그람양성균(Gram-positive bacteria)과 그람음성균(Gram-negative bacteria)은 세포벽의 구조에 따라 나뉩니다. 그람양성균은 그람 염색(Gram staining)이라는 염색 방법에서 보라색으로 염색되는 특징을 가지고 있고 그람음성균은 보라색 염색약이 제거되고 사프라닌 염색으로 붉게 염색됩니다. 그람양성균, 그람음성균, 그람 염색법에 대해서 자세히 알아보겠습니다.
1. 그람양성균
그람양성균의 세포벽은 두꺼운 펩티도글리칸(peptidoglycan) 층으로 이루어져 있으며 이 층이 염색약인 크리스탈 바이올렛과 아이오딘 복합체를 고정하여 보라색을 띠게 합니다. 그람양성균의 세포벽은 펩티도글리칸 외에도 테이코산(teichoic acid)과 리포테이코산(lipiteichoic acid)을 포함하고 있습니다. 테이코산은 세포벽의 안정성을 높이고 이온 교환에 관여하며 숙주 세포와의 상호작용에도 도움을 줍니다. 리포테이코산은 세포막에 고정되어 있으며 세포의 면역반응을 일으키는 데 중요한 역할을 합니다. 이 균은 외막이 없기 때문에 항생제 특히 베타락탐( (β-lactam) 계열의 항생제(예: 페니실린)에 민감성을 가집니다. 이것은 베타락탐 항생제가 펩티도글리칸의 합성을 억제하여 세포벽을 손상시키기 때문입니다. 그람양성균은 다양한 환경에서 발견되며 인간을 포함한 동물, 식물, 토양, 물 등 여러 생태계에서 중요한 역할을 합니다. 그람양성균 중 일부는 독소를 생성하여 숙주에 질병을 일으킬 수 있습니다. 예를 들어 황색포도상구균은 다양한 독소와 효소를 분비하여 숙주 세포의 조직을 손상하고 면역반응을 회피합니다. 이들은 숙주 세포의 면역 체계와 상호작용하면서 염증 반응을 유발하기도 합니다. 그람양성균은 의학 및 산업 분야에서도 중요한 역할을 합니다. Lactobacillus 속은 유산균으로 식품 발효에 사용되며 Streptomyces 속은 항생제를 생산하는데 중요한 원료가 됩니다. 그리고 Bacillus subtilis와 같은 균은 효소 생산과 생물학적 연구에 널리 이용됩니다.
2. 그람음성균
그람음성균은 두 개의 막 구조를 가지며 내막과 외막으로 구성되어 있습니다. 펩티도글리칸 층은 얇으며 내막과 외막 사이에 위치합니다. 그람양성균에 비해 펩티도글리칸 층이 매우 얇기 때문에 그람염색에서 결정질 바이올렛이 세포 내에 머무르지 못하고 알코올 처리 시 쉽게 제거됩니다. 외막은 인지질 이중층으로 이루어져 있고 지질 다당류(LPS, lipopolysaccharide)라는 독특한 분자가 포함되어 있으며 이 지질 다당류는 세포벽의 보호막 역할을 할 뿐만 아니라 숙주 세포의 면역체계를 강하게 자극하여 그람음성균의 감염 시 발생하는 패혈증, 염증 반응의 주요한 원인으로 작용합니다. 지질 다당류의 내독소(endotoxin) 성분은 열, 염증, 혈압 저하 등을 유발할 수 있습니다. 외막은 항생제, 세제, 독성 물질 등의 투과를 막는 물리적 장벽 역할을 하므로 그람양성균보다 항생제 내성이 높은 경우가 많습니다. 그람음성균은 병원성으로 작용해 인간과 동물에 질병을 유발할 수 있으며 대장균, 살모넬라, 헬리코박터 파일로리, 녹농균 등 병원성 세균들이 그람음성균에 포함됩니다. 그람음성균 감염은 병원 내 감염과 지역 사회 감염 모두에서 중요한 문제로 여겨집니다. 특히 병원 내 감염의 경우 다제내성균(Multi-Drug Resistant Organisms, MDROs) 문제로 커질 수 있으며 이 세균에 의한 감염은 치료가 어렵고 패혈증과 같은 심각한 합병증을 유발할 수 있습니다. 그람음성균 치료에는 세포벽의 합성을 억제하는 베타락탐 계열의 항생제와 단백질 합성을 억제하는 약물이 사용됩니다. 그러나 다제내성균의 경우에는 콜리스틴(colistin)과 같은 약물이 필요할 수 있습니다. 그람음성균은 독특한 세포벽 구조와 강항 항생제 내성으로 인해 임상적으로 중요합니다. 이런 특성을 이해하고 적절한 진단과 치료 전략을 세우는 것이 현대 의학에서 매우 중요합니다.
3. 그람염색법
그람염색법은 1884년 크리스티안 그람(Christian Gram)이 개발한 염색 방법으로 세균을 크게 그람양성균과 그람음성균으로 분류하는 데 사용됩니다. 이 방법은 세균의 세포벽 구조 차이에 따라 결과가 다르게 나타나는 원리를 이용한 것입니다.
염색 과정
① 고정 및 염색 : 세균 샘플을 슬라이드 글라스 위에 얇게 펴고 공기 중에 건조한 후 열을 가해 고정합니다. 고정은 세포가 슬라이드 글라스에 단단히 부착되도록 하며 세포 구조가 손상되지 않도록 합니다. 슬라이드 글라스에 크리스탈 바이올렛 용액을 떨어뜨려 1분 정도 염색합니다. 슬라이드 글라스를 물로 가볍게 헹구어 염색제를 제거합니다.
② 아이오딘(Iodine) 처리 : 아이오딘 용액을 슬라이드 글라스에 떨어뜨려 1분간 반응시킵니다. 아이오딘은 크리스탈 바이올렛과 결합하여 크리스탈 바이올렛-아이오딘 복합체를 형성하고 이 복합체는 세균의 세포벽에 단단히 결합합니다.
③ 탈색 : 슬라이드 글라스에 알코올(에탄올)이나 아세톤을 떨어뜨려 탈색을 진행합니다. 그람양성균은 두꺼운 펩티도글리칸 층이 크리스탈 바이올렛-아이오딘 복합체를 강하게 붙잡아 염색제가 세포에서 빠져나가지 않으므로 결과적으로 보라색을 띠게 됩니다. 그람음성균은 얇은 펩티도글리칸 층과 외막을 가지고 있어 복합체가 쉽게 빠져나가므로 세포가 무색이 됩니다.
④ 대조 염색 : 슬라이드 글라스에 사프라닌(Safranin)을 떨어뜨려 1분 정도 염색을 합니다. 사프라닌은 탈색된 그람음성균을 붉게 염색합니다. 그람양성균은 이미 보라색으로 염색되어 있으므로 사프라닌의 영향을 받지 않고 보라색을 유지합니다.
그람염색은 각 단계에서 사용하는 화학 물질과 세균 세포벽의 구조적 차이를 통해 세균을 구분하는 유용한 방법입니다. 이 과정을 통해 세균의 특성을 빠르고 정확하게 분석할 수 있어 의료, 생명과학 연구에서 중요한 역할을 합니다.