그람 양성균과 그람 음성균은 왜 다른 색으로 염색되나?

SCIENCE WAVE

 

 

박테리아를 현미경으로 관찰할 때는 그들의 형체가 거의 반투명하여 자세히 확인하기 어렵다. 그러므로 특별한 화학물질로 세균을 염색하여 핵과 세포막(세포벽) 등이 잘 보이도록 한다. 이때 세균이 염색되는 성질을 두고, 그람 양성균(gram-positive)과 그람 음성균(gram-negative)으로 크게 구분한다. 염색하는 과정은 인체에 감염된 병균과 곰팡이 종류 등을 분석하는데 매우 중요하다.

 

 

네덜란드의 뢰벤후크(Anthony van Leeuwenhoek, 1632-1723)가 1660년경에 현미경을 발명한 이후부터 많은 과학자들이 현미경으로 병균을 포함하여 온갖 미생물과 세포 조직 등을 관찰하기 시작했다. 그러나 박테리아들은 너무 작기도 하지만 형체가 분명하지 않아 세포벽과 핵을 구분하기 어려웠다. 현미경이 발명되고 200년이 더 지난 때에 네덜란드의 미생물학자 그람(Hans Chritian Gram, 1853-1938)은 다양한 방법으로 세균을 염색해보려고 노력했다.

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그람은 1884년에 크리스탈 바이올렛(crystal violet)이라는 염색액으로 세균을 염색했을 때, 세균이 진한 보라색으로 물들거나 아니면 붉은색으로 염색되는 두 무리로 크게 나뉜다는 것을 알게 되었다.

 

 

크리스탈 바이올렛으로 염색한 세균이 종류에 따라 진한 보라색, 또는 붉은색(핑크)으로 염색되었다. 보라색으로 물드는 종류는 그램 양성균, 붉은색이 되는 것은 그람 음성균이라 불린다.

 

 

그람 염색 과정

살아있는 세균이나 미생물을 현미경으로 관찰해보면, 그들이 현미경의 시야에 가만히 머물러 있지 않고 매우 빠른 속도로 방향성 없이 운동하는 종류도 있기 때문에 그대로는 관찰이 불가능하다. 그래서 과학자들은 세균이 살아있을 때의 모습을 유지한 상태로 관찰하기 위해, 특별한 약품으로 최단 시간에 죽이도록 한다. 이때 세균이 살아있을 때의 모습으로 급사하도록 하는 것을 고정(固定 fixation)이라 하고, 화학약품으로 고정한다면 그 약품을 고정액(固定液)이라 한다.

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고정액으로는 포름알데하이드, 에타놀, 메타놀, 아세톤, 빙초산 등이 여러 농도로 혼합되어 이용된다. 관찰할 세균에 고정액을 떨어뜨려 1차 고정하고 나면, 그 다음 과정이 염색이다. 오늘날 세균을 고정하고 염색할 때 가장 많이 쓰이는 방법이 그람 염색법이다. 그람 염색 과정은 4단계로 이루어진다.

 

 

그람 염색 과정을 나타낸다.

 

 

1 고정액으로 고정(fixation)한다.

2 염색액 크리스탈 바이올렛을 처리한다.

3 염색 상태가 변하지 않도록 매염제로 옥소(iodine)를 처리한다.

4 너무 진하게 염색되지 않도록 에타놀이나 아세톤을 사용하여 씻어낸다(decolorisation).

5 safranine이나 Carbol fuchsin이라는 염색액을 추가로 처리하여 세균의 다른 부분이 대칭 색으로 염색되게(counter stain) 한다.

 

 

그람 양성균은 어떤 종류인가?

그람 염색 때 보라색으로 물드는 박테리아는 그들의 세포벽에 peptidoglycan이라는 성분이 두껍게 포함되어(아래 그림 오른쪽) 있다. 그람 염색액은 이 물질과 결합하여 보라색이 된다. 대표적인 그람 양성균 종류로는 락토바실러스, 바실러스, 리스테리아, 스타필로코쿠스, 스트렙토코쿠스, 엔테로코쿠스, 클로스트리디움 등이 있다.

 

 

 

 

그램 음성균(왼쪽)과 양성균(오른쪽)의 세포벽 구조를 알기 쉽게 나타낸다.

상층 : 외부막(outer membrain)

중간층 : peptidoglycan(두껍기 때문에 진하게 염색된다)

바닥층 : 세포막(cytoplasmic membrane)

 

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그람 음성균에는 어떤 종류가 있나?

그람 음성균은 peptidogycan 성분의 양이 적고, lipopolysaccharide라는 성분이 다량 포함되어 있다. 그람 음성균으로는 대장균(E. coli), 살모넬라, 시아노박테리아, 녹색황박테리아, 슈도모나스, 프로테우스, 클레브시엘라 등이 있다.

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그람 염색은 병리실험실에서 병균의 판별에만 중요한 것이 아니라 곰팡이 종류를 비롯한 모든 미생물을 현미경으로 관찰할 때 기본이 되는 고정과 염색 방법이다. 그람 염색이 된 세균은 무엇보다 현미경으로 관찰하기에 시각적으로 편리하다. - YS

 

 

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