• Journal of Microbiology and Biotechnology
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• 제22권12호
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• pp.1597-1604
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• 2012

Genus Bacillus is a spore-forming bacterium that has unique properties in cell differentiation, allowing the forming of spores in stress conditions and activated in the vegetative cell, with suitable environments occurring during the life cycle acting as a trigger. Their habitat is mainly in soil; thus, many species of Bacillus are associated with plants as well as rhizosphere bacteria and endophytic bacteria. Signal transduction is the principal mechanism of interactions, both within the cell community and with the external environment, which provides the subsequent functions or properties for the cell. The antimicrobial compounds of Bacillus sp. are potentially useful products, which have been used in agriculture for the inhibition of phytopathogens, for the stimulation of plant growth, and in the food industry as probiotics. There are two systems for the synthesis of these substances: nonribosomal synthesis of cyclic lipopeptides (NRPS) and polyketides (PKS). For each group, the structures, properties, and genes of the main products are described. The different compounds described and the way in which they co-exist exhibit the relationship of Bacillus substances to plants, humans, and animals.

• Journal of Microbiology and Biotechnology
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• 제26권9호
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• pp.1593-1604
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• 2016

Recently, bacterial quorum quenching (QQ) has been proven to have potential as an innovative approach for biofouling control in membrane bioreactors (MBRs) for advanced wastewater treatment. Although information regarding the microbial community is crucial for the development of QQ strategies, little information exists on the microbial ecology in QQ-MBRs. In this study, the microbial communities of biofilm were investigated in relation to the effect of QQ on anoxic/oxic MBRs. Two laboratory-scale MBRs were operated with and without QQ-beads (QQ-bacteria entrapped in beads). The transmembrane pressure increase in the QQ-MBRs was delayed by approximately 100-110% compared with conventional- and vacant-MBRs (beads without QQ-bacteria) at 45 kPa. In terms of the microbial community, QQ gradually favored the development of a diverse and even community. QQ had an effect on both the bacterial composition and change rate of the bacterial composition. Proteobacteria and Bacteroidetes were the most dominant phyla in the biofilm, and the average relative composition of Proteobacteria was low in the QQ-MBR. Thiothrix sp. was the dominant bacterium in the biofilm. The relative composition of Thiothrix sp. was low in the QQ-MBR. These findings provide useful information that can inform the development of a new QQ strategy.

• Membrane and Water Treatment
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• 제15권2호
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• pp.51-57
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• 2024

The removal of phosphorus, especially phosphate-form phosphorus, is necessary in wastewater treatment. Biofouling induced by the quorum sensing mechanism is also a major problem in membrane bioreactor (MBR), which reduces membrane flux. This study introduces lanthanum-doped quorum quenching (QQ) beads into MBR, confirming their inhibitory effect on biofouling due to Rhodococcus sp. BH4 and their capacity for phosphorus removal through lanthanum adsorption. A batch test was conducted to access the phosphate adsorption of lanthanum-QQ (La-QQ) beads and lab-scale MBR to verify the effect of inhibition. The study aimed to identify distinctions among the MBR, QQ MBR, and La-QQ MBR. In the batch test, the phosphate removal rate increased as the volume of beads increased, while the unit volume removal rate of phosphate decreased. In the lab-scale MBR, the phosphate removal rates were below 20% in the control MBR and QQ MBR, whereas the La-QQ MBR achieved a phosphate removal rate of 74%. There was not much difference between the ammonia and total organic carbon (TOC) removal rates. Regarding the change in transmembrane pressure(TMP), 3.7 days were taken for the control MBR to reach critical pressure. In contrast, the QQ-MBR took 9.8 days, and the La-QQ MBR took 6.1 days, which confirms the delay in biofouling. It is expected that La-QQ can be used within MBR to design a more stable MBR process that regulates biofouling and enhances phosphate removal.

• 한국미생물·생명공학회지
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• 제39권1호
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• pp.29-36
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• 2011

그람음성 간균인 녹농균(Pseudomonas aeruginosa)은 비뇨기, 각막, 호흡기, 화상부위 등에 광범위하게 감염하는 기회감염성 병원균으로, 병원성의 발현에 세균의 세포밀도 인식 기전인 쿼럼 센싱(quorum sensing)이 매우 중요하게 관여한다. 사전 연구에서 녹농균 감염력을 제어하기 위한 방법으로 쿼럼 센싱의 주 신호물질인 N-3-oxododecanoyl-HSL(3OC12-HSL)의 분자 구조가 변형된 물질들을 합성하여 쿼럼 센싱 억제물질로 사용하고자 하였으며, 그 중 두 개의 물질들(5b, 5f)이 대장균을 이용한 스크리닝을 통해 녹농균의 주요 쿼럼 센싱 수용체 단백질인 LasR의 활성을 억제할 수 있음을 확인하였었다. 본 연구에서는 이 물질들의 효과를 보다 면밀히 분석하기 위하여 실제 녹농균에서 이 물질들이 쿼럼 센싱과 병독성을 억제할 수 있는지 분석해 보았다. 대장균을 이용한 리포터 분석에서와는 달리, 5b와 5f 모두 녹농균에서 직접 처리하였을 때는 LasR의 활성에 영향을 주지 못하였다. 대신 이 물질들은 녹농균의 또다른 쿼럼 센싱 수용체 단백질인 QscR의 활성에 선택적으로 영향을 주었다. 흥미롭게도 이 물질들의 효과는 대장균에서 얻어진 결과와는 달랐으며 다소 복잡하였다. 두 물질 모두 낮은 농도 범위(<10 ${\mu}m$)에서 QscR의 활성을 증가시켰으며, 높은 농도의 5f(${\approx}$1 mM)는 QscR을 강하게 억제하였다. 두 물질 모두 중요한 병독인자인 프로테아제 활성에는 영향을 주지 않으면서도, 만성감염을 매개하는데 중요한 생물막의 형성은 의미있게 감소시켰다. 특히 5f는 생물막의 성숙단계 보다는 녹농균 세포의 초기 부착을 억제하였다. 이러한 결과들을 바탕으로, 5f의 경우 독성의 증가 없이 생물막 형성을 억제할 수 있는 물질로 응용이 가능하다고 제안한다.

• Journal of Microbiology and Biotechnology
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• 제30권4호
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• pp.571-582
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• 2020

Quorum sensing (QS)-mediated infections cause severe diseases in human beings. The control of infectious diseases by inhibiting QS using antipathogenic drugs is a promising approach as antibiotics are proving inefficient in treating these diseases. Marine fungal (Pestalotiopsis sydowiana PPR) extract was found to possess effective antipathogenic characteristics. The minimum inhibitory concentration (MIC) of the fungal extract against test pathogen Pseudomonas aeruginosa PAO1 was 1,000 ㎍/ml. Sub-MIC concentrations (250 and 500 ㎍/ml) of fungal extract reduced QS-regulated virulence phenotypes such as the production of pyocyanin, chitinase, protease, elastase, and staphylolytic activity in P. aeruginosa PAO1 by 84.15%, 73.15%, 67.37%, 62.37%, and 33.65%, respectively. Moreover, it also reduced the production of exopolysaccharides (74.99%), rhamnolipids (68.01%), and alginate (54.98%), and inhibited the biofilm formation of the bacteria by 90.54%. In silico analysis revealed that the metabolite of P. sydowiana PPR binds to the bacterial QS receptor proteins (LasR and RhlR) similar to their respective natural signaling molecules. Cyclo(-Leu-Pro) (CLP) and 4-Hydroxyphenylacetamide (4-HPA) were identified as potent bioactive compounds among the metabolites of P. sydowiana PPR using in silico approaches. The MIC values of CLP and 4-HPA against P. aeruginosa PAO1 were determined as 250 and 125 ㎍/ml, respectively. All the antivirulence assays were conducted at sub-MIC concentrations of CLP (125 ㎍/ml) and 4-HPA (62.5 ㎍/ml), which resulted in marked reduction in all the investigated virulence factors. This was further supported by gene expression studies. The findings suggest that the metabolites of P. sydowiana PPR can be employed as promising QS inhibitors that target pathogenic bacteria.

• Fisheries and Aquatic Sciences
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• 제22권12호
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• pp.30.1-30.11
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• 2019

Marine natural products isolated from the sponge Fascaplysinopsis cf reticulata, in French Polynesia, were investigated as an alternative to antibiotics to control pathogens in aquaculture. The overuse of antibiotics in aquaculture is largely considered to be an environmental pollution, because it supports the transfer of antibiotic resistance genes within the aquatic environment. One environmentally friendly alternative to antibiotics is the use of quorum sensing inhibitors (QSIs). Quorum sensing (QS) is a regulatory mechanism in bacteria which control virulence factors through the secretion of autoinducers (AIs), such as acyl-homoserine lactone (AHL) in gram-negative bacteria. Vibrio harveyi QS is controlled through three parallel pathways: HAI-1, AI-2, and CAI-1. Bioassay-guided purification of F. cf reticulata extract was conducted on two bacterial species, i.e., Tenacibaculum maritimum and V. harveyi for antibiotic and QS inhibition bioactivities. Toxicity bioassay of fractions was also evaluated on the freshwater fish Poecilia reticulata and the marine fish Acanthurus triostegus. Cyclohexanic and dichloromethane fractions of F. cf reticulata exhibited QS inhibition on V. harveyi and antibiotic bioactivities on V. harveyi and T. maritimum, respectively. Palauolide (1) and fascaplysin (2) were purified as major molecules from the cyclohexanic and dichloromethane fractions, respectively. Palauolide inhibited QS of V. harveyi through HAI-1 QS pathway at 50 ㎍ ml^-1 (26 μM), while fascaplysin affected the bacterial growth of V. harveyi (50 ㎍ ml^-1) and T. maritimum (0.25 ㎍). The toxicity of fascaplysin-enriched fraction (FEF) was evaluated and exhibited a toxic effect against fish at 50 ㎍ ml^-1. This study demonstrated for the first time the QSI potential of palauolide (1). Future research may assess the toxicity of both the cyclohexanic fraction of the sponge and palauolide (1) on fish, to confirm their potential as alternative to antibiotics in fish farming.

• 미생물학회지
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• 제44권2호
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• pp.85-92
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• 2008

Pseudomonas aeruginosa는 기회 감염성 병원균으로, Cystic fibrosis, 미생물 감염성 각막염,화상 부위 2차 감염 등의 다양한 질병을 초래한다. 정족수 인식(쿼럼 센싱)이라고도 알려져 있는 세포간 신호전달 기전이 이러한 감염에서 중요한 역할을 하기 때문에 P. aeruginosa의 정족수 인식 시스템들이 집중적으로 연구되어 왔다. P. aeruginosa의 정족수 인식 시스템들을 소개하는 많은 문헌들이 주로 두 개의 주요 acyl-homoserine lactone (AHL) 계열 정족수 신호물질들인 N-3-oxododecanoyl homoserine lactone (3OC12)과 N-butanoyl homoserine lactone (C4)에 초점을 맞추어 설명하고 있지만, 실제로는 몇 가지 새로운 신호물질들이 발견되어져 왔고, 그들이 P. aeruginosa의 병독성과 신호전달에 중요한 역할을 할 수 있음이 제안되어져 왔다. 그 중 하나가 PQS(Pseudomonas quinolone signal; 2-heptyl-3-hydroxy-4-quinolone)인데, 이 물질은 현재 P. aeruginosa의 잘 규명된 주요 신호물질로 인식되고 있다. 이에 더하여, 최근의 연구들은 또 다른 가능성 있는 P. aeruginosa신호물질들을 제안해 왔는데, diketopiperazines (DKPs)과 pyocyanin이 그들이다. DKPs는 환형 dipeptide로써 이를 구성하는 아미노산의 종류에 따라 다양한 구조를 가진다. P. aeruginosa의 배양액에서 검출된 몇몇 DKPs들이 기존에는 AHL에만 특이적으로 반응한다고 알려졌던 Vibrio 랸�N갸 LuxR biosensor를 활성화 시킬 수 있다는 것이 발견되어 새로운 신호물질로 제안되었다. Pyocyanin (1-hydroxy-5-methyl-phenazine)은 P. aeruginosa가 생산하는 여러 phenazine 화합물들 중의 하나로써, 특징적인 청록색을 띄는 산화-환원 활성물질이다. 이 물질도 정체 성장기 동안 일부 정족수 인식의 조절을 받는 유전자들의 발현을 증가시키는 최종 신호 인자로 최근 제안되었으며, 그 신호는 또 다른 전사 조절 인자인 SoxR에 의해 매개된다고 제안되었다. 본 논문에서는 P. aeruginosa에서 새롭게 발견, 제안되고 있는 이들 신호 전달 물질들에 대해 자세히 다루어 보기로 한다.

• 한국미생물·생명공학회지
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• 제43권4호
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• pp.357-366
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• 2015

쿼럼센싱은 세포 간의 의사소통 방법이며 박테리아의 병원성과 관련된 유전자들의 조절메커니즘이다. 박테리아는 다양한 생리학적 과정들을 제어하기 위해 이 쿼럼센싱 시스템을 활용한다. 본 연구에서 석류(Punica granatum L.) 껍질 추출물이 바이오 리포터 균주인 Chromobacterium violaceum 과 C. violaceum CV026에서 쿼럼센싱 억제능을 갖는 것으로 1차 선별되어 식중독균인 Y. enterocolitica에서 편모에 의한 운동능과 바이오필름형성 억제능에 대한 석류껍질 추출물의 효과에 대한 다음 실험을 수행하였다. 추가로 N-acylhomoserine lactones (AHLs)의 합성(yenI and yenR)과 편모 레귤론(fliA, fleB and flhDC) 에 관련된 특정유전자의 발현변화를 역전사 중합효소연쇄반응법으로 평가하였다. 결과는 석류껍질 추출물이 C. violaceum CV026에서 쿼럼센싱으로 제어되는 바이오레신 생산을 78.5%까지 억제하였으며, Y. enterocolitica에서는 세포의 성장에 영향을 주지 않고 바이오필름 형성과 편모 운동성을 현저히 감소시키는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 억제 효과는 AHLs의 합성과 운동성에 관여하는 유전자 발현을 down-regulation 하는 결과와도 일치하였다. 본 연구의 결과는 석류껍질 추출물의 임상 적용을 위하여 생체 내 특성에 대한 추가적인 연구가 필요하다는 것뿐 아니라 석류껍질 추출물이 사람의 위장관염을 방지하기 위한 잠재적인 치료제가 될 수 있다는 것을 보여준다.

• Journal of Microbiology and Biotechnology
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• 제29권4호
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• pp.596-606
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• 2019

N-acyl-homoserine lactone quorum sensing (AHL-QS) has been shown to regulate many physiological behaviors in Serratia marcescens MG1. In the current study, the effects of AHL-QS on the biosynthesis of acid and neutral products by S. marcescens MG1 and its isogenic ${\Delta}swrI$ with or without supplementing exogenous N-hexanoyl-L-homoserine lactone ($C_6-HSL$) were systematically investigated. The results showed that swrI disruption resulted in rapid pH drops from 7.0 to 4.8, which could be restored to wild type by supplementing $C_6-HSL$. Furthermore, fermentation product analysis indicated that ${\Delta}swrI$ could lead to obvious accumulation for acidogenesis products such as lactic acid and succinic acid, especially excess acetic acid (2.27 g/l) produced at the early stage of fermentation, whereas solventogenesis products by ${\Delta}swrI$ appeared to noticeably decrease by an approximate 30% for acetoin during 32-48 h and by an approximate 20% for 2,3-butanediol during 24-40 h, when compared to those by wild type. Interestingly, the excess acetic acid produced could be removed in an AHL-QS-independent manner. Subsequently, quantitative real-time PCR was used to determine the mRNA expression levels of genes responsible for acidogenesis and solventogenesis and showed consistent results with those of product synthesis. Finally, by close examination of promoter regions of the analyzed genes, four putative luxI box-like motifs were found upstream of genes encoding acetyl-CoA synthase, lactate dehydrogenase, ${\alpha}$-acetolactate decarboxylase, and Lys-like regulator. The information from this study provides a novel insight into the roles played by AHL-QS in switching from acidogenesis to solventogenesis in S. marcescens MG1.

• 생명과학회지
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• 제31권1호
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• pp.100-108
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• 2021

구강에는 700여 종의 미생물이 부유성 세균(planktonic cells)으로 있거나 치아 표면에 부착하여 바이오필름(biofilms)을 형성하고 있으며 구강 바이오필름(oral biofilms)과 관련된 대표적인 구강질환에는 치아우식증과 치주질환이 있다. 구강 세균은 타액의 흐름, 숙주의 항균 단백질, 영양소의 가용성 및 pH 변화, 항생제, 방부제 등의 영향을 받고 있지만 바이오필름이 형성되면 바이오필름은 물리적으로 두꺼운 층을 이루고 있기 때문에 구강 세균은 이와 같은 구강 내부의 환경적 스트레스에 저항할 수 있을 뿐만 아니라 외부 물질의 침투가 어렵고 바이오필름 내 세포간 상호작용을 통해 유전자 변이가 일어나기 때문에 부유성 세균보다 항생제에 대한 저항성이 1,000배 정도 높다. 따라서 구강 세균의 바이오필름 형성을 억제하거나 제거하면 보다 효과적으로 세균 감염에 의한 구강질환을 예방하거나 치료할 수 있을 것이다. 특히 구강 바이오필름은 여러 세균이 모여서 바이오필름을 형성하는 특징을 가지고 있기 때문에 세포간 신호전달체계인 정족수 감지(quorum sensing)는 구강 바이오필름을 제어할 수 있는 목표점이 될 수 있다. 이외에도 구강세균의 알칼리 생성 기질인 아르기닌을 이용하여 구강 미생물의 분포를 건강한 치아와 유사한 환경으로 전환하거나 S. mutans의 glucosyltransferase 분비를 억제하여 비수용성의 글루칸 형성을 억제함으로써 바이오필름 형성을 억제하는 방법도 구강 바이오필름을 제어할 수 있는 목표점이 될 수 있다. 이처럼 구강 내 병원성 세균의 사멸을 유도하기 보다는 구강 세균의 바이오필름 형성을 억제하거나 제거하는 방법은 치아우식증을 비롯한 구강질환을 선택적으로 예방하거나 치료할 수 있는 새로운 전략이 될 것이다.