생물체를 구성하는 세포의 유형은 크게 원핵세포와 진핵세포 두 가지이다. 세균과 같은 원핵세포는 원형질막에 의해 둘러싸여 있고, 핵이 명확하게 구분되지 않으며, 비교적 단순한 내부 조직으로 되어있다. 원핵세포와 달리 진핵세포는 내부에 막으로 둘러싸인 명확한 구조의 핵 및 내막으로 싸여있는 세포소기관으로 구성되어 있다. 세포에서 원형질막과 핵 사이의 부분을 세포질이라 하고, 이 부분은 원형질과 세포소기관으로 구성된다. 진핵생물은 식물, 동물, 진균류 및 원생생물 등 4개의 계로, 원핵생물은 진정 세균 및 고세균 등 2개의 계로 구분한다. 게놈 시퀀싱은 다양한 생명체에 공통으로 혹은 비 공통으로 존재하는 단백질 및 유전자의 기능 및 진화를 고찰할 수 있게 하였다.
원핵생물은 진정세균과 고세균으로 구성된다
최근 다양한 원핵생물의 DNA 서열을 분석한 결과, 원핵생물은 명확한 특이성을 지닌 2개의 계, 즉 진정세균과 고세균으로 나뉜다. 원핵생물의 대다수를 차지하는 진정세균은 하나의 세포로 구성된 개체이고, 이들 중 청록 세균 또는 남조류는 단세포이지만 세포끼리 실 모양의 사슬을 이루어 군집을 이룬다. 세균 세포의 크기는 1-2㎛이며 세포질과 이를 둘러싼 원형질막으로 구성되어 있다. 세균 세포에는 핵이라고 특징지어진 부위가 없지만 1개의 고리형 DNA 게놈이 많이 꼬이고 응축되어 세포의 중심부에 위치한다. 그 반면, 대부분의 리보솜은 세포에서 DNA가 없는 부위에 존재한다. 일부의 세균에게서는 세포막이 함입되어 형성된 메소솜이 있다. 메소솜은 DNA 합성 및 단백질을 세포 밖으로 분비하는 것과 연관되어 있다. 많은 단백질이 세포질과 원형질막에 정확하게 위치한다는 사실로 미루어 정교한 내부 구조가 있음을 알 수 있다.
세균 세포에는 원형질막 외부에 단백질과 oligosaccharide로 구성된 펩티도글리칸으로 이루어진 세포벽이 있다. 세포벽은 세포를 보호하며 형태를 유지하는 데 기여한다. 대장균과 같은 세균은 얇은 세포벽이 내부 막과 외부 막 사이에 존재하며 이들 사이의 공간을 주변세포질 공간이라 한다. 이런 형태의 세균은 그람 염색법에 의하여 염색되지 않아서 그람음성균이라 한다. Bacillus polymyxa와 같은 세균은 세포벽이 두껍고 외부 막이 존재하지 않아 그램 염색되므로 그람양성균이라 한다.
유사성이 낮은 생물보다 유사성이 높은 생물이 공통 조상으로부터 보다 최근에 분기되었다는 가설에 따라 진화 계통을 작성하였다. 이러한 진화 계통에 따르면 고세균과 진핵생물은 10억 년 전에 진정세균으로부터 서로 분리되었다. 이러한 3개의 개체군을 정의하는 DNA 서열과 더불어 고세균의 세포막은 세균 및 진핵생물의 세포막과는 매우 다른 화학적 특성을 가지고 있다.
상당수의 고세균은 생명이 처음 출현했던 원시 지구의 조건과 유사한 극한 환경에서 성장한다. 예를 들어 호염균은 생존하기 위하여 고농도의 염이 있어야 하며, 호산성세균은 pH가 2보다 낮은 뜨거운 유황 온천에서 자란다. 이 밖에도 다른 고세균은 산소가 없는 환경에서도 생존하며, 물과 이산화탄소의 결합으로 메탄을 생성한다.
대장균은 생물학 연구에서 널리 사용한다
세균 중에서 대장균은 실험용으로 널리 사용되는 생명체로서 토양 및 동물 내장에 보편적으로 존재한다. 대장균 및 일부의 세균은 실험용 생명체로 사용하기에 여러 가지 장점이 있다. 이들 생명체는 포도당과 염으로 조성된 저렴한 배지에서 빨리 자란다. 이런 단순한 배지에서도 이들 생명체는 성장하는 데 필요한 모든 아미노산, 지질, 비타민 및 그 외의 필수 분자를 합성할 수 있다. 모든 세균처럼 대장균은 유전자 활성을 조절하는 체계를 가지고 있다. 과학자들은 이 생명체를 유전적 방법으로 분석할 수 있는 유용한 시스템을 개발하였다. 이런 시스템 개발이 가능한 이유는 세균 게놈 크기가 작고, 돌연변이체를 얻기 쉬우며, 유전자를 세균으로 들여보내는 기술이 개발되었고, 세균 유전자 조절 및 단백질 기능에 대하여 엄청난 지식이 축적되었으며, 세균 게놈 상에서 유전자의 위치를 작성하는 것이 상대적으로 쉽기 때문이다.
토양 및 인간 내장을 비롯한 다양한 환경 조건에서 자라는 대장균처럼 세균은 약 4,000개의 유전자와 이와 동일한 수의 단백질을 가지고 있다. 미코플라스마 종처럼 기생하는 세균은 숙주 세포로부터 아미노산을 비롯한 성장에 필요한 영양분을 얻으며, 아미노산과 특정한 지질을 합성하는 효소를 만드는 유전자가 없다. DNA, RNA, 단백질 합성 및 세포막 기능에 필수적인 단백질을 만드는 세포 유전자는 모든 생명체에서 진화적으로 보존되어 존재한다. 위에 언급된 세포 내의 반응 과정은 대장균에서 먼저 규명되었다. 예를 들어, 원형질막에 위치한 어떤 대장균 막단백질은 아미노산을 세포 내로 들여보내는 작용을 하는데, 이 단백질의 서열 및 구조와 기능은 어떤 포유동물의 뇌세포에서 신경전달물질을 받아들이는 막단백질과 매우 유사하다.
요약하자면, 생물은 원핵세포와 진핵세포로 구분된다. 원핵생물은 핵이 없고 단순한 구조를 가지며, 진정세균과 고세균으로 나뉜다. 세균은 원형질막과 세포벽으로 구성되며, 그람 염색법으로 양성균과 음성균을 구분한다. 고세균은 극한 환경에서 생존하며, 진핵생물과 유사한 특징을 가진다. 대장균은 연구에 널리 활용되며, 유전자 조절 체계가 잘 연구되었다. 세균의 유전자 연구는 생명과학 발전에 기여하며, 대장균의 막단백질과 포유류 신경전달질 간 유사성이 밝혀졌다.