세균, 고세균, 진색생물 그리고 바이러스를 포함하는 미생물의 집합체로 정의되는 미생물 균총은 지구상 모든 환경에 존재하며 대사체를 매개로 군집 내,외 그리고 비생물적 환경과의 상호작용을 수행한다. 배양 기반의 연구법은 미생물 군집에 대한 종합적 분석에 한계를 갖고 있다. 이러한 미생물 균총을 연구하기 위하여 메타지노믹스, 메타트랜스크립토믹스, 메타프로테오믹스, 그리고 메타볼로믹스를 결합하는 통합적 meta-omics 접근법이 빈번하게 연구에 이용된며 이를 통해 미생물 군집과 그들이 갖는 대사적 기능에 대한 심층적 이해를 가능하게 하였다. 추가적으로 sequence similarity ...
세균, 고세균, 진색생물 그리고 바이러스를 포함하는 미생물의 집합체로 정의되는 미생물 균총은 지구상 모든 환경에 존재하며 대사체를 매개로 군집 내,외 그리고 비생물적 환경과의 상호작용을 수행한다. 배양 기반의 연구법은 미생물 군집에 대한 종합적 분석에 한계를 갖고 있다. 이러한 미생물 균총을 연구하기 위하여 메타지노믹스, 메타트랜스크립토믹스, 메타프로테오믹스, 그리고 메타볼로믹스를 결합하는 통합적 meta-omics 접근법이 빈번하게 연구에 이용된며 이를 통해 미생물 군집과 그들이 갖는 대사적 기능에 대한 심층적 이해를 가능하게 하였다. 추가적으로 sequence similarity network (SSN), genome neighborhood network (GNN), 정량적 메타지놈, 메타트랜스크립톰 분석은 환경에서의 미생물 균총의 대사기능과 핵심 미생물을 밝히는데 매우 용하다. 인간의 장 내에서 장내세균에 의해 대사되는 대사체 중, 미생물에 의한 담즙산(BAs)대사는 인간의 건강에 중요한 역할을 한다. 본 연구는 인간의 장에서 1차 담즙산을 2차 담즙산으로 전환하는데 핵심적인 새로운 담즙산7α-dehydroxylating 대사 미생물을 발견하고 특징지었으며 그들과 인간 질환과의 연관성을 조사하였다. 여섯 개의 7α-dehydratase (BaiE) 클러스터가 sequence similarity network와 genome neighborhood network 분석을 통해 인간 장내 메타지놈으로부터 밝혀졌다. 유전자와 전사체의 분포도 분석에서 클러스터 1에 속하는 세균이 7α-dehydroxylating의 핵심 미생물 인것으로 제시되었다. 게다가 본 클러스터의 분포도는 크론병과 궤양성 대장염을 포함하는 염증성 장 질환, 진행성 비 알콜성 간 질환, 간경화, 강직성 척추염에서 음의 상관관계를 갖는다. 계통발생학 분석 결과 7α-dehydroxylating 세균은 Oscillospiraceae과(family)에 속하며 유전체 분석 결과 2차 담즙산을 생성하는 완전한 bai operon과 결합 담즙산의 결합을 끊는 bile salt hydrolase모두를 보유함으로써 효율적 담즙산 대사능력을 가졌을 것이다. 장내 미생물 균총에서 핵심 대사 미생물을 찾는 생물정보학적 과정은 식품 미생물 균총에 대해서도 동일하게 적용가능하다. 간장은 한국의 전통적 콩 발효 소스이며 다양한 대사체를 포함하지만 biogenic amine과 같은 바람직하지 않은 대사산물을 함유하기도 한다. 바이오제닉아민을 생성하는 유전자와 주요 미생물을 찾기위하여 우리는 메타지노믹스, 메타트랜스크립토믹스, 메타볼로믹스를 포함하는 다중 오믹스 접근법을 이용하였다. 1H-NMR을 이용한 대사체 분석 결과 cadaverine, histamine, putrescine, and tyramine이 검출되었으며 histamine과 putrsceine은 발효 60일 시점까지 농도가 증가하지만 cadaverine과 tyramine은 발효60일 이후 그 농도가 점차로 감소한다. 메타지노믹스를 이용한 미생물 군집 분석결과 Firmicutes, Proteobacteria, Actinobacteria문(phylum)에 속하는 미생물들이, 속(genus) 수준에서는 Tetragenococcus, Idiomarina, Halomonas, Virgibacillus, Marinobacter, Halomonas 미생물이 간장 발효기간 동안에 우점함을 보인다. Blast, sequence similarity network, 계통발생적 분석 결과 메타지놈으로 부터 1 histidine decarboxylase, 1 lysine decarboxylase, 5 ornithine decarboxylases, 9 tyrosine decarboxylase 단백질들이 을 찾을 수 있었다. 이들 유전자와 전사체의 분포도는 Tetragenococcus, Halomonas, Lactobacillus, 그리고 Virgibacillus, Enterococcus, Lactobacillus, Tetragenococcus로 부터 유래한 histidine, ornithine, lysine, and tyrosine decarboxylase들이 바이오제닉아민 생산의 핵심 단백질임을 보여주었다. 또한 Bacillus속의 미생물들은 간장발효동안ornithine, tyrosine에 대한 효소 활성을 지속적으로 나타났다. 본 연구는 biogenic amine을 생성하는 주요 유전자와 미생물을 밝히는데 다중 오믹스 방법을 이용하는 것이 적합함을 보여준다. 다중 오믹스 분석은 발효기간동안의 핵심 대사 미생물이 갖는발효대사적 특성을 이해하는데 매우 도움이되는 접근방법이다. Lactobacillus sakei의 유전적, 대사적 특징을 판-지놈, 김치 발효기간 동안의 메타전사체 분석을 이용해 조사하였다. 유전체 기반의 관계성 분석에서 균주들은 Lb. sakei ssp. sakei 와 Lb. sakei ssp. carnosus 계통그룹으로 나뉘었다. 유전적 및 대사경로분석 결과 모든 Lb. sakei는 동형, 이형 젖산 발효를 통하여 D-glucose, D-fructose, D-galactose, sucrose, D-lactose, L-arabinose, cellobiose, D-mannose, D-gluconate, D-ribose로부터 D/L-lactate, ethanol, acetate, CO2, formate, L-malate, diacetyl, acetoin, 2,3-butanediol을 생성할 수 있으며, D-maltose, D-xylose, L-xylulose, D-galacturonate, D-glucuronate대사 능력은 균주에 따라 특이인 것이 드러났다. 모든 균주들은 folate와 thiamine(비타민 B1과 B9)의 생합성유전자를 가지며 바이오제닉아민, 용혈현상을 일으키는 독성물질, 항생제 내성 유전자는 발견되지 않았다. 메타전사체 분석은 김치 발효가 진행됨에 따라 탄소화물 대사에 관여하는 Lb. sakei의 전사체 발현이 증가하는 것을 보여주는데, 이는 발효 후기에 Lb. sakei가 더욱 경쟁력이 있음을 시사한다. 동형 젖산 발효 대사경로는 높은 발현을 보이고 이는 김치 발효 기간동안 대체로 유지되는 반면 이형 젖산 발효 대사경로의 발현은 발효가 진행되면서 점진적으로 증가한다. L-lactate dehydroganse는 D-lactate dehydrogenase보다 더 높은 발현양을 보이며 이는 L-lactate는 주로 Lb. sakei에 대사됨을 시사한다. 챕터 6에서는 새우젓의 품질과 안전성을 검증하기 위하여 메타지노믹스와 메타볼로믹스를 포함하는 다중 오믹스 분석을 사용하였다. 바이오제닉아민은 전통적으로 발효된 염장음식에서 빈번하게 나타난다. 본 연구에서는 바이오제닉아민 생성능이 없는 Tetragenococcus halophilus MJ4 균주를 멸치액젓에서 분리하였다. MJ4 균주는 공급된 전구체로 부터 바이오제닉아민을 생성하지 않으며 그들의 유전체에는 바이오제닉 아민 생성 유전자가 발견되지 않는다. 미생물 군집은 분석 결과 MJ4균주를 접종하지 않은 새우젓의 발효에서 Tetragenococcus 속(genus)의 미생물이 82일 이후부터 우점하는 반면 MJ4균주를 접종한 새우젓에서는 전체 발효 기간동안 Tetragenococcus 속의 미생물이 우점함을 보였다. MJ4균주는 발효기간 동안 바이오제닉아민 생성 미생물로 알려진 T. muriaticus의 성장을 억제하는 반면 새우젓 내의 아미노산과 같은 대사체는 MJ4균주의 접종여부와 관계없이 유사하였다. 대사체 분석에서 MJ4균주는 발효과정동안 바이오제닉 아민인 카다베린(cadaverine)의 형성을 억제함을 분명하게 보여주었다. 본 연구는 소금에 절이는 생선 발효에 종균으로써 MJ4 균주의 이용은 바이오제닉 아민 형성을 저감 시키는 좋은 전략이 될 것이라는 것을 시사한다.
세균, 고세균, 진색생물 그리고 바이러스를 포함하는 미생물의 집합체로 정의되는 미생물 균총은 지구상 모든 환경에 존재하며 대사체를 매개로 군집 내,외 그리고 비생물적 환경과의 상호작용을 수행한다. 배양 기반의 연구법은 미생물 군집에 대한 종합적 분석에 한계를 갖고 있다. 이러한 미생물 균총을 연구하기 위하여 메타지노믹스, 메타트랜스크립토믹스, 메타프로테오믹스, 그리고 메타볼로믹스를 결합하는 통합적 meta-omics 접근법이 빈번하게 연구에 이용된며 이를 통해 미생물 군집과 그들이 갖는 대사적 기능에 대한 심층적 이해를 가능하게 하였다. 추가적으로 sequence similarity network (SSN), genome neighborhood network (GNN), 정량적 메타지놈, 메타트랜스크립톰 분석은 환경에서의 미생물 균총의 대사기능과 핵심 미생물을 밝히는데 매우 용하다. 인간의 장 내에서 장내세균에 의해 대사되는 대사체 중, 미생물에 의한 담즙산(BAs)대사는 인간의 건강에 중요한 역할을 한다. 본 연구는 인간의 장에서 1차 담즙산을 2차 담즙산으로 전환하는데 핵심적인 새로운 담즙산7α-dehydroxylating 대사 미생물을 발견하고 특징지었으며 그들과 인간 질환과의 연관성을 조사하였다. 여섯 개의 7α-dehydratase (BaiE) 클러스터가 sequence similarity network와 genome neighborhood network 분석을 통해 인간 장내 메타지놈으로부터 밝혀졌다. 유전자와 전사체의 분포도 분석에서 클러스터 1에 속하는 세균이 7α-dehydroxylating의 핵심 미생물 인것으로 제시되었다. 게다가 본 클러스터의 분포도는 크론병과 궤양성 대장염을 포함하는 염증성 장 질환, 진행성 비 알콜성 간 질환, 간경화, 강직성 척추염에서 음의 상관관계를 갖는다. 계통발생학 분석 결과 7α-dehydroxylating 세균은 Oscillospiraceae과(family)에 속하며 유전체 분석 결과 2차 담즙산을 생성하는 완전한 bai operon과 결합 담즙산의 결합을 끊는 bile salt hydrolase모두를 보유함으로써 효율적 담즙산 대사능력을 가졌을 것이다. 장내 미생물 균총에서 핵심 대사 미생물을 찾는 생물정보학적 과정은 식품 미생물 균총에 대해서도 동일하게 적용가능하다. 간장은 한국의 전통적 콩 발효 소스이며 다양한 대사체를 포함하지만 biogenic amine과 같은 바람직하지 않은 대사산물을 함유하기도 한다. 바이오제닉아민을 생성하는 유전자와 주요 미생물을 찾기위하여 우리는 메타지노믹스, 메타트랜스크립토믹스, 메타볼로믹스를 포함하는 다중 오믹스 접근법을 이용하였다. 1H-NMR을 이용한 대사체 분석 결과 cadaverine, histamine, putrescine, and tyramine이 검출되었으며 histamine과 putrsceine은 발효 60일 시점까지 농도가 증가하지만 cadaverine과 tyramine은 발효60일 이후 그 농도가 점차로 감소한다. 메타지노믹스를 이용한 미생물 군집 분석결과 Firmicutes, Proteobacteria, Actinobacteria문(phylum)에 속하는 미생물들이, 속(genus) 수준에서는 Tetragenococcus, Idiomarina, Halomonas, Virgibacillus, Marinobacter, Halomonas 미생물이 간장 발효기간 동안에 우점함을 보인다. Blast, sequence similarity network, 계통발생적 분석 결과 메타지놈으로 부터 1 histidine decarboxylase, 1 lysine decarboxylase, 5 ornithine decarboxylases, 9 tyrosine decarboxylase 단백질들이 을 찾을 수 있었다. 이들 유전자와 전사체의 분포도는 Tetragenococcus, Halomonas, Lactobacillus, 그리고 Virgibacillus, Enterococcus, Lactobacillus, Tetragenococcus로 부터 유래한 histidine, ornithine, lysine, and tyrosine decarboxylase들이 바이오제닉아민 생산의 핵심 단백질임을 보여주었다. 또한 Bacillus속의 미생물들은 간장발효동안ornithine, tyrosine에 대한 효소 활성을 지속적으로 나타났다. 본 연구는 biogenic amine을 생성하는 주요 유전자와 미생물을 밝히는데 다중 오믹스 방법을 이용하는 것이 적합함을 보여준다. 다중 오믹스 분석은 발효기간동안의 핵심 대사 미생물이 갖는발효대사적 특성을 이해하는데 매우 도움이되는 접근방법이다. Lactobacillus sakei의 유전적, 대사적 특징을 판-지놈, 김치 발효기간 동안의 메타전사체 분석을 이용해 조사하였다. 유전체 기반의 관계성 분석에서 균주들은 Lb. sakei ssp. sakei 와 Lb. sakei ssp. carnosus 계통그룹으로 나뉘었다. 유전적 및 대사경로분석 결과 모든 Lb. sakei는 동형, 이형 젖산 발효를 통하여 D-glucose, D-fructose, D-galactose, sucrose, D-lactose, L-arabinose, cellobiose, D-mannose, D-gluconate, D-ribose로부터 D/L-lactate, ethanol, acetate, CO2, formate, L-malate, diacetyl, acetoin, 2,3-butanediol을 생성할 수 있으며, D-maltose, D-xylose, L-xylulose, D-galacturonate, D-glucuronate대사 능력은 균주에 따라 특이인 것이 드러났다. 모든 균주들은 folate와 thiamine(비타민 B1과 B9)의 생합성유전자를 가지며 바이오제닉아민, 용혈현상을 일으키는 독성물질, 항생제 내성 유전자는 발견되지 않았다. 메타전사체 분석은 김치 발효가 진행됨에 따라 탄소화물 대사에 관여하는 Lb. sakei의 전사체 발현이 증가하는 것을 보여주는데, 이는 발효 후기에 Lb. sakei가 더욱 경쟁력이 있음을 시사한다. 동형 젖산 발효 대사경로는 높은 발현을 보이고 이는 김치 발효 기간동안 대체로 유지되는 반면 이형 젖산 발효 대사경로의 발현은 발효가 진행되면서 점진적으로 증가한다. L-lactate dehydroganse는 D-lactate dehydrogenase보다 더 높은 발현양을 보이며 이는 L-lactate는 주로 Lb. sakei에 대사됨을 시사한다. 챕터 6에서는 새우젓의 품질과 안전성을 검증하기 위하여 메타지노믹스와 메타볼로믹스를 포함하는 다중 오믹스 분석을 사용하였다. 바이오제닉아민은 전통적으로 발효된 염장음식에서 빈번하게 나타난다. 본 연구에서는 바이오제닉아민 생성능이 없는 Tetragenococcus halophilus MJ4 균주를 멸치액젓에서 분리하였다. MJ4 균주는 공급된 전구체로 부터 바이오제닉아민을 생성하지 않으며 그들의 유전체에는 바이오제닉 아민 생성 유전자가 발견되지 않는다. 미생물 군집은 분석 결과 MJ4균주를 접종하지 않은 새우젓의 발효에서 Tetragenococcus 속(genus)의 미생물이 82일 이후부터 우점하는 반면 MJ4균주를 접종한 새우젓에서는 전체 발효 기간동안 Tetragenococcus 속의 미생물이 우점함을 보였다. MJ4균주는 발효기간 동안 바이오제닉아민 생성 미생물로 알려진 T. muriaticus의 성장을 억제하는 반면 새우젓 내의 아미노산과 같은 대사체는 MJ4균주의 접종여부와 관계없이 유사하였다. 대사체 분석에서 MJ4균주는 발효과정동안 바이오제닉 아민인 카다베린(cadaverine)의 형성을 억제함을 분명하게 보여주었다. 본 연구는 소금에 절이는 생선 발효에 종균으로써 MJ4 균주의 이용은 바이오제닉 아민 형성을 저감 시키는 좋은 전략이 될 것이라는 것을 시사한다.
Microbiota defined as an assemblage of microorganisms including bacteria, archaea, eukaryotes, and viruses present every environment on earth and carry out interactions between intra- and inter-community and abiotic conditions mediated by metabolites. Culture-dependent approaches having limits for c...
Microbiota defined as an assemblage of microorganisms including bacteria, archaea, eukaryotes, and viruses present every environment on earth and carry out interactions between intra- and inter-community and abiotic conditions mediated by metabolites. Culture-dependent approaches having limits for comprehensive analyses on the microbial communities. Researches using culture-independent approaches such as integrated meta-omics combining metagenomics, metatrascriptomics, metaproteomics, and metabolomics are frequently employed to study microbiome, which may be able to deeply understand microbial community and their metabolic capacities. Additionally, sequence similarity network (SSN), genome neighborhood network (GNN), and quantitative metagenome and metatranscriptome analyses were useful for identifying metabolic functions and key microbes of microbiota in environments. In the human gut, among metabolites metabolized by gut bacteria, the bacterial metabolism of bile acids (BAs) plays an important role in human health. This chapter identified and characterized new 7α-dehydroxylating bacteria, responsible for converting primary BAs to secondary BAs, in human gut and investigated their association with human diseases. Six 7α-dehydratase (BaiE) clusters were identified from human gut metagenomes through sequence similarity network and genome neighborhood network analyses. Gene and transcript abundance analyses suggested that bacteria of cluster 1 may be key 7α-dehydroxylating bacteria in human gut. Furthermore, the abundances of this cluster were significantly negatively correlated with inflammatory bowel disease, including Crohn’s disease and ulcerative colitis, as well as advanced non-alcoholic fatty liver disease, liver cirrhosis, and ankylosing spondylitis. Phylogenetic and genome analyses showed that the 7α-dehydroxylating bacteria were affiliated with the family Oscillospiraceae and may demonstrate efficient BA metabolic ability by harboring both a complete bai operon, producing secondary BAs, and a bile salt hydrolase, deconjugating BAs. A bioinformatic analysis workflow to find key metabolic microbes in the human gut microbiota can also be used for fermented food microbiome. Ganjang is the Korean traditional fermented soy sauce and among various metabolites, it may contain undesirable metabolites, such as biogenic amines. To identify key microbes producing biogenic amines, we applied multi-omics approaches including metagenomics, metatrascriptomics, and metabolomics. Biogenic amines such as cadaverine, histamine, putrescine, and tyramine were detected in ganjang by 1H-NMR and their concentration commonly increased until 60 days and histamine and putrescine gradually increased, but cadaverine and tyramine gradually decreased until the end of ganjang fermentation. Bacterial community assigned by metagenomics showed that the bacterial phyla Firmicutes, Proteobacteria, and Actinobacteria and the genus Tetragenococcus, Idiomarina, Halomonas, Virgibacillus, Marinobacter, and Halomonas were predominant were during ganjang fermentation. Blast search, SSN, and phylogenetic analysis showed final putative 1 histidine decarboxylase, 1 lysine decarboxylase, 5 ornithine decarboxylases, and 9 tyrosine decarboxylases proteins from metagenomic contigs. Abundance analyses of each gene and transcripts showed that histidine, ornithine, lysine, and tyrosine decarboxylase from Tetragenococcus, Halomonas, Lactobacillus, and Virgibacillus, Enterococcus, Lactobacillus and Tetragenococcus, respectively, were major key proteins for producing each biogenic amine, additionally, ODC and TDC from the genus Bacillus have constant activity during ganjang fermentation. This study showed that multi-omics approaches were suitable to identify genes and the key bacteria producing biogenic amines. Multi-omics analysis is also a helpful approach to understand fermentative metabolic features of key metabolic bacterium during fermentation. In chapter 4, the genomic and metabolic features of Lactobacillus (Lb) sakei were investigated using its pan-genome and by analyzing the metatranscriptome of kimchi fermentation. In the genome-based relatedness analysis, the strains were divided into the Lb. sakei ssp. sakei and Lb. sakei ssp. carnosus lineage groups. Genomic and metabolic pathway analysis revealed that all Lb. sakei strains have the capability of producing D/L-lactate, ethanol, acetate, CO2, formate, L-malate, diacetyl, acetoin, and 2,3-butanediol from D-glucose, D- fructose, D-galactose, sucrose, D-lactose, L-arabinose, cellobiose, D-mannose, D-gluconate, and D-ribose through homolactic and heterolactic fermentation, whereas their capability of D-maltose, D-xylose, L-xylulose, D-galacturonate, and D-glucuronate metabolism is strain-specific. All strains carry genes for the biosynthesis of folate and thiamine, whereas genes for biogenic amine and toxin production, hemolysis, and antibiotic resistance were not identified. The metatranscriptomic analysis showed that the expression of Lb. sakei transcripts involved in carbohydrate metabolism increased as kimchi fermentation progressed, suggesting that Lb. sakei is more competitive during late fermentation stage. Homolactic fermentation pathway was highly expressed and generally constant during kimchi fermentation, whereas expression of heterolactic fermentation pathway increased gradually as fermentation progressed. L-Lactate dehydrogenase was more highly expressed than D-lactate dehydrogenase, suggesting that L-lactate is the major lactate metabolized by Lb. sakei. In chapter 5, to assay quality and safety of saeu-jeot (shrimp sauce), meta-omics including metagenomics and metabolomics analysis was used. Biogenic amines (BAs) are frequently present in traditionally fermented salted foods. In this study, a Tetragenococcus (T) halophilus strain (MJ4) with no BA-producing ability was isolated from a fish (anchovy) sauce. Strain MJ4 did not produce BAs from supplied precursors and no BA-producing genes were identified in its genome. Bacterial community analysis showed that in non-inoculated saeu-jeot (shrimp sauce) fermentation, Tetragenococcus predominated after 82 days, while in strain MJ4-inoculated saeu-jeot, Tetragenococcus predominated during the entire fermentation. Strain MJ4 repressed the growth of T. muriaticus, a known BA producer, during fermentation, but metabolite analysis demonstrated that metabolite profiles, including amino acids, were similar regardless of MJ4 inoculation. The metabolite analysis also showed that strain MJ4 clearly repressed the formation of cadaverine during fermentation. This study suggests that the use of strain MJ4 as a starter culture in salted fish fermentation may be a good strategy for the reduction of BA formation.
Microbiota defined as an assemblage of microorganisms including bacteria, archaea, eukaryotes, and viruses present every environment on earth and carry out interactions between intra- and inter-community and abiotic conditions mediated by metabolites. Culture-dependent approaches having limits for comprehensive analyses on the microbial communities. Researches using culture-independent approaches such as integrated meta-omics combining metagenomics, metatrascriptomics, metaproteomics, and metabolomics are frequently employed to study microbiome, which may be able to deeply understand microbial community and their metabolic capacities. Additionally, sequence similarity network (SSN), genome neighborhood network (GNN), and quantitative metagenome and metatranscriptome analyses were useful for identifying metabolic functions and key microbes of microbiota in environments. In the human gut, among metabolites metabolized by gut bacteria, the bacterial metabolism of bile acids (BAs) plays an important role in human health. This chapter identified and characterized new 7α-dehydroxylating bacteria, responsible for converting primary BAs to secondary BAs, in human gut and investigated their association with human diseases. Six 7α-dehydratase (BaiE) clusters were identified from human gut metagenomes through sequence similarity network and genome neighborhood network analyses. Gene and transcript abundance analyses suggested that bacteria of cluster 1 may be key 7α-dehydroxylating bacteria in human gut. Furthermore, the abundances of this cluster were significantly negatively correlated with inflammatory bowel disease, including Crohn’s disease and ulcerative colitis, as well as advanced non-alcoholic fatty liver disease, liver cirrhosis, and ankylosing spondylitis. Phylogenetic and genome analyses showed that the 7α-dehydroxylating bacteria were affiliated with the family Oscillospiraceae and may demonstrate efficient BA metabolic ability by harboring both a complete bai operon, producing secondary BAs, and a bile salt hydrolase, deconjugating BAs. A bioinformatic analysis workflow to find key metabolic microbes in the human gut microbiota can also be used for fermented food microbiome. Ganjang is the Korean traditional fermented soy sauce and among various metabolites, it may contain undesirable metabolites, such as biogenic amines. To identify key microbes producing biogenic amines, we applied multi-omics approaches including metagenomics, metatrascriptomics, and metabolomics. Biogenic amines such as cadaverine, histamine, putrescine, and tyramine were detected in ganjang by 1H-NMR and their concentration commonly increased until 60 days and histamine and putrescine gradually increased, but cadaverine and tyramine gradually decreased until the end of ganjang fermentation. Bacterial community assigned by metagenomics showed that the bacterial phyla Firmicutes, Proteobacteria, and Actinobacteria and the genus Tetragenococcus, Idiomarina, Halomonas, Virgibacillus, Marinobacter, and Halomonas were predominant were during ganjang fermentation. Blast search, SSN, and phylogenetic analysis showed final putative 1 histidine decarboxylase, 1 lysine decarboxylase, 5 ornithine decarboxylases, and 9 tyrosine decarboxylases proteins from metagenomic contigs. Abundance analyses of each gene and transcripts showed that histidine, ornithine, lysine, and tyrosine decarboxylase from Tetragenococcus, Halomonas, Lactobacillus, and Virgibacillus, Enterococcus, Lactobacillus and Tetragenococcus, respectively, were major key proteins for producing each biogenic amine, additionally, ODC and TDC from the genus Bacillus have constant activity during ganjang fermentation. This study showed that multi-omics approaches were suitable to identify genes and the key bacteria producing biogenic amines. Multi-omics analysis is also a helpful approach to understand fermentative metabolic features of key metabolic bacterium during fermentation. In chapter 4, the genomic and metabolic features of Lactobacillus (Lb) sakei were investigated using its pan-genome and by analyzing the metatranscriptome of kimchi fermentation. In the genome-based relatedness analysis, the strains were divided into the Lb. sakei ssp. sakei and Lb. sakei ssp. carnosus lineage groups. Genomic and metabolic pathway analysis revealed that all Lb. sakei strains have the capability of producing D/L-lactate, ethanol, acetate, CO2, formate, L-malate, diacetyl, acetoin, and 2,3-butanediol from D-glucose, D- fructose, D-galactose, sucrose, D-lactose, L-arabinose, cellobiose, D-mannose, D-gluconate, and D-ribose through homolactic and heterolactic fermentation, whereas their capability of D-maltose, D-xylose, L-xylulose, D-galacturonate, and D-glucuronate metabolism is strain-specific. All strains carry genes for the biosynthesis of folate and thiamine, whereas genes for biogenic amine and toxin production, hemolysis, and antibiotic resistance were not identified. The metatranscriptomic analysis showed that the expression of Lb. sakei transcripts involved in carbohydrate metabolism increased as kimchi fermentation progressed, suggesting that Lb. sakei is more competitive during late fermentation stage. Homolactic fermentation pathway was highly expressed and generally constant during kimchi fermentation, whereas expression of heterolactic fermentation pathway increased gradually as fermentation progressed. L-Lactate dehydrogenase was more highly expressed than D-lactate dehydrogenase, suggesting that L-lactate is the major lactate metabolized by Lb. sakei. In chapter 5, to assay quality and safety of saeu-jeot (shrimp sauce), meta-omics including metagenomics and metabolomics analysis was used. Biogenic amines (BAs) are frequently present in traditionally fermented salted foods. In this study, a Tetragenococcus (T) halophilus strain (MJ4) with no BA-producing ability was isolated from a fish (anchovy) sauce. Strain MJ4 did not produce BAs from supplied precursors and no BA-producing genes were identified in its genome. Bacterial community analysis showed that in non-inoculated saeu-jeot (shrimp sauce) fermentation, Tetragenococcus predominated after 82 days, while in strain MJ4-inoculated saeu-jeot, Tetragenococcus predominated during the entire fermentation. Strain MJ4 repressed the growth of T. muriaticus, a known BA producer, during fermentation, but metabolite analysis demonstrated that metabolite profiles, including amino acids, were similar regardless of MJ4 inoculation. The metabolite analysis also showed that strain MJ4 clearly repressed the formation of cadaverine during fermentation. This study suggests that the use of strain MJ4 as a starter culture in salted fish fermentation may be a good strategy for the reduction of BA formation.
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