meganathan, 1982). 병원성 세균의 장내 정착을 방지하는 집락 저항성(colonization resistance)을 제공하며, 장내 산소를 소비하여 혐기성 세균들에게 적합한 환경을 조성한다. E. coli Nissle 1917 균주는 프로바이오틱으로 사용되어 장 감염 예방에 효과가 있다.

E. coli는 대변과 함께 환경으로 배출된다. 신선한 대변에서는 호기성 조건에서 3일간 대량 증식하지만, 그 이후 개체수가 서서히 감소한다. 숙주 밖에서 제한된 시간 동안 생존할 수 있어 분변 오염의 지표생물(indicator organism)로 활용된다. 그러나 최근 연구에서는 숙주 밖 환경에서도 수일간 생존하고 증식할 수 있는 환경 지속성(environmentally persistent) E. coli가 발견되었다.

Escherichia 속과 Salmonella 속은 약 1억 200만 년 전(신뢰구간 5,700만~1억 7,600만 년)에 공통 조상에서 분기했으며, 이는 각각의 숙주(포유류 vs 조류/파충류)의 분기보다 훨씬 나중에 일어난 사건이다. 이후 Escherichia 조상은 5개 종(E. albertii, E. coli, E. fergusonii, E. hermannii, E. vulneris)으로 분화했으며, 마지막 E. coli 조상의 분화는 약 2,000만~3,000만 년 전에 일어났다.

E. coli K-12 MG1655 균주의 완전한 유전체 서열은 1997년 1월 16일 GenBank에 등록되었다(Blattner et al., 1997). 유전체 크기는 4,639,221 bp(약 4.6 Mb)이며, GC 함량은 50.8%, 단백질 코딩 유전자는 4,288개이다. 자연에서 분리된 E. coli 균주의 유전체 크기는 약 3.98 Mb(K-12 subMDS42)에서 5.86 Mb(O26:H11 11368)까지 다양하다.

E. coli는 접합(conjugation), 형질도입(transduction), 형질전환(transformation)을 통해 유전물질을 획득한다. 실험실 표준 균주 MG1655 유전체의 약 18%가 Salmonella와 분기 이후 수평적으로 획득되었다. 형질도입을 통해 Shigella로부터 시가 독소(Shiga toxin) 유전자가 E. coli O157:H7로 전달된 것이 대표적인 예이다.

1988년 리처드 렌스키(Richard Lenski)가 시작한 대장균 장기 진화 실험(LTEE)은 실험실에서 65,000세대 이상에 걸쳐 유전체 진화를 직접 관찰한 획기적 연구다. 이 실험에서 한 집단의 E. coli가 약 31,500세대 만에 예상치 못하게 호기적 시트르산 대사 능력을 진화시켰으며, 이는 미생물 종 분화의 특징을 보여주는 중요한 진화적 사건으로 평가된다.

E. coli는 그람 음성의 막대 모양(간균, rod-shaped) 세균으로, 양 끝이 둥글다. 세포 크기는 길이 약 1.0~3.0 μm(일반적으로 약 2.0 μm), 폭 약 0.25~1.0 μm(일반적으로 약 0.5 μm)이며, 세포 부피는 약 0.6~0.7 μm³(약 1 fL)이다. 세포 형태는 성장 조건에 따라 구형에서 신장된 사상형까지 다양하게 변할 수 있다.

E. coli는 그람 음성균 특유의 3층 외피 구조를 가진다. 내막(세포질막)은 인지질 이중층으로 구성되어 물질 수송과 에너지 생산에 관여한다. 펩티도글리칸층은 그람 양성균에 비해 얇은 약 2~7 nm 두께로 세포 형태를 유지한다. 외막은 지질다당류(LPS)를 포함하는 독특한 외부 장벽으로, 특정 항생제(예: 페니실린)에 대한 저항성을 제공한다. 외막에는 포린(porin)이라는 단백질 채널이 있어 소분자 물질의 선택적 통과를 허용한다.

E. coli는 주모성(peritrichous) 편모 배열을 가지며, 편모가 세포 표면 전체에 걸쳐 분포한다. 편모의 회전에 의해 액체 환경에서 수영할 수 있으나, 모든 균주가 운동성을 가지는 것은 아니다. 섬모(pili/fimbriae)라 불리는 짧고 가는 단백질 부속물은 숙주 세포 표면에 부착하는 데 중요한 역할을 한다. 장병원성 E. coli(EPEC)은 인티민(intimin)이라는 부착 분자를 통해 장 점막 미세융모에 부착한다.

그람 염색 시 E. coli는 대조염색제인 사프라닌에 의해 분홍색~빨간색으로 염색된다. 이는 외막이 크리스탈 바이올렛-아이오딘 복합체를 유지하지 못하기 때문이다.

E. coli는 화학종속영양생물(chemoheterotroph)로서 탄소원과 에너지원으로 유기 화합물을 필요로 한다. 통성혐기성균으로서 산소가 있으면 호기성 호흡을, 없으면 발효 또는 혐기성 호흡을 수행한다. E. coli는 세 가지 당분해 경로를 가진다: EMPP(해당과정), EDP(Entner-Doudoroff 경로), OPPP(산화적 오탄당 인산 경로).

포도당과 젖당이 함께 존재할 때 E. coli는 먼저 포도당을 소비한 후 젖당을 사용하는데, 이 현상은 대사물 억제(catabolite repression)로 알려져 있으며 젖당 오페론(lac operon) 조절의 고전적 예시이다.

혐기성 조건에서는 혼합산 발효(mixed acid fermentation)를 통해 젖산, 숙신산, 에탄올, 아세트산, 이산화탄소를 생산한다. 수소 가스도 생산되며, 이는 장내에서 메탄생성균이나 황산염 환원균과의 공생에 중요하다.

최적 성장 온도는 37°C(체온)이며, 일부 균주는 최대 49°C에서도 증식이 가능하다. 최적 pH는 약 7.0이다. LB 배지(Lysogeny Broth) 또는 포도당, 인산암모늄, 염화나트륨, 황산마그네슘, 인산칼륨 등을 포함하는 최소 배지에서 배양할 수 있다.

E. coli는 이분법(binary fission)을 통해 무성생식한다. 이 과정에서 DNA가 복제되고 세포가 두 개의 딸세포로 분열한다. 세포 주기는 세 단계로 나뉜다: B 기간(세포 분열 완료부터 DNA 복제 시작까지), C 기간(염색체 DNA 복제에 소요되는 시간, 약 40분), D 기간(DNA 복제 완료부터 세포 분열 종료까지).

최적 조건(37°C, 영양 풍부한 배지, 호기성, pH 7.0)에서 E. coli의 세대 시간은 약 20분으로, 알려진 세균 중 가장 빠른 편에 속한다(PMC8006063). 그러나 인체 장관 내에서의 세대 시간은 약 12~15시간으로 추정되며, 야생 환경에서는 약 15시간 이상이다(PMC6015860).

세대 시간(약 20분)이 DNA 복제 시간(약 40분)보다 짧을 수 있는 이유는 중첩 복제(overlapping replication) 때문이다. 빠른 성장 조건에서 새로운 복제 라운드가 이전 라운드가 완료되기 전에 시작되어, 동시에 여러 개의 복제 포크(2^n개, n=1, 2, 또는 3)가 존재할 수 있다.

비록 이분법이 두 개의 동일한 딸세포를 생산하는 것으로 여겨지지만, 실제로 이 세포들은 기능적으로 비대칭이다. 오래된 극(old pole)을 가진 세포는 노화하는 모세포 역할을 하며, 반복적으로 젊어진 자손을 생산한다. 스트레스 환경에서 손상 축적이 불멸성 임계값을 초과하면 분열을 멈추고 사멸할 수 있다.

병원성 E. coli는 인체 건강에 심각한 위협이 된다. 6가지 주요 병원형(pathotype)이 있다: EHEC(장출혈성대장균), ETEC(장관독소원성대장균), EPEC(장병원성대장균), EIEC(장침습성대장균), EAEC(장응집성대장균), DAEC(분산부착성대장균).

E. coli O157:H7은 가장 잘 알려진 병원성 혈청형으로, 1982년 미국 오레곤과 미시간에서 혈성 설사 발생으로 처음 인식되었다. 시가 독소(Stx1, Stx2)를 생산하여 출혈성 대장염과 용혈성요독증후군(HUS)을 유발할 수 있다. HUS는 급성 신부전, 용혈성 빈혈, 혈소판 감소를 특징으로 하며 치명적일 수 있다. 주로 오염된 쇠고기, 채소(특히 잎채소), 비살균 우유, 오염된 물을 통해 전파된다.

E. coli의 항생제 내성은 전 세계적으로 심각한 공중보건 위협이다. CDC의 2019년 항생제 내성 위협 보고서에 따르면, 미국에서 매년 280만 건 이상의 항생제 내성 감염이 발생하고 35,000명 이상이 사망한다. ESBL(광범위 베타락타마제) 생산 균주는 페니실린과 세팔로스포린에 내성을 보이며, 카바페넴 내성 장내세균(CRE)은 마지막 수단 항생제인 카바페넴에도 내성을 나타낸다. mcr-1 유전자를 가진 균주는 최후 수단 항생제인 콜리스틴에 대한 내성을 보인다.

요로병원성대장균(UPEC)은 요로 감염(UTI)의 가장 흔한 원인균으로, 전체 UTI 사례의 약 80~90%를 차지한다. 특정 부착 인자와 독력 인자를 가지고 있어 요로 상피세포에 부착하고 감염을 일으킨다.

E. coli는 전 세계적으로 광범위하게 분포하며 멸종 위기에 처해 있지 않다. IUCN 적색목록에 등재되어 있지 않으며, 세균의 특성상 개체군 보전의 대상이 아니다.

2024년 WHO 세균 우선순위 병원체 목록(BPPL)은 24개 병원체를 다루며, ESBL 생산 장내세균을 주요 위협으로 분류했다. IDSA(미국감염병학회)의 2024년 항생제 내성 감염 치료 가이드라인은 ESBL 생산 장내세균에 대한 치료 권고를 제공한다.

새로운 치료법으로는 항생제 조합 요법, 박테리오파지 치료, AI 기반 항균제 개발 등이 연구되고 있다. 조지아의 Eliava Phage Therapy Center는 2018년 이후 8,400명 이상의 환자를 맞춤형 파지 치료로 성공적으로 치료했으며, 여기에는 다제내성 E. coli 감염 사례도 포함된다.

Salmonella enterica는 E. coli와 약 1억 200만 년 전에 공통 조상에서 분기했다. 두 속의 유전체는 본질적으로 중첩 가능하며 비병원성 E. coli와 높은 상동성을 보인다. 주요 차이점으로 Salmonella는 젖당을 발효하지 않고 H₂S를 생산하며, 주로 조류와 파충류에서 발견된다.

Shigella 속의 4종은 유전적으로 E. coli 종 내에 포함되어야 하지만, 세균성 이질을 유발하는 의학적 중요성 때문에 별도 속으로 유지된다. Shigella는 비운동성이며 젖당을 발효하지 않는다.

E. coli는 분자생물학의 역사에서 가장 중요한 모델생물이다. 빠른 성장(세대 시간 약 20분), 저렴하고 간단한 배양, 잘 확립된 유전자 조작 기법, 완전히 해독된 유전체, 그리고 K-12 균주의 비병원성 등의 특성으로 인해 연구에 이상적이다.

E. coli를 사용한 연구는 11건 이상의 노벨상 수상으로 이어졌다. 1946년 Joshua Lederberg와 Edward Tatum은 K-12 균주를 사용하여 세균의 유전적 재조합을 발견했으며, 1958년 노벨 생리의학상을 수상했다. 1961년 François Jacob와 Jacques Monod가 오페론 개념과 유전자 조절 메커니즘을 발견하여 1965년 노벨상을 수상했다. 1978년 Werner Arber가 제한효소를 발견하여 노벨상을 수상했다.

생명공학 분야에서 E. coli는 재조합 DNA 기술의 핵심 숙주생물이다. 1973년 Stanley Cohen과 Herbert Boyer가 E. coli를 사용하여 최초의 재조합 DNA 실험을 수행했다. 1978년 Genentech에서 E. coli를 사용하여 최초로 재조합 인간 인슐린을 생산했으며, 1982년 Eli Lilly가 Humulin이라는 상품명으로 FDA 승인을 받아 판매를 시작했다. 현재 인슐린, 성장호르몬, 인터페론 등 의약용 단백질과 산업용 효소의 대량 생산에 E. coli가 활용된다.

| 특성 | 수치 | 출처 | |------|------|------| | 유전체 크기 | 4,639,221 bp (약 4.6 Mb) | Blattner et al., 1997 | | GC 함량 | 50.8% | BioNumbers | | 단백질 코딩 유전자 | 4,288개 | Blattner et al., 1997 | | 기능 미상 유전자 비율 | 약 38% | EcoCyc | | 염색체 수 | 1개 (원형) | NCBI | | 유전체 시퀀싱 연도 | 1997년 1월 16일 | GenBank U00096 | | GenBank 등록번호 | U00096.3 | NCBI |

| 특성 | 설명/수치 | 출처 | |------|----------|------| | 세포 형태 | 막대형 (간균) | Wikipedia | | 세포 길이 | 1.0~3.0 μm (일반적 약 2.0 μm) | BioNumbers | | 세포 폭 | 0.25~1.0 μm (일반적 약 0.5 μm) | BioNumbers | | 세포 부피 | 0.6~0.7 μm³ (약 1 fL) | BioNumbers | | 그람 염색 | 음성 (분홍색) | - | | 산소 요구 | 통성혐기성 | Wikipedia | | 최적 성장 온도 | 37°C | PMC8006063 | | 최적 pH | 7.0 | PMC8006063 | | 세대 시간 (최적 조건) | 약 20분 | PMC8006063 | | 세대 시간 (장관 내) | 약 12~15시간 | PMC6015860 | | 운동성 | 주모성 편모 | Wikipedia | | 포자 형성 | 불가 | Wikipedia |

| 병원형 | 약어 | 독력 인자 | 주요 증상 | 관련 질환 | |--------|------|----------|----------|----------| | 장출혈성 | EHEC | 시가 독소 (Stx1, Stx2) | 혈성 설사 | 출혈성 대장염, HUS | | 장관독소원성 | ETEC | 이열성/내열성 장독소 | 수양성 설사 | 여행자 설사 | | 장병원성 | EPEC | 인티민, LEE | 수양성 설사 | 영아 설사 | | 장침습성 | EIEC | 침입 관련 유전자 | 점액성/혈성 설사 | 이질 유사 | | 장응집성 | EAEC | 응집 부착 인자 | 지속성 설사 | 만성 설사 | | 분산부착성 | DAEC | Dr 부착 인자 | 수양성 설사 | 소아 설사 |

| 연도 | 수상자 | 업적 | 상 종류 | |------|--------|------|---------| | 1958 | Joshua Lederberg, Edward Tatum, George Beadle | 세균 유전적 재조합 발견 | 생리의학상 | | 1965 | François Jacob, Jacques Monod, André Lwoff | 유전자 조절 메커니즘 발견 (오페론) | 생리의학상 | | 1978 | Werner Arber, Daniel Nathans, Hamilton Smith | 제한효소 발견 및 응용 | 생리의학상 |

| 특성 | 대장균 | 살모넬라 | 시겔라 | 클렙시엘라 | |------|--------|----------|--------|------------| | 젖당 발효 | 양성 | 음성 | 음성 | 양성 | | H₂S 생산 | 음성 | 양성 | 음성 | 음성 | | 운동성 | 양성 | 양성 | 음성 | 음성 | | 인돌 생산 | 양성 | 음성 | 변이 | 음성 | | 시트르산 이용 | 음성 | 양성 | 음성 | 양성 | | 요소분해효소 | 음성 | 음성 | 음성 | 양성 | | 유전체 크기 | 4.6~5.5 Mb | 4.5~4.9 Mb | 4.0~4.8 Mb | 5.0~5.8 Mb |