The survival strategies of polar organisms at permanently or extremely cold temperatures and their application to cryobiology were reviewed here. In addition, ongoing studies on psychrophiles also were described. Psychrophiles are extremophiles that can grow and reproduce in cold temperatures, typically at -10 to $20^{\circ}C$. These organisms developed various mechanisms of adaptation to extremely cold environments. Polar organisms cope with these extreme physicochemical conditions using strategies such as avoidance, protection and partnership with other organisms. Understanding on the strategies adopted by polar organisms may provide insight on the physiological process that cells can go through during freezing. Cryopreservation may be able to take advantage of the findings described above. Currently, genomes of many cold-loving organisms have been sequenced and comparative genomics has revealed, at a molecular level, the characteristics of these organisms. The investigation of microorganisms on the polar glaciers may expand our understanding on the origin of life on Earth and other planets.
In this study, an elastic network model is established in order to find dominant factors which reflect thermostability of protein structures. The connections in the elastic network model are selected with respect to the free energy between alpha-carbons, which is representatives of residues in the elastic network model. We carried out normal mode analysis and compared eigenvalues of the stiffness matrix from the elastic network model. In most cases, thermophilic proteins are observed to have higher values of lowest natural frequency than mesophiles and psychrophiles have. As a result, the thermophiles are calculated to be stiffer than other proteins in view of dynamic vibration.
The microbial growth of fresh, vacuum packaged, cook-in-bag uncured beef patties was determined in two film structures, a commercial (PE/EVOH), and super barrier ($SiO_2$ coated polyester) material. Packaged samples were cooked to internal temperature of 71 and $82^{\circ}C$ for 30 minutes, and stored in temperature abused ($23{\pm}2^{\circ}C$) and refrigerated storage ($4-6^{\circ}C$). Barrier properties had a significant effect (p<0.001) on aerobic and mesophilic growth in the abused condition. Cooking temperatures had a statistically significant effect (p<0.05) on aerobic growth in the refrigerated condition. The growth of anaerobes and psychrophiles were not significantly effected by either variables. Storage times had the most significant effect (p<0.001) for all groups of microorganisms. The physical properties of the commercial film (strength, thickness, and shrinkage) were changed after exposure to thermal treatment, while the super barrier package had actually no change.
Psychrophiles have evolved to produce cold-adapted enzymes to enable survival in low-temperature environments. In this study, the cold adaptation of 5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase (CpsEPSPS) from Colwellia psychrerythraea, a model psychrophile, was analyzed. The optimum temperature for the activity of CpsEPSPS was found to be 25℃, with 35% activity remaining at 5℃. However, the unfolding temperature of CpsEPSPS was 54℃. This phenomenon is frequently observed in cold-active enzymes. As is the cases for most cold-active enzymes, the Km values of CpsEPSPS for its substrates were higher than those of Escherichia coli EPSPS. These results indicate that CpsEPSPS is cold-adapted, but not perfectly.
본 연구는 채소류의 미생물학적 오염도를 조사하기 위하여 학교 주변 식당 10곳에서 채취한 마늘, 고추, 깻잎, 상추를 대상으로 하여 총세균, 대장균군, 저온균, 효모, 황색포도상구균의 오염도 수준을 분석하였다. 총세균의 경우, 상추는 평균 $5.4{\pm}0.69$ log CFU/g, 마늘은 $3.4{\pm}1.27$ log CFU/g로 상추>고추>깻잎>마늘 순으로 높게 나타났고, 조사한 식당의 절반이 넘는 식당에서 채취한 모든 시료에서 대장균 군이 검출되었다. 저온균은 고추, 상추, 깻잎, 마늘 순으로 높게 나타나 각각 평균 $5.0{\pm}1.82$ log CFU/g, $4.2{\pm}1.91$ log CFU/g, $4.7{\pm}1.55$ log CFU/g, $2.4{\pm}2.10$ log CFU/g로 나타났다. 효모는 깻잎이 평균 $4.4{\pm}1.41$ log CFU/g의 오염 수준으로 가장 높게 나타났으며 마늘은 평균 $0.9{\pm}1.41$ log CFU/g으로 가장 낮은 오염 수준으로 나타났다. 황색포도상구균의 오염 수준은 총 40개의 시료 중 27개의 시료에서 0.5~5.2 log CFU/g의 범위에 걸쳐 검출되어 본 연구에서 수집한 27개의 시료 중 22개의 시료가 식품공전의 규정 기준보다 높은 수의 황색포도상구균에 오염된 것으로 나타났다. 따라서 안전한 채소류를 섭취하여, 채소류 섭취로부터 발생할 수 있는 식중독 사고를 예방하기 위해서는 더 위생적이고 체계적인 관리가 필요하다고 사료된다.
This study was conducted to investigate the antibacterial activity and shelf-life extension effect of iceberg lettuce packed in BN/PE film. The BN/PE film has a strong microbial suppression effect on pathogenic bacteria such as Escherichia coli, Salmonella enteritidis, and S. typhimurium. The number of psychrophiles and mesophiles during 5 days of cold storage of fresh-cut iceberg lettuce at $10^{\circ}C$ packaged in BN/PE film was strictly suppressed in comparison with other tested films (OPP, PE, and PET film). When fresh processed iceberg lettuce was processed and stored under the current conditions, the shelf-life of the product was longer than 5 days in the BN/PE film package, whereas the shelf-life when using the other films tested, PE, OPP and PET, was no longer than 3-4 days. The decay rates of the iceberg lettuce packed in the BN/PE film was maintained at $29.8{\pm}2.1%$ on the 5th day of preservation. The samples packed in BN/PE film maintained an excellent visual quality during the 3 days of storage without significant differences in comparison with the initial visual quality. No browning was observed in the samples packed in BN/PE film for up to 3 days. The texture of shredded iceberg lettuce packaged in BN/PE film remained unchanged up to 3 days, and then a moderate decrease in texture was observed after 4 days of storage. In addition, the overall acceptability of fresh-cut iceberg lettuce packaged in BN/PE film did not change for up to 3 days, whereas the samples packaged in the other films were inedible by 3 days of storage. In conclusion, the shelf-life of fresh-cut iceberg lettuce packaged in the BN/PE film was extended to more than 5 days at $10^{\circ}C$, whereas that in the other films was 2 days at $10^{\circ}C$. Therefore, the shelf-life extension effect of the fresh-cut iceberg lettuce in BN/PE film packaging was very effective compared with the other films tested.
Polar psychrophiles which thrive under extreme conditions such as cold temperature, high salinity, and high dose ultraviolet light, emerge as novel targets for biotechnology. To prevent genetic drift and the possibility of contamination by subculturing, cryopreservation was employed for two psychrophilic microalgae, Porosira sp. (KOPRI AnM0008) and Pyramimonas sp. (KOPRI AnM0046), which have anti-freeze activities. Five cryoprotectants (dimethyl sulphoxide, ethylene glycol, glycerol, methanol and propylene glycol) showed toxicity at 20-30% (v/v). The optimal cryoprotectant concentration and equilibration time were less than 20% and 10 min, respectively. Cryopreservation was carried out in the presence of cryoprotectants either by direct freezing in liquid nitrogen ($LN_2$) or controlled freezing using a controlled rate freezer followed by storage in the $LN_2$ tank. As a result, Pyramimonas sp. (KOPRI AnM0046), a psychrophilic chlorophyta was revived. Cryopreserved Porosira sp. was not revived from either freezing protocols probably due to the silicic cell wall and its relatively large cell size. In the case of Pyramimonas sp. (KOPRI AnM0046), the controlled freezing method showed higher revival yield than the direct freezing method.
Fragilariopsis cylindrus is one of the most successful psychrophiles in the Southern Ocean. To investigate the molecular mechanism of biomineralization in this species, we attempted to synchronize F. cylindrus growth, since new cell wall formation is tightly coupled to the cell division process. Nutrient limitation analysis showed that F. cylindrus cultures rapidly stopped growing when deprived of silicate or light, while growth continued to a certain extent in the absence of nitrate. Flow cytometry analysis indicated that deprivation of either silicate or light could effectively arrest the cell cycle of this diatom species at the G1 phase, suggesting that synchrony can be established using either factor. Fluorescence labeling of new cell walls was faintly detectable as early as approximately 6 h after silicon repletion or light irradiation, and labeling was markedly intensified by 18 h. It is revealed that the synthesis of girdle bands begins before valve synthesis in this species, with active valve synthesis occurring during the G2 / M phase. Expression profiling revealed that selective member(s) of the F. cylindrus SIT genes (FcSIT) respond to silicate and light, with a different set of genes being responsive to each factor. The Si / light double depletion experiments demonstrated that expression of one FcSIT gene is possibly correlated to transition to G2 / M phase of the cell cycle, when the valve is actively formed.
Cold-adapted bacteria survive in extremely cold temperature conditions and exhibit various mechanisms of adaptation to sustain their regular metabolic functions. These adaptations include several physiological and metabolic changes that assist growth in a myriad of ways. Successfully sensing of the drop in temperature in these bacteria is followed by responses which include changes in the outer cell membrane to changes in the central nucleoid of the cell. Their survival is facilitated through many ways such as synthesis of cryoprotectants, cold acclimation proteins, cold shock proteins, RNA degradosomes, Antifreeze proteins and ice nucleators. Agricultural productivity in cereals and legumes under low temperature is influenced by several cold adopted bacteria including Pseudomonas, Acinetobacter, Burkholderia, Exiguobacterium, Pantoea, Rahnella, Rhodococcus and Serratia. They use plant growth promotion mechanisms including production of IAA, HCN, and ACC deaminase, phosphate solublization and biocontrol against plant pathogens such as Alternaria, Fusarium, Sclerotium, Rhizoctonia and Pythium.
동토지대 거대 담수호에 서식하는 종속영양세균 군집의 생태학적 기능을 파악하기 위하여, 몽골 북부의 동토지대 경계에 위치한 스굴 호수에서, 전체 세균군집의 구조와 유기물질을 분해할 수 있는 미생물 군집의 구조를 수심별로 비교 분석하였다. 환경인자 분석결과, 수심 5~10 m 사이에서 thermocline과 chemocline이 관찰되었다. Denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE)로 전체 세균군집의 구조를 수심별로 비교한 결과 0~5 m 사이에서 군집구조의 변화가 컸고, 10 m 이상에서는 Acidovorax facilis를 위주로 비교적 안정된 군집을 형성하였다. $10^{\circ}C$에서 고분자 유기물 분해 활성도(protease, cellulase, amylase, lipase)가 높은 균주들을 탐색하여 23개 균주를 선별하였다. 표층수로부터 Acidovorax defluvii와 Sphingobacterium faecium이 분리되었는데 cellulase 활성이 높았다. 수심2 m, 5 m 및 10 m 이상의 시료에서 분리된 세균군집은 각각, Flavobacterium succinicans, Mycoplana bullata, A. facilis가 우점하였다. F. succinicans는 높은 protease 활성을 보였고, 수심 5 m의 M. bullata는 protease와 cellulase 활성이 있었지만, 상대적으로 약한 활성을 보였다. 수심10 m의 A. facilis 균주들은 cellulase 또는 lipase를 서로 배타적으로 발현하였다. 온도별 성장속도를 분석한 결과 표층(0~5m) 세균들은 기회성 호냉성 세균이었고, 심층($\geq$10m)에서 분리된 균주들은 $10^{\circ}C$ 이하에서 성장률이 낮았다. 심층의 저온 빈영양 상태 때문에 심층 세균들간의 경쟁에서 빠른 저온 성장이 요구되지 않고, 상층의 경우 육상 또는 식물 플랑크톤으로부터 영양물질이 공급되므로 저온에서 빠른 성장 속도를 보이는 세균들이 상층에 주로 분포하는 것으로 해석되었다. 따라서 스굴 호수수층에서 관찰된 세균군집의 종 분포와 물질분해 작용의 성층화는, 한냉대 빈영양 담수 호수에서 분해자 군집들의 생태학적 기능이 0~10 m 수심의 표층에 집중됨을 시사하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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