Activity and Survival of the Natural Bacteria under the Stressed Conditions Detected by Bioluminescent Phenotype

스트레스 하의 자연세균의 활성 및 생존의 발광표현형을 이용한 탐지

To investigate whether the introduced genetic marker is useful to detect the survivalship and activity of the natural bacteria under the stressed conditions, one Gram-negative isolate, KP964 was transformed to the luminous phenotype by transferring luxAB gene. Under the starvation-stress this luminous bacterial culturability (determined by colony-forming-units [CFU] on agar plate) decreased rapidly below the detection limit by 37 days, while its total cell number (determined by AODC) remained almost the same as its initial inocular size. At that time period, the viable cell number was estimated to be 1400 times higher than its CFU number. The bioiuminescence (determined by relative light units [RLU]) produced under the same condition was also monitored and found to decrease more rapidly than the culturability by 5-fold. Under the other stresses, e.g., osmotic shocks, acid shock, and exposure to toxic chemicals, this bacterial strain did not show the reliable correlation between CFU and RLU. These results might not suggest the direct estimation of bioiuminescence from the stressed bacteria be an index of both the survivalship and its activity. However, when the stressed bacterial cells were incubated under the favorable condition by relieving from the existing stress, the potential bioiuminescence (the lag periods before the increase of bioiuminescence, the increase rates of bioiuminescence, and the maximal levels of bioiuminescence) was shown to be highly dependent upon the strengths of the stresses exposed to the bacterial cells. Therefore, analysis of the potential bioiuminescence from the stressed bacteria revealed good relationships with survival as well as activity.

자연미생물, KP964에 luxAB 유전자를 주입하여 발광기능을 부여함으로써 그들의 발광정도가 스트레스에 대한 적응, 생존 및 활성도를 나타내는 색인이 될 수 있는가, 그리고 특히 non-culturable but viable(NCBV) 상태로 존재하는 미생물의 활성에 대한 정보를 제공할 수 있는가를 알아보았다. 영양결핍조건 하에서 그들의 총 세균수, 배양가능세균(colony-forming-unit; CFU)수, viable cell 수, 그리고 발광정도(relative light unit; RLU)의 변화를 조사하였다. 형광현미경으로 확인된 총 수는 변화가 없었으며, 첨가된 yeast extract에 의해 성장하는 viable cell 수는 완만하게 감소하였으나 CFU 수는 급격히 줄어들어 37일 째 이후에는 탐지한계 이하로 감소하였다. RLU의 경우, 처음 7일의 영양결핍동안 0.016%까지 감소하였으며, 그 이후에는 탐지한계수준 이하로 검출되었다. 아울러 스트레스를 받는 4시간 동안 CFU수와 RLU의 관계를 알아보기 위하여 발광 KP964 균주에게 독성유해물질, acid shock, osmotic shocks를 접촉시킨 후 시간별로 CFU와 RLU를 측정한 결과, KP964 CFU 당 RLU는 9.1-26% 까지 감소하였다. 이는 스트레스의 종류에 따라 접촉시간이 길수록 CFU 당 나오는 빛의 양이 줄어듬을 보인 것이다. 이러한 결과는 영양결핍조건 시 RLU의 감소율이 CFU의 감소율보다 더 크며 영양결핍 이외의 다른 스트레스 조건 하에서도 RLU의 감소율과 CFU의 감소율의 연관성을 찾을 수 없음을 보이므로, 발하는 빛의 정량만으로는 NCBV 상태는 물론 배양가능한 세균의 양이나 활성을 나타내지 못하는 듯 하였다. 그러나 스트레스를 받은 KP964의 활성 정도와 잠재발광능력과의 관계는 좋은 연관성을 보여주었다. 즉, p-xylene, hypo-osmotic stress, 또는 영양결핍에 노출된 세균으로부터 각 스트레스를 제거하였을 시 나타나는 발광증가 유형을 조사하였는데, 증가가 시작하기까지의 lag period는 각각 32, 26, 22분으로 나타났다. 즉 미생물에 강력한 스트레스로 작용한 경우일수록 lag time이 길고, 또한 발광의 증가율이 느리며 도달하는 최대 RLU값도 낮음이 관찰되었다. 따라서 스트레스 하의 세균으로부터 직접적인 RLU의 측정보다는 이들이 스트레스 조건으로부터 재성장 또는 소생되는 과정에서의 잠재 발광능력의 분석이 자연세균의 적응, 활성 및 생존의 정도를 나타내주었다.