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문제 정의
- 추후 Paenibacillus sp. MK-11의 항균물질 추출과 항균작용기전, 항균물질의 독성에 대한 안전성 연구를 진행하여 양식산업에 적용하여 항생물질로서의 이용 가능성을 평가하고자 한다.
- 따라서 본 연구는 해수로부터 분리한 Paenibacillus sp.를 이용하여 어류질병에 대한 항균활성을 평가하고자 하였다.
- 의 염기서열 분석과 형태학적 및 생화학적 테스트를 수행하였고 최적 배양조건을 탐색하였으며 해양 유래 Paenibacillus sp.의 새로운 항균물질의 개발 가능성을 알아보고자 하였다.
제안 방법
- 분리된 상층액을 여과한 후 농축기(HS-2001N, HAHN SHIN, Korea)를 사용하여 농축하고 동결건조를 한 뒤 3차 멸균 증류수로 단계희석 하여 농도별로 적하 하였다. 24시간 배양 후 분광광도계(GB/Libra S22, Biochrom, USA)를 사용하여 660 nm에서 Optical density (O.D)값을 측정하였다.
- 균주의 16S rDNA유 전자 증폭을 위해 primer는 27 Forward primer와 1492 Reverse primer를 사용하였다. PCR 조건은 95℃에서 초기 변성단계 5분, 94℃에서 변성단계 1분, 55℃에서 결합단계 1분, 72℃에서 합성단계 1분으로 총 30 cycle, 최종 합성단계로 72℃에서 5분 PCR (US/MYGein32, MJ RESEARCH, USA)을 실시하였다. 증폭된 16S rDNA는 ㈜솔젠트(Daejeon, Korea)에 의뢰하여 염기서열을 분석 하였다.
- S. iniae에 대한 최소억제농도를 확립하기 위하여 항균활성이 가장 높은 균주의 배양액을 14,240× g, 10분간 원심분리하였다.
- 이번 연구에서는 해수로부터 Paenibacillus sp. 균을 분리하였고 어류질병세균에 대한 항균활성을 평가하였다. 그리고 분리된 Paenibacillus sp.
- 분리된 14균주를 Marine Broth (MB, Difco, USA)에 배양한 후, 원심분리기(Micro 17TR, Hanil, Korea)를 사용하여 4,745x g, 15 min간 원심하였고 분리한 상층액을 8 mm paper disc에 50 μl를 적하하여 건조 시켰다. 그 뒤 어류질병균이 도말된 MHA에 일정간격으로 올려놓고 25℃에서 24시간 배양 후 형성된 억제존(Clear zone)의 지름 (mm)을 측정하였다. 또한 이전 연구결과[8, 20]에서 S.
- 그 뒤 어류질병균이 도말된 MHA에 일정간격으로 올려놓고 25℃에서 24시간 배양 후 형성된 억제존(Clear zone)의 지름 (mm)을 측정하였다. 또한 이전 연구결과[8, 20]에서 S. iniae에 대한 항균활성이 높은 균주를 분양 받아 비교실험을 하였다.
- 선발된 균주의 최적생육조건을 알아보기 위해 온도, NaCl, pH를 각각 설정하여 실험을 수행하였다. 배양 온도는 15~40℃(5℃ 간격), NaCl 농도 1~5%, pH는 2.0~9.0 범위로 각각 설정하여 Tryptic Soy Broth (TSB, Difco, USA)배지를 제조하였다. 제조한 배지에 균주를 접종 후 24시간 동안 배양하여 660 nm에서 생육도를 측정하였다.
- 85% 생리식염수에 1 ml를 넣고 10-1~10-4배로 희석하여 Marine Agar, Brain Heart Infusion Agar, Tryptic Soy Agar (MA, BHIA, TSA, Difco, USA)에 도말 하여 25℃에서 7일간 배양하였다. 배지 상에서 나타나는 균의 형태학적 모습을 관찰하여 분리하였으며 분리된 균주는 24%(v/v) glycerol에 현탁하여 -85℃에 보관 하였다.
- iniae에 대한 최소억제농도를 확립하기 위하여 항균활성이 가장 높은 균주의 배양액을 14,240× g, 10분간 원심분리하였다. 분리된 상층액을 여과한 후 농축기(HS-2001N, HAHN SHIN, Korea)를 사용하여 농축하고 동결건조를 한 뒤 3차 멸균 증류수로 단계희석 하여 농도별로 적하 하였다. 24시간 배양 후 분광광도계(GB/Libra S22, Biochrom, USA)를 사용하여 660 nm에서 Optical density (O.
- 증폭된 16S rDNA는 ㈜솔젠트(Daejeon, Korea)에 의뢰하여 염기서열을 분석 하였다. 분석된 염기서열은 미국 국립생물정보센터인 NCBI (National Center for Biotechnology Information)의 BLAST (Basic Local Alignment Search Tool) search program에서 Genbank database와 Ez Taxon-e (http://eztaxon-e.ezbiocloud.net/)의 database를 이용하여 유사한 염기서열을 비교하였으며 가장 근연속 또는 종으로 나타나는 서열을 확인하였다. 결정된 염기서열과 database에서 확인한 표준 미생물 염기서열을 ClustalW software로 multiple alignment를 수행하고 Mega 5.
- 선발된 균주의 DNA는 Genomic DNA Extraction kit (Bioneer, USA)를 사용하여 추출하였다. 균주의 16S rDNA유 전자 증폭을 위해 primer는 27 Forward primer와 1492 Reverse primer를 사용하였다.
- 선발된 균주의 최적생육조건을 알아보기 위해 온도, NaCl, pH를 각각 설정하여 실험을 수행하였다. 배양 온도는 15~40℃(5℃ 간격), NaCl 농도 1~5%, pH는 2.
- 양식장에서 주로 사용하는 항생제 5종(Neomycin, Gentamicin, Tetracycline, Oxytetracycline, Erythromycin) (SensiDisc, BBL, USA)을 사용하여 S. iniae에 대한 항생제 감수성 테스트를 수행하였다.
- 어류질병세균에 대하여 가장 뛰어난 항균활성을 보여 선발된 균주의 형태학적 동정을 위해 scanning electron microscope (JSM-6700F, JEOL Ltd., Japan) 촬영 및 그람 염색을 수행하였으며, casein, starch, nitrate 환원 실험, catalase, urease 가수분해 실험, oxidase test, hemolytic, Tween 40, 80, indole 생성능, Voges-proskauer test, Methyl Red test, Citrate utillzation test 및 API 50 CHB Kit (BIOMERIEUX, USA)를 사용하여 생화학적 동정 및 당 이용능을 조사하였다.
- 0 범위로 각각 설정하여 Tryptic Soy Broth (TSB, Difco, USA)배지를 제조하였다. 제조한 배지에 균주를 접종 후 24시간 동안 배양하여 660 nm에서 생육도를 측정하였다. 선발 균주의 최적 배지성분의 검토는 GY배지(glucose 0.
- PCR 조건은 95℃에서 초기 변성단계 5분, 94℃에서 변성단계 1분, 55℃에서 결합단계 1분, 72℃에서 합성단계 1분으로 총 30 cycle, 최종 합성단계로 72℃에서 5분 PCR (US/MYGein32, MJ RESEARCH, USA)을 실시하였다. 증폭된 16S rDNA는 ㈜솔젠트(Daejeon, Korea)에 의뢰하여 염기서열을 분석 하였다. 분석된 염기서열은 미국 국립생물정보센터인 NCBI (National Center for Biotechnology Information)의 BLAST (Basic Local Alignment Search Tool) search program에서 Genbank database와 Ez Taxon-e (http://eztaxon-e.
- 채집된 해수를 연속희석법으로 분리 배양하여 미생물의 colony의 성상에 따라 총 14 균주를 분리하였다(Table 1)
- 탄소원은 glucose, sobitol, mannose, soluble starch, lactose, fructose, sucrose, 질소원은 yeast extract, malt extract, peptone, NaNO3, (NH4)2SO4, 무기염은 NaCl, MgSO4·7H2O, CuSO4·5H2O, K2HPO4, FeSO4·7H2O를 각각 1%씩 첨가하여 25℃에서 24시간 배양한 후 660 nm에서 생육도를 측정하였다.
대상 데이터
- 선발된 균주의 DNA는 Genomic DNA Extraction kit (Bioneer, USA)를 사용하여 추출하였다. 균주의 16S rDNA유 전자 증폭을 위해 primer는 27 Forward primer와 1492 Reverse primer를 사용하였다. PCR 조건은 95℃에서 초기 변성단계 5분, 94℃에서 변성단계 1분, 55℃에서 결합단계 1분, 72℃에서 합성단계 1분으로 총 30 cycle, 최종 합성단계로 72℃에서 5분 PCR (US/MYGein32, MJ RESEARCH, USA)을 실시하였다.
- 선발 균주의 최적 배지성분의 검토는 GY배지(glucose 0.5%, yeast extract 0.1%, MgSO4·7H2O 0.02%)를 사용하였다[6].
- 시료는 제주특별자치도 서귀포시 대정읍 인근 연안의 해수를 멸균된 채수병에 채취하여 4℃에 보관 운송 하였다. 채취된 시료는 멸균된 0.
- 분리된 균주에서 어류 질병 세균에 대한 항균활성을 탐색하기 위해 Disc Diffusion method를 이용하여 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 어류 질병 세균은 그람양성 2종(Gram-positive: Streptococcus iniae KCTC 3757, Streptococcus parauberis KCTC 3651), 그람음성2종(Gram-negative: Vibrio anguillarum KCTC 2711, Edwardsiella tarda KCTC 12267)으로 생물자원센터 KCTC (Korean Collection for Type Culture)로 부터 분양받았다. 분양 받은 병원균은 Brain Heart Infusion Broth (BHIB, Difco, USA)에 접종하여 25℃에서 24시간 배양하였다.
데이터처리
- net/)의 database를 이용하여 유사한 염기서열을 비교하였으며 가장 근연속 또는 종으로 나타나는 서열을 확인하였다. 결정된 염기서열과 database에서 확인한 표준 미생물 염기서열을 ClustalW software로 multiple alignment를 수행하고 Mega 5.0 software 프로그램을 이용하여 phylogenetic tree를 작성하였다.
이론/모형
- 분리된 균주에서 어류 질병 세균에 대한 항균활성을 탐색하기 위해 Disc Diffusion method를 이용하여 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 어류 질병 세균은 그람양성 2종(Gram-positive: Streptococcus iniae KCTC 3757, Streptococcus parauberis KCTC 3651), 그람음성2종(Gram-negative: Vibrio anguillarum KCTC 2711, Edwardsiella tarda KCTC 12267)으로 생물자원센터 KCTC (Korean Collection for Type Culture)로 부터 분양받았다.
성능/효과
- 호기성을 띄었으며 Casein, Starch, Catalase 가수분해, Nitrate 환원 실험, Voges-prokauer test 및 Methyl Red test에도 모두 양성을 보였고, Tween 80을 수해시킬 수 있었으며, indole 생산능 및 탄소원으로써 citrate를 활용할 수 있었다(Table 4). API 50CHB Kit를 사용하여 MK-11의 당 및 당 알코올 분해로 인한 산 생성능을 확인한 결과 D-mannitol과 D-sorbitol을 포함한 24개의 기질로부터 당자화에 의해 산을 생성하는 것으로 나타났다(Table 5).
- 분리된 미생물 중 어류질병세균에 대해 항균활성을 보이는 균주를 선발하였고, 그 중 Paenibacillus sp. MK-11 균주가 그람양성균인 S. iniae에 가장 높은 항균활성을 보였다. 항생제 디스크와 비교한 결과 거의 비슷한 수준의 항균활성능을 보여주는 것으로 나타났으며, 이는 기존 항생제를 대체할 수 있는 가능성이 있는 것으로 사료된다.
- iniae에서만 항균활성을 보였다. MK-11 균주는 S. parauberis, S. iniae, V. anguillarum에서 항균활성을 보였고 특히 S. iniae에서 가장 높은 항균활성을 나타났다. MK-08, MK-11 균주를 제외한 다른 균주에서는 항균활성이 나타나지 않았다.
- 따라서 해수에서 분리한 Paenibacillus sp. MK-11은 이전 연구와 다른 다양한 생화학적 특성을 가지고 있으며, 주요 어류 질병인 S. iniae에 대하여 높은 항균활성을 가지고 있는 것을 알 수 있었다. 추후 Paenibacillus sp.
- MK-11의 배양조건에 따른 생육 검토를 알아본 결과 20 ~35℃가 최적 생장온도로 나타났으며 25℃에서 가장 높은 생육도를 나타내었다(Fig. 1A). pH는 6.
- MK-11의 분석된 16S rDNA 염기서열을 분석한 결과 Paenibacillus polymyxa (JF747221)와 99.78%, Paenibaciilus jami lae (AJ271157) 99.43%, Paenibacillus brasilensis (AF273740) 99.39%로 가장 높은 유사도가 나타났다(Fig. 3)
- IS-2보다 MK-11이 높은 항균활성을 나타내었다. 또한 Gentamicin, Neomycin, Oxytetracycline과 비슷한 항균활성을 나타내었다(Table 3).
- 본 연구에서 항균활성 테스트 결과 MK-08은 S. iniae에서만 항균활성을 보였다. MK-11 균주는 S.
- 이러한 결과를 토대로 S. iniae에 대하여 가장 우수한 항균활성을 보인 MK-11을 선정하여 최소억제농도를 측정한 결과 250 μg/ml의 농도로 나타났다(Table 2).
- iniae에 가장 높은 항균활성을 보였다. 항생제 디스크와 비교한 결과 거의 비슷한 수준의 항균활성능을 보여주는 것으로 나타났으며, 이는 기존 항생제를 대체할 수 있는 가능성이 있는 것으로 사료된다.
- Colony는 동그란 모양의 연한 노란색을 띄었다. 호기성을 띄었으며 Casein, Starch, Catalase 가수분해, Nitrate 환원 실험, Voges-prokauer test 및 Methyl Red test에도 모두 양성을 보였고, Tween 80을 수해시킬 수 있었으며, indole 생산능 및 탄소원으로써 citrate를 활용할 수 있었다(Table 4). API 50CHB Kit를 사용하여 MK-11의 당 및 당 알코올 분해로 인한 산 생성능을 확인한 결과 D-mannitol과 D-sorbitol을 포함한 24개의 기질로부터 당자화에 의해 산을 생성하는 것으로 나타났다(Table 5).
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