[논문]우리나라에서 확보한 해양미생물과 미세조류에 대한 기초생리활성 연구

배승섭; 권용민; 정다운; 유운종; 조기철; 조은서; 정윤희; 박윤경; 안혜미; 이대성; 박진수; 이재욱; 오동찬; 오기봉; 조은지; 박상익; 전유진; 이효근; 김근용; 남상집; 최혁재; 판철호; 최그레이스

doi:10.23005/ksmls.2023.8.2.136

우리나라에서 확보한 해양미생물과 미세조류에 대한 기초생리활성 연구
A Study on the Bioactivity Exploration of the Collected Marine Microorganisms and Microalgaes in Korea 원문보기

한국해양생명과학회지 = Journal of marine life science, v.8 no.2, 2023년, pp.136 - 149

배승섭 (국립해양생물자원관 해양바이오산업화본부) , 권용민 (국립해양생물자원관 해양바이오산업화본부) , 정다운 (국립해양생물자원관 해양바이오산업화본부) , 유운종 (국립해양생물자원관 해양바이오산업화본부) , 조기철 (국립해양생물자원관 해양바이오산업화본부) , 조은서 (국립해양생물자원관 해양바이오산업화본부) , 정윤희 (국립해양생물자원관 해양바이오산업화본부) , 박윤경 (국립해양생물자원관 해양바이오산업화본부) , 안혜미 (국립해양생물자원관 해양바이오산업화본부) , 이대성 (국립해양생물자원관 해양바이오산업화본부) , 박진수 (한국과학기술연구원 강릉분원 천연물연구소 천연물인포매틱스연구센터) , 이재욱 (한국과학기술연구원 강릉분원 천연물연구소 천연물소재연구센터) , 오동찬 (서울대학교 약학대학 제약학과) , 오기봉 (서울대학교 농업생명과학대학 응용생물화학부) , 조은지 (서울대학교 농업생명과학대학 응용생물화학부) , 박상익 (전남대학교 수의과) , 전유진 , 이효근 , 김근용 , 남상집 , 최혁재 , 판철호 , 최그레이스

초록
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우리나라 여러 해양환경 지역으로부터 확보한 370주의 해양세균, 균류, 미세조류로부터 기초생리활성(항산화, 항염, 항균, 항암, 항바이러스)을 조사하여 채집지, 분리원, 종(種) 수준에서의 활성결과를 비교하였다. 해양세균의 경우, 일반적으로 유용성이 많이 알려진 Streptomyces 속과 Bacillus 속에 속하는 균주들이 두드러진 강한 효능이 관찰되었고, 주로 해양퇴적물로부터 유용한 자원을 분리할 수 있었다. 해양균류와 미세조류의 경우에도 종 특이적으로 활성이 강하게 나타나는 결과를 확인할 수 있었고, 효능 특이적으로 활성을 보이는 결과도 얻을 수 있었다. 이러한 결과를 바탕으로 추후 특정질병에 선택적으로 효능을 보이는 화학물질 연구 또는 자원 기반 연구 수행 시 유용성을 전제로 한 자원 확보 전략 수립과 산업 활성화를 위한 전략소재로 우선적 접근이 용이할 수 있는 연구결과라 생각된다. 또한, 이들 결과를 해양바이오 뱅크를 통한 분양소재로 활용함으로써 학계, 산업계에서 활용하여 해양바이오산업 활성화에 좀 더 빠른 접근을 도울 수 있다고 생각한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Basic bioactivities (antioxidant, anti-inflammatory, antibacterial, anticancer, antiviral) were investigated from 370 strains of marine bacteria, fungi, and microalgae obtained from various marine environmental regions in Korea, and the activity results were obtained at the collection site, isolation source, and species level was compared. In the case of marine bacteria, strains belonging to the generally useful genera Streptomyces and Bacillus were observed to have particularly strong efficacy and useful resources were mainly isolated from marine sediments. In the case of marine fungi and microalgae, results showing strong species-specific activity were confirmed, and results showing efficacy-specific activity were also obtained. Based on these results, it is a research result that can facilitate priority access as a strategic material for industrial revitalization and the establishment of a strategy to secure resources based on usefulness when conducting research on chemicals that are selectively effective against specific diseases or when conducting resource-based research. In addition, we believe that by using these results as material for sale through the Marine BioBank (MBB), academia and industry can use them to help accelerate the revitalization of the marine bio industry.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Distribution of marine isolates in coastal areas and from isolation sources. The distribution of 230 marine bacterial strains in coastal areas (A) and from isolation sources (B). The distribution of 70 marine fungal strains in coastal areas (C) and from isolation sources (D). The distribution of 70 marine microalgae strains in coastal areas (E) and from isolation sources (F). Numbers represent the percentage of isolated strains.
표 Table 1. Taxonomic classification of isolated 230 marine bacterial strains
표 Table 2. Taxonomic classification of isolated marine fungal and microalgal strains
표 Table 3. Number of active marine bacterial strains at the family level in activity test of antioxidant, anti-inflammatory, antibacterial, anticancer, and antivirus
표 Table 3. Number of active marine bacterial strains at the family level in activity test of antioxidant, anti-inflammatory, antibacterial, anticancer, and antivirus (Continued)
표 Table 4. Number of active marine fungal strains at the family level in activity test of antioxidant, anti-inflammatory, antibacterial, anticancer, and antivirus
표 Table 5. Number of active marine microalgal strains at the family level in activity test of antioxidant, anti-inflammatory, antibacterial, anticancer, and antivirus

AI 본문요약
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문제 정의

우리나라 동서남해안, 제주도, 울릉도로부터 해수, 해양퇴적토, 해조류 등의 다양한 해양시료를 확보하여, 해양세균, 균류, 미세조류를 순수 분리하였다. 또한 해양시료 확보 시 환경오염이 심한 지역이거나 온도, 염도, pH 등이 일반적 지역과 상이한 특수 환경이거나 타 해양생물군에 서식하는 공생 자원을 확보하기 위하여 노력하였다.
본 연구는 우리나라 여러 지역으로부터 확보한 해양유래 시료로부터 다양한 해양세균, 균류, 미세조류를 확보하여 이들의 대량증식 가능성을 검토 및 확인하여 추출한 뒤, 그들이 생산한 유용한 이차대사물질이 포함된 추출물을 대상으로 항산화, 항염, 항균, 항암, 항바이러스 효능을 조사하였다. 효능결과 기준에 따른 등급을 매겨 이들 자원의 유용성을 채집지역에 따른 환경적 차이, 종(種) 수준에서 결과를 분석하였다.

제안 방법

먼저 광학현미경 이미징 분석을 위해 미세조류 배양액 10 μL를 취득하여 2% Lugol's solution (v/v)으로 고정하였으며, Slide glass에 배양체를 분주한 후 Cover glass로 덮고 Olympus BX50 (Olympus, 일본)을 이용하여 이미징 분석을 수행하였다
미세조류는 광학현미경 이미징 분석을 통한 형태학적 분석과 유전계통학적 분석을 동시에 수행하여 동정하였다. 먼저 광학현미경 이미징 분석을 위해 미세조류 배양액 10 μL를 취득하여 2% Lugol's solution (v/v)으로 고정하였으며, Slide glass에 배양체를 분주한 후 Cover glass로 덮고 Olympus BX50 (Olympus, 일본)을 이용하여 이미징 분석을 수행하였다.
1A and B). 순수 분리된 해양세균은 16S rRNA 유전자 염기서열 정보를 이용하여 EzBioCloud와 NCBI에서 표준 균주와 상동성을 비교하여 계통분류학 분석을 통해 동정하였고, 순수 분리된 해양세균은 국립해양생물자원관 해양바이오뱅크(https://www.mbris.kr/biobank/main/index.do)에 등록하였다(MABIK MI00006249-MI00006328, MABIK MI00006704-MI00006853).
본 연구는 2021년 4월부터 2026년 12월까지 수행하는 사업으로, 본 연구의 내용은 2021년 4월부터 2022년 12월까지 수행한 연구결과이다. 우리나라 동서남해안, 제주도, 울릉도로부터 해수, 해양퇴적토, 해조류 등의 다양한 해양시료를 확보하여, 해양세균, 균류, 미세조류를 순수 분리하였다. 또한 해양시료 확보 시 환경오염이 심한 지역이거나 온도, 염도, pH 등이 일반적 지역과 상이한 특수 환경이거나 타 해양생물군에 서식하는 공생 자원을 확보하기 위하여 노력하였다.
이후 미세조류의 계통유전학적 분석을 위해 균주 별로 18S rRNA (Euk-A: 5'-CTGGTTGATCCTGCCAGT-3')/Euk-B: 5'-GATCCTTCYGCAGGTTCACCTAC-3'), 16S rRNA (BAC-16S-1492f2: 5'-AGAGTTTGAWCMTGGCTCAG-3'/BAC16S-1492r2: 5'-GYTACCTTGTTACGACTT-3'), rbcL (RYf2-CHL-PL-0001f: 5'-ATGGYWCCDCAAACWGAAAC-3')/YRr2-CHL-PL-1375r: 5'-TTRAT-YTCTTTCCAHACYTCACA-3') 유전자 프라이머를 이용하여 증폭하였으며, 각 유전자 부위의 염기서열을 확보하여 계통 분석을 실시하여 미세조류를 최종적으로 동정하였다.
해양균류는 2021년도에 20주, 2022년도에 50주로 사업 기간 동안 총 70주를 확보하였다. 우리나라 연안 별로 남해 연안지역에서 분리한 해양균류가 가장 높은 비율을 차지하며 분리원 별로 해양생물(47%), 해수(27%), 해양퇴적물(26%), 조성으로 해양생물에서 주로 순수 분리하여 해양균류를 확보하였다(Fig.
확보된 균주들은 유전자 마커 염기서열(actin, β-tubulin, calmodulin, tef-1α, ITS, gpd, LSU)을 이용한 계통 분석을 통해 동정하였고, 국립해양생물자원관 해양바이오뱅크에 등록하였다(MABIK FU00000715, MABIK FU00001117-1135, MABIK FU00001180-1229).
1E and F). 확보된 균주들은 현미경 이미지를 활용한 형태학적 특성 분석과 유전자 염기서열의 계통 분석을 통해 동정하였다. 이후 확보된 미세조류는 국립해양생물자원관 해양바이오뱅크에 등록하였다(MABIK LP00000149-168, MABIK LP00000185-234).
본 연구는 우리나라 여러 지역으로부터 확보한 해양유래 시료로부터 다양한 해양세균, 균류, 미세조류를 확보하여 이들의 대량증식 가능성을 검토 및 확인하여 추출한 뒤, 그들이 생산한 유용한 이차대사물질이 포함된 추출물을 대상으로 항산화, 항염, 항균, 항암, 항바이러스 효능을 조사하였다. 효능결과 기준에 따른 등급을 매겨 이들 자원의 유용성을 채집지역에 따른 환경적 차이, 종(種) 수준에서 결과를 분석하였다. 이러한 결과들은 추후 해양미생물과 미세조류를 기반으로 한 연구, 교육, 산업분야에서 유용한 기초자료로 이용될 수 있다고 믿는다.

대상 데이터

2021년 4월부터 2022년 12월까지 우리나라 서해, 동해, 남해 연안에서 해수, 해양퇴적토, 해양생물 등 다양한 해양 자원으로부터 해양세균 230주, 해양균류 70주, 해양미세조류 70주를 순수 분리하여 총 370주를 확보하였다.
3종의 바이러스를 대상으로 수행한 항바이러스 실험은 추출물 50 μg mL-1에서 억제 효능 50% 초과하는 균주를 선별하였다
확보된 균주들은 현미경 이미지를 활용한 형태학적 특성 분석과 유전자 염기서열의 계통 분석을 통해 동정하였다. 이후 확보된 미세조류는 국립해양생물자원관 해양바이오뱅크에 등록하였다(MABIK LP00000149-168, MABIK LP00000185-234).
항염 효능은 위에 언급한 두 가지 실험을 대상으로 세포 생존률 80% 이상, 저해능 40% 초과하는 자원을 선별하였다. 그 결과, 세균에서는 주로 Strepmycetaceae(11주), 균류에서는 Aspergillaceae(6주) 과(family)에 속하는 균주가 활성을 보였으며 미세조류는 Bacillariaceae(4주) 과에서 속하는 균주가 항염활성을 나타냈다(Table 3-5).
해양 미세조류는 채취된 해수로부터 2021년도에 20주, 2022년도에는 50주로 총 70주를 확보하였다. 우리나라 연안 별로 서해(50%), 남해(36%), 동해(14%) 연안지역 순으로 영양염류가 풍부한 서해와 남해에서 확보된 미세조류가 많았으며, 서해 또는 남해 중에서도 염분이 높은 해수 및 염전지역과 더불어 해수와 담수의 중간 정도의 염분을 가진 기수(brackish water) 지역에서도 다양한 미세조류들을 확보하였다(Fig.

성능/효과

순수 분리된 해양세균 230주는 EzBioCloud 및 NCBI 데이터베이스 검색을 통해 표준 균주와 염기서열 상동성을 비교하여 계통수를 분석한 결과, 5문(phylum), 9강(class), 25목(order), 46과(family). 112속(genus)으로 확인되었다(Table 1). 대부분의 균주는 Pseudomonadota 문에 속했고(97주), 그 다음으로는 Actinomycetota(54주), Bacillota(43주), Bacteroidota(35주), Verrucomicrobiota(1주) 문에 해당되었다.
확보된 미세조류 70주는 6문(phylum), 10강(class), 17목(order), 20과(family), 31속(genus)에 속하였으며, 대부분의 균주는 Chlorophyta(30주), Bacillariophyta(23주) 및 Cyanobacteria(11주) 문에 속하였고 기타 Ochrophta(3주), Haptophyta(2주) 및 Dinophyta(1주)에 속하는 것을 확인하였다. 강(Class) 수준에서 미세조류는 Chlorophyceae(19주), Bacillariopyceae(16주), Cyanophyceae(11주) 및 Trebouxiophyceae(8주)로 4강이 전체 분류군의 약 77퍼센트를 차지하고 있었으며, 기타 Mediiophyceae(6주), Chlorodendrophyceae(3주), Eustigmatophyceae(3주), Coccolithophyceae(1주), Dinophyceae(1주) 및 Pavlovophyceae(1주)로 다양한 미세조류 분류군이 확보된 것을 확인할 수 있었다(Table 2).
항염 효능은 위에 언급한 두 가지 실험을 대상으로 세포 생존률 80% 이상, 저해능 40% 초과하는 자원을 선별하였다. 그 결과, 세균에서는 주로 Strepmycetaceae(11주), 균류에서는 Aspergillaceae(6주) 과(family)에 속하는 균주가 활성을 보였으며 미세조류는 Bacillariaceae(4주) 과에서 속하는 균주가 항염활성을 나타냈다(Table 3-5).
해양균류의 경우 Aspergillaceae 과에 속하는 균주들과 Didymellaceae 과에 속하는 균주들은 항암활성과 항바이러스 활성에서 강세를 보였다. 미세조류의 경우 Nizschia 속과 Gedaniella 속에 속하는 균주들이 다양하게 활성을 보였으며, Desmodesmus, Tetrademus, Synechococcus, Chlorella 속에 속하는 균주들이 항암 및 항바이러스활성이 두드러지게 관찰되었다. 특히 4종의 해양세균 Brevundimonas aurantiaca, 해양균류 Penicillium jianfenglingense, Metschnikowia bicuspidata, Aspergillus terreus 균주의 경우, 항균을 제외한 항산화, 항염, 항암, 항바이러스 활성에서 모두 효과를 나타내어 추후 어떠한 활성성분이 효능을 나타내는지 후속 연구가 필요하다.
본 연구를 통하여 우리나라 여러 해양환경 지역으로부터 다양한 해양세균, 균류, 미세조류로부터 기초생리활성(항산화, 항염, 항균, 항암, 항바이러스)을 조사하여 효능 특이적으로 활성을 보이는 다양한 해양미생물과 미세조류를 확보할 수 있었다. 특히, 종 특이적으로 활성이 강하게 나타나는 결과도 얻을 수 있어 추후 특정질병에 선택적으로 효능을 보이는 화학물질 연구가 가능할 것으로 생각된다.
해양균류는 2021년도에 20주, 2022년도에 50주로 사업 기간 동안 총 70주를 확보하였다. 우리나라 연안 별로 남해 연안지역에서 분리한 해양균류가 가장 높은 비율을 차지하며 분리원 별로 해양생물(47%), 해수(27%), 해양퇴적물(26%), 조성으로 해양생물에서 주로 순수 분리하여 해양균류를 확보하였다(Fig. 1C and D).
해양 미세조류는 채취된 해수로부터 2021년도에 20주, 2022년도에는 50주로 총 70주를 확보하였다. 우리나라 연안 별로 서해(50%), 남해(36%), 동해(14%) 연안지역 순으로 영양염류가 풍부한 서해와 남해에서 확보된 미세조류가 많았으며, 서해 또는 남해 중에서도 염분이 높은 해수 및 염전지역과 더불어 해수와 담수의 중간 정도의 염분을 가진 기수(brackish water) 지역에서도 다양한 미세조류들을 확보하였다(Fig. 1E and F).
해양균류의 경우 Aspergillaceae 과에 속하는 균주들과 Didymellaceae 과에 속하는 균주들은 항암활성과 항바이러스 활성에서 강세를 보였다. 미세조류의 경우 Nizschia 속과 Gedaniella 속에 속하는 균주들이 다양하게 활성을 보였으며, Desmodesmus, Tetrademus, Synechococcus, Chlorella 속에 속하는 균주들이 항암 및 항바이러스활성이 두드러지게 관찰되었다.
해양세균은 2021년도에 80주, 2022년도에 150주로 총 230주를 순수 분리하였으며, 우리나라 연안 별로 서해(60%), 남해(33%), 동해(7%) 연안지역 순으로 서해 연안지역에서 확보한 해양세균이 가장 높은 비율을 차지하며 분리원 별로 해양퇴적토(38%), 해수(33%), 해양생물(23%), 해양모레(5%), 해양쓰레기(1%) 조성으로 해양퇴적물과 해수 시료에서 주로 순수 분리하여 해양세균을 확보하였다(Fig. 1A and B).
확보된 미세조류 70주는 6문(phylum), 10강(class), 17목(order), 20과(family), 31속(genus)에 속하였으며, 대부분의 균주는 Chlorophyta(30주), Bacillariophyta(23주) 및 Cyanobacteria(11주) 문에 속하였고 기타 Ochrophta(3주), Haptophyta(2주) 및 Dinophyta(1주)에 속하는 것을 확인하였다. 강(Class) 수준에서 미세조류는 Chlorophyceae(19주), Bacillariopyceae(16주), Cyanophyceae(11주) 및 Trebouxiophyceae(8주)로 4강이 전체 분류군의 약 77퍼센트를 차지하고 있었으며, 기타 Mediiophyceae(6주), Chlorodendrophyceae(3주), Eustigmatophyceae(3주), Coccolithophyceae(1주), Dinophyceae(1주) 및 Pavlovophyceae(1주)로 다양한 미세조류 분류군이 확보된 것을 확인할 수 있었다(Table 2).

후속연구

특히, 종 특이적으로 활성이 강하게 나타나는 결과도 얻을 수 있어 추후 특정질병에 선택적으로 효능을 보이는 화학물질 연구가 가능할 것으로 생각된다. 또한 기초생리활성 스크리닝을 통해 확보한 해양미생물과 미세조류자원은 산업적 활용을 위한 해양생물전략소재 개발연구의 기초자료로 이용될 수 있다고 사료된다. 향후, 확보한 해양미생물과 미세조류 자원은 해양바이오뱅크에서 체계적으로 관리하고 학계, 산업계로 제공하여 활용됨으로써 해양바이오산업 활성화에도 기여할 할 것으로 기대된다.
효능결과 기준에 따른 등급을 매겨 이들 자원의 유용성을 채집지역에 따른 환경적 차이, 종(種) 수준에서 결과를 분석하였다. 이러한 결과들은 추후 해양미생물과 미세조류를 기반으로 한 연구, 교육, 산업분야에서 유용한 기초자료로 이용될 수 있다고 믿는다.
미세조류의 경우 Nizschia 속과 Gedaniella 속에 속하는 균주들이 다양하게 활성을 보였으며, Desmodesmus, Tetrademus, Synechococcus, Chlorella 속에 속하는 균주들이 항암 및 항바이러스활성이 두드러지게 관찰되었다. 특히 4종의 해양세균 Brevundimonas aurantiaca, 해양균류 Penicillium jianfenglingense, Metschnikowia bicuspidata, Aspergillus terreus 균주의 경우, 항균을 제외한 항산화, 항염, 항암, 항바이러스 활성에서 모두 효과를 나타내어 추후 어떠한 활성성분이 효능을 나타내는지 후속 연구가 필요하다.
본 연구를 통하여 우리나라 여러 해양환경 지역으로부터 다양한 해양세균, 균류, 미세조류로부터 기초생리활성(항산화, 항염, 항균, 항암, 항바이러스)을 조사하여 효능 특이적으로 활성을 보이는 다양한 해양미생물과 미세조류를 확보할 수 있었다. 특히, 종 특이적으로 활성이 강하게 나타나는 결과도 얻을 수 있어 추후 특정질병에 선택적으로 효능을 보이는 화학물질 연구가 가능할 것으로 생각된다. 또한 기초생리활성 스크리닝을 통해 확보한 해양미생물과 미세조류자원은 산업적 활용을 위한 해양생물전략소재 개발연구의 기초자료로 이용될 수 있다고 사료된다.
또한 기초생리활성 스크리닝을 통해 확보한 해양미생물과 미세조류자원은 산업적 활용을 위한 해양생물전략소재 개발연구의 기초자료로 이용될 수 있다고 사료된다. 향후, 확보한 해양미생물과 미세조류 자원은 해양바이오뱅크에서 체계적으로 관리하고 학계, 산업계로 제공하여 활용됨으로써 해양바이오산업 활성화에도 기여할 할 것으로 기대된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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