KR20180051463A - Composition for preventing formation of biofilm comprising raffinose and method for preventing formation of biofilm using the composition - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a composition for suppressing biofilm formation containing raffinose as an active ingredient, and a method for suppressing biofilm formation using the same. According to the present invention, provided is a composition for suppressing biofilm formation, capable of effectively suppressing biofilm formation on various membrane surfaces on which biofilms are formed. Moreover, provided is a method for suppressing biofilm formation using the same.

Description

라피노스를 유효성분으로 포함하는 바이오필름 형성 억제용 조성물 및 이를 이용한 바이오필름 형성 억제 방법{Composition for preventing formation of biofilm comprising raffinose and method for preventing formation of biofilm using the composition}[0001] The present invention relates to a composition for inhibiting the formation of biofilm comprising raffinose as an active ingredient and a method for inhibiting the formation of biofilm using the composition.

본 발명은 라피노스를 유효성분으로 포함하는 바이오필름 형성 억제용 조성물 및 이를 이용한 바이오필름 형성 억제 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a composition for inhibiting biofilm formation comprising raffinose as an active ingredient and a method for inhibiting biofilm formation using the same.

미생물의 바이오필름은 환경 내에 적응하기 위한 그들만의 생활양식이다. 미생물에 의하여 형성된 바이오필름은 다양한 표면에 강하게 부착되어 있어 제거하기가 힘들고, 부유생활을 할 때에 비하여, 가혹한 환경 (pH, 온도, 영양분의 고갈 등)과 항생제들의 공격 등에 대하여 훨씬 강한 저항력을 가지기 때문에 멸균, 소독이 힘들다. 또한, 미생물은 이러한 생물막의 형성 결과로 다양한 이득을 얻을 수 있기 때문에, 대부분의 자연 및 산업 환경에서 생물막 형태로 존재하게 된다. 생물막을 형성하는 미생물들은 EPS (extracellular polymeric substance; Carbohydrate, Protein, and Nucleic acid)라 불리는 개개의 미생물이 외부로 분비한 고분자 물질로 덮여 표면에 고착되어 존재한다. 따라서, 바이오필름은 세균, 효모, 곰팡이 등 미생물이 특정조건에서 인체 (피부, 구강, 치아 등)나 설비 (배관, 저장탱크 등) 등의 표면에 필름처럼 부착되어 있는 미생물의 집합체라 할 수 있으며, 그 자체가 미생물의 서식처로도 제공되어 균의 서식을 가속화하기도 한다. 이러한 바이오필름의 미생물은 산업계 및 의학계 전반에서 심각한 문제를 일으킬 수 있으므로, 바이오필름 형성 억제용 조성물 및 바이오필름 형성을 억제하는 방법 등에 대한 연구가 요구되는 상황이다.Microbial biofilms are their own lifestyle to adapt to the environment. Since biofilms formed by microorganisms are strongly attached to various surfaces, they are difficult to remove and have a much stronger resistance to harsh environments (such as pH, temperature, nutrient depletion, etc.) and attack of antibiotics Sterilization and disinfection are difficult. In addition, because microorganisms can obtain various benefits as a result of the formation of such biofilms, they are present in biofilm form in most natural and industrial environments. The microorganisms forming the biofilm are covered with a polymeric substance secreted by externally released individual microorganisms called EPS (extracellular polymeric substance; Carbohydrate, Protein, and Nucleic acid) and are fixed on the surface. Therefore, a biofilm is a collection of microorganisms such as bacteria, yeast, fungi and the like attached to the surface of human body (skin, oral cavity, teeth, etc.) or equipment (piping, storage tank, etc.) , It is also provided as a habitat for microorganisms, which accelerates the formation of bacteria. Such biofilm microorganisms may cause serious problems in the whole industry and the medical field. Therefore, it is required to study a composition for inhibiting biofilm formation and a method for inhibiting the formation of biofilm.

한편, 라피노스 (Raffinose)는 D-Galactose, D-Glucose, D-Fructose 각 1분자로 이루어진 비환원성 3당류의 일종으로서, 유카리의 만나 (Eucalyptus), 사탕무의 당밀, 목화 열매 등 다양한 천연물질에 존재하는 물질로 알파-갈락토시다아제 (alpha-galactosidase)에 의하여 수크로오스와 D-Galactose로 분해된다.On the other hand, Raffinose is a non-reducing tri-saccharide consisting of one molecule of D-Galactose, D-Glucose and D-Fructose. It is present in various natural substances such as Eucalyptus, sugar beet molasses, Which is degraded into sucrose and D-galactose by alpha-galactosidase.

대부분의 박테리아들은 두 가지 다른 상태로 생존할 수 있는 바, 이는 플랑크톤성 (planktonic) 및 고착성 (sessile) 상태이다. 바이오필름이라 함은, 자가-생산된 세포외 폴리머 물질 (extracellular polymeric substances, EPS) 중에 캡슐화된 단일 또는 다중 종들의 집합이며, 특히, 박테리아 감염은 종종 바이오필름과 연관된다. 예를 들어, 수도모나스 아에루기노사 (Pseudomonas aeruginosa)에 감염된 낭포성 섬유증 (cystic fibrosis) 환자들은 폐에 바이오필름이 형성되어 점진적 호흡기 기능 상실 현상을 보인다. 또한, 바이오필름은 의료기기, 컨택트 렌즈 및 인공 이식물의 오작동을 야기하며, 이는 궁극적으로 치명적인 의료적 문제점들로 이어진다. 더 나아가, 산업적 환경에서 바이오필름이 형성될 경우 (예를 들어, 선박 선체, 수 파이프, 및 막 필터 등), 성능이 상실되며, 유지 및 품질 관리에 비용 증가를 초래한다. 그럼에도 불구하고, 생물 및 무생물 표면에 형성된 바이오필름들은 제거하기가 매우 어려운 것으로 알려진 바, 이는 주로 바이오필름 세포들이 항미생물제 또는 살생물제에 대해서 민감하지 않기 때문이다. 바이오필름 세포들은 플랑크톤성 세포들에 비해서 항미생물에 대한 내성이 10 - 1,000배 더 큰 것으로 알려져 있다.Most bacteria can survive in two different states, planktonic and sessile. Biofilm is a collection of single or multiple species encapsulated in self-produced extracellular polymeric substances (EPS), in particular bacterial infections are often associated with biofilms. For example, the Pseudomonas Patients with cystic fibrosis infected with aeruginosa develop progressive respiratory failure due to biofilm formation in the lungs. Biofilm also causes malfunction of medical devices, contact lenses and artificial implants, which ultimately leads to fatal medical problems. Furthermore, when biofilms are formed in an industrial environment (e.g., marine hulls, water pipes, membrane filters, etc.), performance is lost, resulting in increased costs for maintenance and quality control. Nonetheless, biofilms formed on biological and inanimate surfaces are known to be very difficult to remove, largely because biofilm cells are not sensitive to antimicrobial or biocidal agents. Biofilm cells are 10 to 1,000 times more resistant to antimicrobials than planktonic cells.

바이오필름을 억제하기 위한 전통적인 살균성 또는 정균성 접근 방법들과는 대조적으로, 최근에는 박테리아의 성장에는 영향을 주지 않으면서 바이오필름 형성을 방해하는 쪽에 그 초점을 맞춘 연구들이 보고되고 있다 (비특허문헌 1). 예를 들어, 정족수 인식 (quorum sensing, QS)이라 불리우는 박테리아 세포-세포 소통은 화학적 신호 분자들에 의해서 매개되며, 이러한 정족수 인식은 바이오필름 성숙과 관련이 있는 것으로 알려져 있다. 이러한 발견을 바이오필름 성숙화를 파괴하는 전략을 개발하는데 사용할 수 있는 바, 정족수 인식 신호 분자들과 구조적으로 유사한 분자들 (예를 들어, 푸라노오스 (furanone), 아지쓰로마이신 (azithromycin), 및 4-니트로-피리딘-N-옥사이드) 또는 정족수 인식 분자들을 분해하는 효소들 (예를 들어, 아실라아제 및 락토나아제)을 사용할 수 있고, 일부 분자들은 바이오필름 형성 과정에서 세포 분산성을 강화시키는 것으로 보고된 바 있다. 또한, EPS 분해 특성을 나타내는 효소 분산제 B가 이러한 목적으로 적용된 바도 있으며 (비특허문헌 2), 일산화질소 및 불포화 지방산인 시스-2-데세노익산 (cis-2-decenoic acid)도 바이오필름 분산을 유도하는 것으로 보고된 바 있다 (비특허문헌 1).In contrast to traditional bactericidal or bacteriological approaches to inhibiting biofilms, studies focused on inhibiting biofilm formation without affecting bacterial growth have been reported (Non-Patent Document 1) . For example, bacterial cell-cell communication called quorum sensing (QS) is mediated by chemical signaling molecules, and this quorum sensing is known to be associated with biofilm maturation. This finding can be used to develop a strategy to destroy biofilm maturation, in which quorum recognition signal molecules and structurally similar molecules (e.g., furanone, azithromycin, and (Eg, 4-nitro-pyridine-N-oxide) or enzymes (eg, acylase and lactonase) that degrade quorum recognition molecules can be used, and some molecules enhance cell dispersibility during biofilm formation . In addition, an enzyme dispersing agent B exhibiting EPS decomposition properties has been applied for this purpose (Non-Patent Document 2), and nitrogen monoxide and an unsaturated fatty acid, cis-2-decenoic acid, (Non-Patent Document 1).

한편, 다양한 천연 물질들도 바이오필름 형성을 조절하는데 효과적인 것으로 알려져 있으며, 바이오필름 억제에 천연 물질을 사용할 경우, 합성 화합물들에 비해서 독성이 낮고 특이성이 높다는 장점이 있다 (비특허문헌 3). 구체적으로, 콩나물, 카모마일, 당근, 프로폴리스, 황색 고추, 수련, 하바네로 (harbanero), 마늘, 동남아 나무 열매 (Lagerstroemia speciosa), 콩, 남플로리다로부터의 의약 식물 (예를 들어, Conocarpus erectus), 그레이프프루트, 6-진저롤 (gingerol) 등이 항-QS 활성을 나타내는 것으로 알려져 있으며 (비특허문헌 4-8), 몇몇 (예를 들어, 마늘 추출물 및 생강 추출물 내 6-진저롤)은 항바이오필름 효능을 갖는 것으로 알려져 있다. 본 발명자들 역시 생강 추출물이, 세포성 사이클릭 다이구아닐레이트 (cdi-GMP)를 감소시킴으로써 P. aeruginosa 를 포함하는 다양한 박테리아에 대해서 바이오필름 형성을 감소시키는 능력이 있다는 점을 보고한 바 있으나 (비특허문헌 9), 이러한 발견과 관련된 구체적인 활성 화합물(들)에 대해서는 밝힌 바가 없다.On the other hand, various natural substances are known to be effective for controlling biofilm formation. When natural substances are used for inhibition of biofilm, toxicity and specificity are higher than those of synthetic compounds (Non-Patent Document 3). Specifically, medicinal plants (e.g., Conocarpus erectus ) from grains, chamomile, carrot, propolis, yellow pepper, water lily, harbanero, garlic, Lagerstroemia speciosa , Gingerol, etc. are known to exhibit anti-QS activity (non-patent documents 4-8), some (e.g., garlic extract and 6-gingerol in ginger extract) have antibiotic efficacy ≪ / RTI > The present inventors have also found that the ginger extract is effective against P. aeruginosa by decreasing cellular cyclic di-guanylate (cdi-GMP) (Non-Patent Document 9), but the specific active compound (s) associated with such a discovery has not been disclosed.

이에, 본 발명자들은 바이오필름 형성 억제용 조성물 및 바이오필름 형성을 억제하는 방법 등에 효과적인 물질에 대해 연구하던 중, 다양한 천연물질에 존재하는 라피노스의 생물막 저해효과 및 메커니즘에 대하여 확인함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.Accordingly, the inventors of the present invention completed the present invention by confirming the biofilm inhibition effect and mechanism of raffinose present in various natural substances while studying a substance effective for a composition for inhibiting biofilm formation and a method for inhibiting biofilm formation .

비특허문헌 1: McDougald D, Rice SA, Barraud N, Steinberg PD, & Kjelleberg S (2012) Should we stay or should we go: mechanisms and ecological consequences for biofilm dispersal. Nat Rev Microbiol 10(1):39-50.Non-Patent Document 1: McDougald D, Rice SA, Barraud N, Steinberg PD, and Kjelleberg S (2012). We should stay or go for: mechanisms and ecological consequences for biofilm dispersal. Nat Rev Microbiol 10 (1): 39-50. 비특허문헌 2: Landini P, Antoniani D, Burgess JG, & Nijland R (2010) Molecular mechanisms of compounds affecting bacterial biofilm formation and dispersal. Appl Microbiol Biot 86(3):813-823.Non-Patent Document 2: Landini P, Antoniani D, Burgess JG, & Nijland R (2010) Molecular mechanisms of compounds affecting bacterial biofilm formation and dispersal. Appl Microbiol Biot 86 (3): 813-823. 비특허문헌 3: Koo H & Jeon J (2009) Naturally occurring molecules as alternative therapeutic agents against cariogenic biofilms. Adv Dent Res 21(1):63-68.Non-Patent Document 3: Koo H & Jeon J (2009) Naturally occurring molecules as alternative therapeutic agents against cariogenic biofilms. Adv Dent Res 21 (1): 63-68. 비특허문헌 4: Teplitski M, Robinson JB, & Bauer WD (2000) Plants secrete substances that mimic bacterial N-acyl homoserine lactone signal activities and affect population density dependent behaviors in associated bacteria. Mol Plant Microbe In 13(6):637-648.Non-Patent Document 4: Teplitski M, Robinson JB, and Bauer WD (2000) Plants secrete substances that mimic bacterial N-acyl homoserine lactone signal activities and affect population dependent behavior of associated bacteria. Mol Plant Microbe In 13 (6): 637-648. 비특허문헌 5: Singh BN, et al. (2012) Lagerstroemia speciosa fruit extract modulates quorum sensing controlled virulence factor production and biofilm formation in Pseudomonas aeruginosa. Microbiol-Sgm 158:529-538.Non-Patent Document 5: Singh BN, et al. (2012) Lagerstroemia speciosa fruit extract modulates quorum sensing controlled virulence factor production and biofilm formation in Pseudomonas aeruginosa. Microbiol-Sgm 158: 529-538. 비특허문헌 6: Rasmussen TB, et al. (2005) Screening for quorum-sensing inhibitors (QSI) by use of a novel genetic system, the QSI selector. J Bacteriol 187(5):1799-1814.Non-Patent Document 6: Rasmussen TB, et al. (2005) Screening for quorum-sensing inhibitors (QSI) by use of a novel genetic system, the QSI selector. J Bacteriol 187 (5): 1799-1814. 비특허문헌 7: Girennavar B, et al. (2008) Grapefruit juice and its furocoumarins inhibits autoinducer signaling and biofilm formation in bacteria. Int J Food Microbiol 125(2):204-208.Non-Patent Document 7: Girennavar B, et al. (2008) Grapefruit juice and its furocoumarins inhibits autoinducer signaling and biofilm formation in bacteria. Int J Food Microbiol 125 (2): 204-208. 비특허문헌 8: Kim, H.-S., Lee, S.-H., Byun, Y., and Park, H.-D. (Mar. 2015) "6-Gingerol reduces Pseudomonas aeruginosa biofilm formation and virulence via quorum sensing inhibition", Scientific Reports 5, serp08656.Non-Patent Document 8: Kim, H.-S., Lee, S.-H., Byun, Y., and Park, H.-D. (Mar. 2015) " 6-Gingerol reduced Pseudomonas aeruginosa biofilm formation and virulence via quorum sensing inhibition ", Scientific Reports 5, serp08656. 비특허문헌 9: Kim H-S & Park H-D (2013) Ginger extract inhibits biofilm formation by Pseudomonas aeruginosa PA14. PloS one 8(9):e76106.Non-Patent Document 9: Kim H-S & Park H-D (2013) Ginger extract inhibits biofilm formation by Pseudomonas aeruginosa PA14. PloS one 8 (9): e76106.

이에, 본 발명에서는 갈락토트리사카라이드인 라피노스가 탄수화물 결합 단백질에 결합하고 c-di-GMP를 조절함으로써 미생물의 바이오필름 형성을 억제하는 효과가 있음을 최초로 밝혀내었으며, 이를 기반으로 라피노스를 유효성분으로 포함하는 바이오필름 형성 억제용 조성물 및 의료 및 기타 산업 분야에서 바이오필름 형성을 억제하기 위한 방법을 제시하고자 한다.Accordingly, the present invention firstly revealed that raffinos, which is galactotrisaccharide, binds to carbohydrate binding proteins and controls c-di-GMP, thereby inhibiting the formation of biofilms of microorganisms. Based on this, raffinos is effective Compositions for inhibiting biofilm formation, and methods for inhibiting biofilm formation in medical and other industries.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서, 라피노스를 유효성분으로 포함하는, 바이오필름 형성 억제용 조성물을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a composition for inhibiting the formation of a biofilm comprising raffinose as an active ingredient.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 조성물은 의료기기, 의료용 재료 또는 의료용 이식물의 표면에 형성되는 바이오필름의 형성을 억제하는데 사용될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the composition can be used to inhibit the formation of a biofilm formed on the surface of a medical device, a medical material or a medical implant.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 조성물은 수처리막 표면에 형성되는 바이오필름의 형성을 억제하는데 사용될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the composition can be used to inhibit the formation of the biofilm formed on the surface of the water treatment membrane.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 조성물은 식품 및 생활용품의 표면에 형성되는 바이오필름의 형성을 억제하는데 사용될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the composition can be used to inhibit the formation of a biofilm formed on the surface of foods and household goods.

또한, 본 발명은 상기 조성물을 대상물의 표면에 코팅 처리하는 단계를 포함하는 바이오필름 형성 억제 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for inhibiting biofilm formation comprising coating the surface of an object with the composition.

본 발명에 따르면, 바이오필름이 형성되는 다양한 막 표면에서 해당 바이오필름의 형성을 효과적으로 억제할 수 있는 바이오필름 형성 억제용 조성물 및 이를 이용한 바이오필름 형성 억제 방법을 제공할 수 있다.According to the present invention, there can be provided a composition for inhibiting the formation of a biofilm, which can effectively inhibit the formation of the biofilm on various membrane surfaces on which the biofilm is formed, and a method for inhibiting the formation of a biofilm using the same.

도 1은 생강으로부터 바이오필름 형성을 억제하는 화합물들을 스크리닝하는 과정에 있어서,
도 1a는 본 발명에서 사용된 잠정적 화합물 후보군들이고,
도 1b는 마이크로적정 플레이트의 웰들 중에서 24 시간 동안 잠정적 화합물 후보군들 및 푸라논 C-30 (양대조군)을 처리하며 P. aeruginosa의 바이오필름 형성을 정량화한 그래프로서, 각각의 화합물들의 농도는 10 μM이었으며, 오차 막대는 8회 측정의 표준 편차를 의미한다 (**, 음대조군 대비 P < 0.0005).
도 2a 내지 2d는 P. aeruginosa 표현형들에 대한 라피노스의 효과를 나타낸 도면으로서,
도 2a는 플라스크 중에서 14 시간 동안 다양한 농도들의 라피노스 (0, 1, 10 및 100 μM)와 함께 성장시킨 그래프 (오차 막대는 3회 측정의 표준 편차를 의미한다)를 도시한 것이고,
도 2b는 유리 슬라이드 상에서 미처리된 P. aeruginosa 바이오필름 (좌측), 및 10 μM 라피노스로 처리된 P. aeruginosa 바이오필름 (우측)의 CLSM 영상들에 대한 3차원 분석 결과를 도시한 도면으로서, 바이오필름들에 대해서 공초점 레이저 주사 현미경 (CLSM) 영상화를 수행하기 이전에, 핵산 (DAPI; 청색), 탄수화물 (ConA; 녹색), 및 단백질 (Ruby; 적색)에 특이적인 3가지 형광원들을 사용하여 염색한 도면이며, 화살표는 바이오필름 중 중공 구조를 나타낸다.
도 2c는 콩고 레드 아가 플레이트 상에서 라피노스 미처리된 P. aeruginosa (좌측) 및 10 μM 라피노스 처리된 P. aeruginosa의 군락 모폴로지를 나타낸 도면이고,
도 2d는 0.5% BM-2 플레이트 상에서 24 시간 동안 다양한 농도의 라피노스 (0, 1, 10, 100, 및 1,000 μM)와 함께 배양된 무리 운동성 사진 (상단 도면, 축적은 1 cm) 및 무리 운동성에 의해서 야기된 수지들의 길이를 도시한 도면이다 (하단 도면, **, 대조군 대비 P < 0.0005).
도 3a 내지 3c는 P. aeruginosa 바이오필름 형성에 대한 라피노스의 효과를 나타낸 것으로서,
도 3a는 마이크로적정 플레이트 중에서 24 시간 동안 배양한 경우, 다양한 농도 (0, 0.1, 1, 10, 100, 및 1,000 μM)의 라피노스 존재 하에서 바이오필름의 형성 정도를 나타낸 것이고,
도 3b는 마이크로적정 플레이트 중에서 24 시간 동안 배양한 경우, 다양한 농도 (0, 0.1, 1, 10, 100, 및 1,000 μM)의 수크로오스 존재 하에서 바이오필름의 형성 정도를 나타낸 것이고,
도 3c는 마이크로적정 플레이트 중에서 24 시간 동안 배양한 경우, 다양한 농도 (0, 0.1, 1, 10, 100, 및 1,000 μM)의 D-(+)-갈락토오스 존재 하에서 바이오필름의 형성 정도를 나타낸 것이다 (오차 막대는 10회 측정의 표준 편차를 의미한다. **, 대조군 대비 P < 0.0005; *, 대조군 대비 P < 0.005).
도 4a 및 4b는 EPS 생산에 대한 라피노스의 효과를 나타낸 것으로서,
도 4a는 다양한 농도의 라피노스 (0, 1, 10, 100, 및 1,000 μM)와 함께 24 시간 동안 배양된 P. aeruginosa의 플랑크톤성 및 바이오필름 세포들의 EPS 중 총 탄수화물을 나타낸 것이고,
도 4b는 다양한 농도의 라피노스 (0, 1, 10, 100, 및 1,000 μM)와 함께 24 시간 동안 배양된 P. aeruginosa의 플랑크톤성 및 바이오필름 세포들의 EPS 중 총 단백질을 나타낸 것이다 (오차 막대는 3회 측정의 표준 편차를 의미한다. **, 대조군 대비 P < 0.005; *, 대조군 대비 P < 0.05).
도 5a 내지 5d는 라피노스와 P. aeruginosa LecA 단백질의 상호작용을 나나타낸 것으로서,
도 5a는 CPMG NMR 스펙트로스코피에 의해서 라피노스가 LecA에 결합하는 것을 모니터링한 것이고 (첫 번째 줄: LecA 부존재 하에서 라피노스 (0.1 mM)의 NMR 스펙트럼. 두 번째 줄: LecA 존재 (50 μM) 하에서 라피노스 (0.1 mM)의 NMR 스펙트럼. 세 번째 줄: 갈락토오스 첨가 (1 mM) 조건에서 라피노스 (0.1 mM) 및 LecA (50 μM)의 NMR 스펙트럼),
도 5b는 라피노스 및 LecA의 인 실리코 분석 결과를 나타낸 도면이고 (LecA와 가장 적합하게 도킹된 라피노스의 수소 결합 상호작용 (좌측) 및 LecA의 표면에 존재하는 도킹된 라피노스 (우측)),
도 5c는 마이크로적정 플레이트 중에서 24 시간 동안 배양한 ΔlecA 돌연변이에서 다양한 농도의 라피노스 (0, 1, 10, 및 100 μM)에 따른 바이오필름 형성을 도시한 것이고,
도 5d는 마이크로적정 플레이트 중에서 24 시간 동안 배양한 ΔlecA -pUCP18-LecA에서 다양한 농도의 라피노스 (0, 1, 10, 100 및 1,000 μM)에 따른 바이오필름 형성을 도시한 것이다 (바이오필름 형성 결과는 야생형 - pUCP18를 사용하여 정규화하였으며, 오차 막대는 10회 측정의 표준 편차를 의미한다. **, 대조군 대비 P < 0.0005; *, 대조군 대비 P < 0.005).
도 6은 과량의 라피노스를 처리한 경우, CPMG NMR 스펙트로스코피에 의해서 갈락토오스 신호를 모니터링한 도면이다 (첫 번째 줄: LecA 부존재 하에서 갈락토오스 (1 mM)의 NMR 스펙트럼. 두 번째 줄: LecA 존재 (50 μM) 하에서 갈락토오스 (0.1 mM)의 NMR 스펙트럼. 세 번째 줄: 라피노스 첨가 (1 mM) 조건에서 갈락토오스 (0.1 mM) 및 LecA (50 μM)의 NMR 스펙트럼).
도 7a 내지 7d는 세포성 c-di-GMP 수준에 대한 라피노스의 효과를 나타낸 도면으로서,
도 7a는 10 μM 라피노스 존재 및 부존재 하에서 24 시간 동안 배양된 P. aeruginosa 플랑크톤성 및 바이오필름 세포들에서 세포성 c-di-GMP 수준을 도시한 것이며 (오차 막대는 3회 측정의 표준 편차를 의미한다. **, 대조군 대비 P < 0.005; *, 대조군 대비 P < 0.05),
도 7b는 마이크로플레이트의 웰들 중에서 24 시간 동안 다양한 농도의 라피노스 (0, 1, 10, 및 100 μM)와 함께 배양된 P. aeruginosa wspF 돌연변이에서 바이오필름 형성을 정량화한 것이고 (오차 막대는 8회 측정의 표준 편차를 의미한다. **, 대조군 대비 P < 0.00005; *, 대조군 대비 P < 0.005),
도 7c는 0.5% BM-2 플레이트 상에서 10 μM 라피노스의 존재 (우측) 및 부존재 (좌측) 하에서 24 시간 동안 배양된 wspF 돌연변이의 무리 운동성을 나타낸 것이며,
도 7d는 라피노스 (0, 1, 10, 및 100 μM)와 함께 배양된 P. aeruginosa 세포들에 의한 PDE-특이적 기질 비스-pNPP의 분해를 도시한 도면이다 (**, 대조군 대비 P < 0.000005; *, 대조군 대비 P < 0.00005).
도 8은 P. aeruginosa 바이오필름 분산에 대한 라피노스의 효과를 나타낸 것으로서, 박테리아 세포들은 슬라이드 유리 상에 바이오필름을 형성하였고, 10 μM농도의 라피노스를 2시간 및 4시간 동안 처리하였으며, 방출된 박테리아 세포들을 계수분석하였다 (오차 막대는 3회 측정의 표준 편차를 의미한다. **, 대조군 대비 P < 0.0005; *, 대조군 대비 P < 0.005).
도 9a 및 9b는 P. aeruginosa lecA 유전자 발현 및 PDE 활성에 대한 라피노스의 효과를 나타낸 도면으로서,
도 9a는 10 μM 라피노스 존재 및 부존재 하에서 lecA 결실 돌연변이 (Δ lecA) 및 c-di-GMP 과생산 돌연변이 (ΔwspF)에 대한 상대적 lecA 유전자 발현을 도시한 것이고,
도 9b는 lecA 결실 돌연변이 (ΔlecA)에 대해서 비스-PNPP 분해를 통한 PDE 활성 측정을 도시한 것이다 (오차 막대는 3회 측정의 표준 편차를 의미한다. **, 대조군 대비 P < 0.0005; *, 대조군 대비 P < 0.005).
도 10은 다양한 그람 음성, 양성균들의 라피노스 처리에 의한 바이오필름 형성 변화를 나타낸 그래프이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a flow chart illustrating a process for screening compounds inhibiting biofilm formation from ginger,
Figure 1a is a list of potential compounds used in the present invention,
Figure 1B is a graph that quantifies the biofilm formation of P. aeruginosa by treating potential candidate compounds and furanone C-30 (both control) in wells of a microtiter plate for 24 hours, with concentrations of each compound being 10 [mu] M And error bars mean the standard deviation of 8 measurements (**, P <0.0005 compared to negative control).
Figures 2a-2d illustrate the effect of P. aeruginosa As an illustration of the effects of raffinose on phenotypes,
Figure 2a shows a graph (error bars means the standard deviation of three measurements) grown with various concentrations of raffinose (0, 1, 10 and 100 [mu] M) for 14 hours in a flask,
Figure 2b depicts the results of the untreated P. aeruginosa Biofilm (left), and P. aeruginosa treated with 10 [mu] M raffinose (DAPI; blue), carbohydrate (green), and blue (green) images before performing a confocal laser scanning microscope (CLSM) imaging on biofilms, ConA; green), and protein (Ruby (red)), and arrows indicate hollow structures in the biofilm.
Figure 2c is a view showing the colony morphology of P. aeruginosa treated with Congo Red agar raffinose untreated P. aeruginosa (left) and 10 μM raffinose on the plate,
Figure 2d shows the results of a flocking motility photograph (top view, accumulation 1 cm) and flocking mobility (Fig. 2d) incubated with various concentrations of raffinose (0, 1, 10, 100, and 1,000 μM) for 24 hours on 0.5% BM- (Bottom view, **, P < 0.0005 as compared to the control group).
Figures 3a-3c show the effect of raffinose on P. aeruginosa biofilm formation,
FIG. 3A shows the degree of biofilm formation in the presence of various concentrations (0, 0.1, 1, 10, 100, and 1,000 μM) of raffinose when cultured in a microtitre plate for 24 hours,
FIG. 3B shows the degree of biofilm formation in the presence of sucrose at various concentrations (0, 0.1, 1, 10, 100, and 1,000 μM) when cultured in a microtitre plate for 24 hours,
Figure 3c shows the degree of biofilm formation in the presence of D - (+) - galactose at various concentrations (0, 0.1, 1, 10, 100, and 1,000 μM) when cultured in microtitre plates for 24 hours The error bars mean the standard deviation of the 10 measurements **, P <0.0005; * compared to the control, P <0.005 compared to the control).
Figures 4a and 4b show the effect of raffinose on EPS production,
Figure 4a shows total carbohydrates in EPS of planktonic and biofilm cells of P. aeruginosa cultured for 24 hours with varying concentrations of raffinos (0, 1, 10, 100, and 1,000 [mu] M)
Figure 4b shows the total protein in EPS of planktonic and biofilm cells of P. aeruginosa cultured for 24 hours with varying concentrations of raffinos (0, 1, 10, 100, and 1,000 [mu] M) **, P <0.005 compared to the control group, and P <0.05 compared to the control group).
Figures 5a to 5d illustrate the interaction of P. aeruginosa LecA protein with raffinose,
5a is a graph showing the binding of raffinose to LecA by CPMG NMR spectroscopy (first line: NMR spectrum of raffinose (0.1 mM) in the absence of LecA, second line: raffinose (0.1 NMR spectrum of raffinose (0.1 mM) and LecA (50 μM) under the condition of adding galactose (1 mM)
Figure 5b shows the results of in silico analyzes of raffinose and LecA (hydrogen bonding interaction of raffinos best docked with LecA (left) and docked raffinos (right) present on the surface of LecA)
Figure 5c depicts biofilm formation according to varying concentrations of raffinos (0, 1, 10, and 100 [mu] M) in the [ Delta ] lecA mutants cultured in microtitre plates for 24 hours,
Figure 5d shows biofilm formation according to varying concentrations of raffinos (0, 1, 10, 100 and 1,000 μM) in ΔlecA - pUCP18-LecA cultured in microtitre plates for 24 hours - pUCP18, and the error bars represent the standard deviation of the 10 measurements **, P <0.0005 * compared to the control and P <0.005 compared to the control).
Figure 6 shows the monitoring of galactose signal by CPMG NMR spectroscopy when treated with excess of raffinose (first line: NMR spectra of galactose (1 mM) in the absence of LecA second line: presence of LecA (50 μM ): Third spectrum: NMR spectrum of galactose (0.1 mM) and LecA (50 μM) under the condition of adding raffinose (1 mM).
Figures 7a-7d show the effect of raffinose on cellular c-di-GMP levels,
Figure 7a shows cellular c-di-GMP levels in P. aeruginosa planktonic and biofilm cells cultured for 24 hours in the presence and absence of 10 [mu] M raffinose (Error bars mean the standard deviation of three measurements **, P <0.005; * compared to the control, P <0.05 compared to the control)
Figure 7b shows the effect of P. aeruginosa cultured with various concentrations of raffinose (0, 1, 10, and 100 [mu] M) for 24 hours in the wells of a microplate wspF (Error bars mean standard deviation of 8 measurements **, P <0.00005 * compared to the control, P <0.005 compared to the control), and the biofilm formation at the mutation
Fig. 7c shows the effect of the presence of 10 [mu] M raffinos on the 0.5% BM-2 plate (right) and wspF This is a demonstration of the herd motility of the mutation,
Figure 7d shows the effect of P. aeruginosa cultured with raffinose (0, 1, 10, and 100 [mu] M) (**, P &lt;0.000005; * compared to control, P < 0.00005 versus control), showing the degradation of PDE-specific substrate bis-pNPP by cells.
8 is a P. aeruginosa Bacterial cells formed a biofilm on slide glass, treated with 10 μM raffinos for 2 hours and 4 hours, and the released bacterial cells were counted (error The bars mean the standard deviation of the three measurements **, P <0.0005; * compared to the control, P <0.005 compared to the control).
Figures 9a and 9b show that P. aeruginosa lecA As an illustration of the effects of raffinose on gene expression and PDE activity,
Figure 9a shows the effect of lecA < RTI ID = 0.0 &gt; Deletion mutation lecA) and c-di-GMP and relatively lecA for producing mutations (ΔwspF) Lt; RTI ID = 0.0 &gt; expression,
Figure 9b lecA (Error bars indicate the standard deviation of three measurements **, P &lt;0.0005; * compared to the control, P &lt; 0.005 relative to the control), and loss of mutation ( ΔlecA ) ).
10 is a graph showing changes in biofilm formation by raffinose treatment of various gram negative, positive strains.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명 라피노스를 유효성분으로 포함하는 바이오필름 형성 억제용 조성물 및 이를 이용한 바이오필름 형성 억제 방법을 제공한다.The present invention provides a composition for inhibiting biofilm formation comprising raffinose as an active ingredient and a method for inhibiting biofilm formation using the same.

라피노스 (Raffinose)는 D-Galatose, D-Glucose, D-Fructose 각 1분자로 이루어진 비환원성 3당류의 일종으로서, 화학식은 C18H32O16이며, O-α-D-갈락토피라노실-(1,6)-O-α-D-글루코피라노실-(1,2)-β-D-프룩토플라노시드의 구조를 가진다. 라피노스는 유카리의 만나 (Eucalyptus), 사탕무의 당밀, 목화 열매 등 다양한 천연물질에 존재하는 물질로 알파-갈락토시다아제에 의하여 수크로오스와 D-갈락토오스로 분해된다.Raffinose is a type of non-reducing tri-saccharide consisting of one molecule of D-Galatose, D-Glucose and D-Fructose, and its chemical formula is C 18 H 32 O 16 and O- 留 -D- galactopyranosyl- (1,6) -O- alpha -D-glucopyranosyl- (1,2) - beta -D-fructo-tetranucleoside. Raffinose is a substance found in various natural substances such as Eucalyptus, molasses of sugar beet, fruit of cotton, and is decomposed into sucrose and D-galactose by alpha-galactosidase.

본 발명의 발명자는 다양한 천연물질에 존재하는 라피노스의 바이오필름 형성 저해효과 및 메커니즘에 대하여 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.The present inventors have completed the present invention by confirming the inhibitory effect and mechanism of biofilm formation of raffinose in various natural substances.

하기 실시예로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 조성물은 미생물의 성장에는 영향을 끼치지 않으며, 바이오필름 형성 저해 효과는 조성물 내 라피노스의 농도에 의존적으로, 약 14-52%의 바이오필름이 저해됨을 확인하였다. 또한, 하기 실시예로부터 알 수 있는 바와 같이 라피노스는 바이오필름 형성의 주요인자로 작용하는, 세균의 C-di-GMP의 양을 조절하기 때문에 다양한 그람 음성, 양성균에 적용될 수 있음을 확인하였다.As can be seen from the following examples, the composition according to the present invention does not affect the growth of microorganisms, and the biofilm formation inhibiting effect depends on the concentration of raffinose in the composition, and about 14-52% Respectively. In addition, as can be seen from the following examples, it was confirmed that raffinose can be applied to various gram negative and positive bacteria because it regulates the amount of C-di-GMP of bacteria which acts as a main factor of biofilm formation.

본 발명에 따른 조성물은 의료 및 기타 산업 분야에서 바이오필름 형성을 억제하기 위한 용도로서 다양하게 사용될 수 있으며, 예를 들어 의료 분야에서는, 의료기기, 의료용 재료 또는 의료용 이식물의 표면에 형성되는 바이오필름의 형성을 억제하는데 사용될 수 있다. 구체적으로는, 진찰 및 진단기기, 임상검사기기, 방사선기기, IUD, 기관 튜브, 각종 카테터, 정형외과 기기 등과 같은 수술관련기기, 병원설비 및 응급장비, 비만 및 건강관련기기, 콘택트 렌즈, 스텐트, 밸브, 성형 보형물 등과 같은 다양한 의료 분야에 사용될 수 있다.The composition according to the present invention can be used variously as an application for inhibiting biofilm formation in medical and other industrial fields. For example, in the medical field, a composition of a biofilm formed on the surface of a medical device, a medical material, Or &lt; / RTI &gt; More specifically, it relates to a surgical apparatus, a hospital facility, a medical emergency apparatus, an obesity and health-related apparatus, a contact lens, a stent, and a surgical apparatus such as a diagnosis and diagnostic apparatus, a clinical examination apparatus, a radiation apparatus, an IUD, Valves, molded implants, and the like.

또한, 본 발명에 따른 조성물은 역삼투막 등과 같은 다양한 수처리막의 표면에 형성되는 바이오필름의 형성을 억제하는 데에도 사용될 수 있으며, 더 나아가, 다양한 식품 및 세탁기, 가습기, 식기 세척기 등과 같은 다양한 생활용품의 표면에 형성되는 바이오필름의 형성을 억제하는데에도 사용될 수 있다.In addition, the composition according to the present invention can be used to inhibit the formation of biofilms formed on the surface of various water treatment membranes such as reverse osmosis membranes, and further, can be used for various foods and for the surface of various household articles such as washing machines, humidifiers, Can be used to inhibit the formation of the biofilm formed in the biofilm.

한편, 본 발명은 상기 조성물을 대상물의 표면에 코팅 처리하는 단계를 포함하는 바이오필름 형성 억제 방법을 제공한다. 즉, 본 발명에 따른 방법은 전술한 각종 의료기기 등과 수처리막 등의 표면에 상기 조성물을 코팅 처리함으로써 수행될 수 있는데, 이러한 코팅 처리는, 대상물 표면을 조성물 용액에 담지시키거나, 조성물 용액을 대상물 표면에 분무 처리하는 등의 방법에 의해서 수행될 수 있다.The present invention also provides a method for inhibiting biofilm formation comprising coating the surface of a subject with the composition. That is, the method according to the present invention can be carried out by coating the above-mentioned various medical devices and the like on the surface of a water treatment film or the like. Such a coating treatment can be carried out by supporting the surface of the object on the composition solution, Spraying on the surface, and the like.

이하, 실시예를 통해서 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하되, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the following Examples are intended to assist the understanding of the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.

실험Experiment

박테리아 균주 및 화학 물질Bacterial strains and chemicals

P. aeruginosa PA14를 모델 바이오필름 형성 균주로서 사용하였다. P . aeruginosawspF 녹아웃 돌연변이 (ΔwspF)를 사용하여 세포성 c-di-GMP를 과생산하는 박테리아에 대해서 라피노스가 효과적인지를 테스트하였다. 생강의 성분들인 6-진저롤 (6-gingerol), 파네솔 (farnesol), L-아스코르브산, 마이리세틴 (myricetin), 및 D-(+)-라피노스 펜타하이드레이트는 Sigma Aldrich (St. Louis, MO, USA)로부터 구입하였으며, 디메틸 설폭사이드 (Carl Roth, Karlsruhe, Germany) 중에 용해시켰다. 한편, 모델 균주 이외에 다양한 균에 적용될 수 있음을 확인하기 위하여, 그람 음성균으로는 Escherichia coli를 사용하였고, 그람 양성균으로는 Stapylococcus aureus, Rhodococcus qingshengi, Bacillus megaterium, Bacillus amyloliquefaciens를 이용하였다. P. aeruginosa PA14 was used as a model biofilm-forming strain. P. The wspF knockout mutation (Δ wspF ) of aeruginosa was used to test whether raffinos are effective against bacteria producing over-the-cell c-di-GMP. 6-gingerol, farnesol, L-ascorbic acid, myricetin, and D - (+) - raffinose pentahydrate, components of ginger, were purchased from Sigma Aldrich , USA) and dissolved in dimethyl sulfoxide (Carl Roth, Karlsruhe, Germany). Escherichia coli was used as Gram negative bacteria and Stapylococcus aureus, Rhodococcus qingshengi, Bacillus megaterium and Bacillus amyloliquefaciens were used as Gram positive bacteria.

성장 억제 테스트Growth inhibition test

P. aeruginosa를 AB 배지 (300 mM NaCl, 50 mM MgSO4, 0.2% 무비타민 카사미노산 (casamino acids), 10 mM 포타슘 포스페이트, 1 mM L-아르기닌, 및 1% 글루코오스, pH 7.5) 중에서, 라피노스의 농도를 달리해 가면서 (0, 1, 10, 또는 100 μM) 37 ℃, 250 rpm을 유지한 교반 배양기 중에서 14 시간 동안 밤새 배양하였다. 박테리아 성장은 UVmini-1240 spectrophotometer (Shimadzu, Kyoto, Japan)를 사용하여 595 nm에서, 삼중 샘플들에서 매시간 광학 밀도 (OD)를 측정함으로써 평가하였다. P. aeruginosa was cultured in AB medium (300 mM NaCl, 50 mM MgSO4, 0.2% non-vitamine casamino acids, 10 mM potassium phosphate, 1 mM L-arginine, and 1% glucose, pH 7.5) (0, 1, 10, or 100 [mu] M) overnight at 37 [deg.] C and 250 rpm in a stirred incubator for 14 hours. Bacterial growth was evaluated by measuring the optical density (OD) hourly in triplicate samples at 595 nm using a UVmini-1240 spectrophotometer (Shimadzu, Kyoto, Japan).

정적 바이오필름 형성 분석Static biofilm formation analysis

테스트 박테리아의 밤새 배양물 (595 nm에서의 OD = 1.5)을 신선한 AB 배지 중에 희석한 다음 (1:20), TPP® 96-웰 폴리스티렌 마이크로적정 플레이트 (Sigma Aldrich)의 웰들에 분획하였다. 교반 없이 24 시간 동안 37 ℃ 웰들 중에서 바이오필름을 형성한 이후에, 현탁된 배양물의 OD를 iMark 마이크로플레이트 흡광 판독기 (BioRad, Richmond, CA, USA)를 사용하여 595 nm에서 측정하였으며, 그 후, 현탁된 배양물을 폐기하였다. 플레이트는 인산 완충용액 (PBS) (137 mM NaCl, 2.7 mM KCl, 10 mM Na2HPO4, 및 2 mM KH2PO4, pH2 7.2)으로 세척하여 잔류 현탁된 세포들을 제거하였다. 바이오필름은 1.0% 크리스탈 바이올렛으로 30 분 동안 염색한 다음, 멸균 탈이온수를 사용하여 세척함으로써 잔류 미결합된 염료를 제거하였다. 바이오필름에 결합된 크리스탈 바이올렛은 100% 에탄올로 용리시켰으며, 용리액의 OD를 545 nm에서 측정하였다. 바이오필름은 바이오필름에 결합된 크리스탈 바이올렛의 양으로서 정량하였으며 (545 nm에서 OD), 현탁된 세포들의 양으로 정규화하였다 (595 nm에서 OD).Overnight cultures of the test bacteria (OD = 1.5 at 595 nm) were diluted in fresh AB medium (1:20) and then fractionated into wells of a TPP 96-well polystyrene microtiter plate (Sigma Aldrich). After forming the biofilm in 37 DEG C wells for 24 hours without agitation, the OD of the suspended culture was measured at 595 nm using an iMark microplate absorbance reader (BioRad, Richmond, Calif., USA) The cultures were discarded. Plates were washed with phosphate buffered saline (PBS) (137 mM NaCl, 2.7 mM KCl, 10 mM Na2HPO4, and 2 mM KH2PO4, pH2 7.2) to remove residual suspended cells. The biofilm was dyed with 1.0% crystal violet for 30 minutes and then washed with sterile deionized water to remove residual unbound dye. The crystal violet bound to the biofilm was eluted with 100% ethanol and the OD of the eluent was measured at 545 nm. The biofilm was quantified as the amount of crystal violet bound to the biofilm (OD at 545 nm) and normalized to the amount of suspended cells (OD at 595 nm).

드립Drip -- 플로우Flow 반응기 (drip-flow reactor)를 사용한 바이오필름 형성 분석 Analysis of biofilm formation using a drip-flow reactor

P. aeruginosa의 1 ml 밤새 배양액 (595 nm에서 OD = 1.5)을 페트리 디쉬 중에서 신선한 19 ml의 AB 배지 (1:20) 중에 희석시켰다. 희석액을 함유하고 있는 페트리 디쉬 내로 유리 슬라이드를 침지시킨 다음, 37 ℃에서 24 시간 동안 배양하여 유리 슬라이드 상에 바이오필름을 형성시켰다. 바이오필름 세포들로 덮힌 유리 슬라이드를 DFR-110 드립-플로우 바이오필름 반응기 (BioSurface Technologies, Bozeman, MT, USA) 내에 삽입하였다. 라피노스를 함유 (10 μM) 또는 미함유한 신선한 AB 배지를 정량 펌프 (Masterflex C/L tubing pumps, Cole-Parmer, Vernon Hills, IL, USA)를 사용하여 20 ml.h-1의 속도로 반응기 내로 지속적으로 유입시켰으며, 배양기를 37 ℃에서 24 시간 동안 작동시켰다. 이어서, 유리 슬라이드를 조심스럽게 PBS (pH 7.2)로 세척하였다. 부착된 바이오필름 세포들을 DAPI (Carl Roth), FITC-표지된 ConA (Sigma Aldrich), 및 SYPRO Ruby (Invitrogen, Carlsbad, CA, USA)로 각각 20 분 동안 연속적으로 염색하였다. 염색된 바이오필름 세포들을 각 염색 단계 이후에 PBS (pH 7.2)로 2회 세척하였다. DAPI, ConA, 및 Ruby 용액들은 각각 DNA, 탄수화물, 및 단백질을 염색하기 위한 것이다. 다음으로, CLSM (Carl Zeiss LSM700, Jena, Germany)을 사용하여 바이오필름 세포들을 관찰하였다. 공초점 영상들을 40 x 대물렌즈 (CApochromat 40x/1.20 W Korr M27, Carl Zeiss)를 사용하여 관찰하였으며, 청색 (DAPI), 녹색 (ConA), 및 적색 (RUBY) 형광 영상들을 Zen 2011 프로그램 (Carl Zeiss)을 사용하여 Z-스택 모드로 동시에 관찰하였다. 형광 필터들에 대한 상세한 방법들은 기존 연구에 서술되어 있다 (Kim H-S & Park H-D (2013) Ginger extract inhibits biofilm formation by Pseudomonas aeruginosa PA14. PloS one 8(9):e76106). 바이오-부피 (μm3/μm2), 바이오필름 평균 두께 (μm), 및 조도 계수는 ImageJ 프로그램 중 Comstat2에 의해서 측정하였다 (Heydorn A, et al. (2000) Quantification of biofilm structures by the novel computer program COMSTAT. Microbiol - Uk 146:2395-2407).A 1 ml overnight culture (OD = 1.5 at 595 nm) of P. aeruginosa was diluted in fresh 19 ml AB medium (1:20) in Petri dishes. The glass slide was immersed in a petri dish containing the diluent, and then cultured at 37 캜 for 24 hours to form a biofilm on the glass slide. Glass slides covered with biofilm cells were inserted into a DFR-110 drip-flow biofilm reactor (BioSurface Technologies, Bozeman, MT, USA). Fresh AB medium containing or without raffinose (10 μM) was loaded into the reactor at a rate of 20 ml.h-1 using a metering pump (Masterflex C / L tubing pumps, Cole-Parmer, Vernon Hills, And the incubator was operated at 37 &lt; 0 &gt; C for 24 hours. The glass slide was then carefully washed with PBS (pH 7.2). The attached biofilm cells were stained with DAPI (Carl Roth), FITC-labeled ConA (Sigma Aldrich), and SYPRO Ruby (Invitrogen, Carlsbad, CA, USA) for 20 minutes continuously. The stained biofilm cells were washed twice with PBS (pH 7.2) after each staining step. DAPI, ConA, and Ruby solutions are for dyeing DNA, carbohydrates, and proteins, respectively. Next, biofilm cells were observed using CLSM (Carl Zeiss LSM700, Jena, Germany). Confocal images were observed using a 40 × objective lens (CApochromat 40x / 1.20 W Korr M27, Carl Zeiss) and blue (DAPI), green (ConA), and red (RUBY) ) Were simultaneously observed in the Z-stack mode. Detailed method for the fluorescent filters are described in previous studies (Kim HS & Park HD (2013 ) Ginger extract inhibits biofilm formation by Pseudomonas aeruginosa PA14 PloS one 8 (9):. E76106). The bio-volume (μm 3 / μm 2 ), biofilm average thickness (μm), and roughness coefficient were measured by Comstat2 in the ImageJ program (Heydorn A et al. (2000) Quantification of biofilm structures by the novel computer program COMSTAT. Microbiol - Uk 146: 2395-2407).

pUCPpUCP -- LecALecA 발현 플라스미드의 구축 Construction of expression plasmids

LecA 단백질을 다중카피 플라스미드, pUCP18을 사용하여 이소성으로 (ectopically) 발현시켰다 (Schweizer H (1991) Escherichia-Pseudomonas shuttle vectors derived from pUC18/19. Gene 97(1):109-112). lecA 유전자 영역의 서열은, Pfu 중합효소 (PfuUltra II Fusion HS DNA Polymerase, Agilent Technologies, Santa Clara, CA, USA)를 사용하는 PCR에 의해서, 하기 올리고뉴클레오티드들로 증폭시켰다: 5'- ATGGCCGGATCCCGTTGCTGTGCTTTGCTG (BamHI 제한효소 부위는 밑줄 표시) 및 5'- CAGAAGCTTCGGCCACACGGGCAACTTCAC (HindIII 제한효소 부위는 밑줄 표시). 증폭된 540-bp 절편 및 플라스미드 pUCP18은 모두 BamHI 및 HindIII 엔도뉴클레아제로 처리한 다음, 겔 정제하고, T4 리가아제 (Promega, Madison, WI, USA)를 사용하여 연결하였다. 연결된 플라스미드를 Escherichia coli (XL10-Gold Ultracompetent cells, Agilent Technologies) 내로 형질전환시켰다.LecA protein was ectopically expressed using a multiple copy plasmid, pUCP18 (Schweizer H (1991) Escherichia-Pseudomonas shuttle vectors derived from pUC18 / 19. Gene 97 (1): 109-112). lecA Sequence of the gene region, Pfu polymerase by PCR using (PfuUltra II Fusion HS DNA Polymerase, Agilent Technologies, Santa Clara, CA, USA), was amplified with oligonucleotide to the oligonucleotides: 5'- ATGGCC CGTTGCTGTGCTTTGCTG GGATCC (BamHI Restriction enzyme sites are underlined) and 5'-CAG AAGCTT CGGCCACACGGGCAACTTCAC (HindIII restriction site is underlined). The amplified 540-bp fragment and plasmid pUCP18 were all treated with BamHI and HindIII endonuclease followed by gel purification and ligated using T4 ligase (Promega, Madison, WI, USA). The ligated plasmids were transformed into Escherichia coli (XL10-Gold Ultracompetent cells, Agilent Technologies).

pUCPpUCP -- LecALecA 발현 플라스미드를 사용한  Using expression plasmids P. P. aeruginosaaeruginosa of 형질전환 Transformation

P. aeruginosa 야생형 및 ΔlecA 돌연변이에 대한 감응세포 (competent cell)의 제조, 및 전기천공법을 사용한 P. aeruginosa의 형질전환은 기존 연구에 따라서 수행하였다 (Choi K-H, Kumar A, & Schweizer HP (2006) A 10-min method for preparation of highly electrocompetent Pseudomonas aeruginosa cells: application for DNA fragment transfer between chromosomes and plasmid transformation. J Microbiol Meth 64(3):391-397). LB 배지에서 성장시킨 P. aeruginosa 야생형 및 ΔlecA 세포들의 1.5 mL 밤새 배양물을 실온에서 3분 동안 16,000 x g로 원심분리에 의해서 수거하였다. 세포 펠렛을 1 mL의 300 mM 수크로오스를 사용하여 2회 세척하였으며, 이어서 세포 펠렛을 100 μL의 300 mM 수크로오스 중에 재현탁시켰다. 이어서, 전기천공을 위해서, Qiagen plasmid prep kit (Qiagen, Chatsworth, CA, USA)를 사용하여 정제된 플라스미드 DNA (pUCP18 및 pUCP-LecA)를 100 μL의 P. aeruginosa 감응세포들과 혼합하였다. 정제된 플라스미드 DNA pUCP18 (빈 벡터)를 야생형 및 ΔlecA 돌연변이 감응세포들과 혼합하는 한편, 정제된 pUCP-LecA를 ΔlecA 감응세포와 혼합하였다. 혼합물을 0.2 cm 갭의 전기천공 큐벳 (BIO4 RAD, Hercules, CA, USA)으로 옮기고 Gene Pulser XcellTM 전기천공 시스템 (BIO-RAD)을 사용하여 펄스 (25 μF, 200 Ω, 2.5 kV)를 가하였다. 전기천공된 세포들 (100 μL)을 15-ml 코니칼 튜브로 옮기고, 1 mL의 신선한 LB 배지를 첨가한 다음, 혼합물을 250 rpm으로 37 ℃에서 1 시간 동안 교반하였다. 세포들을 100 μg/mL 카르베니실린 (carbenicillin)과 함께 LB 플레이트 상에 도말하고 37 ℃에서 14 시간 동안 배양하였다. 콜로니들을 선별하고 LB 브로쓰 중에서 성장시켰다. 플라스미드 DNA를 분리하고, BamHI 및 HindIII 엔도뉴클라아제로 처리한 다음, 겔 전기영동을 사용하여 분리함으로써 lecA 유전자가 플라스미드 내로 삽입된 것을 확인하였다. Generation of competent cells for P. aeruginosa wild-type and ΔlecA mutants and transformation of P. aeruginosa using electroporation were performed according to previous studies (Choi KH, Kumar A, & Schweizer HP (2006) A 10-min method for preparation of highly electrocompetent Pseudomonas aeruginosa cells: application of DNA fragment transfer between chromosomes and plasmid transformation J Microbiol Meth 64 (3): 391-397). A 1.5 mL overnight culture of P. aeruginosa wild-type and ΔlecA cells grown in LB medium was collected by centrifugation at 16,000 × g for 3 minutes at room temperature. The cell pellet was washed twice with 1 mL of 300 mM sucrose, and then the cell pellet was resuspended in 100 μL of 300 mM sucrose. Subsequently, purified plasmid DNA (pUCP18 and pUCP-LecA) was mixed with 100 μL of P. aeruginosa sensitive cells using Qiagen plasmid prep kit (Qiagen, Chatsworth, CA, USA) for electroporation. Purified plasmid DNA pUCP18 (empty vector) was mixed with wild type and ΔlecA mutant sensitive cells, while purified pUCP-LecA was mixed with ΔlecA sensitive cells. The mixture was transferred to a 0.2 cm gap electroporation cuvette (BIO4 RAD, Hercules, Calif., USA) and pulsed (25 μF, 200 Ω, 2.5 kV) was applied using the Gene Pulser Xcell ™ electroporation system (BIO-RAD). Electroporated cells (100 μL) were transferred to a 15-ml conical tube, 1 mL of fresh LB medium was added, and the mixture was stirred at 250 rpm at 37 ° C. for 1 hour. Cells were plated on LB plates with 100 [mu] g / mL carbenicillin and incubated at 37 [deg.] C for 14 hours. Colonies were selected and grown in LB broth. Plasmid DNA was isolated, treated with BamHI and HindIII endonuclease, and then separated by gel electrophoresis to obtain lecA It was confirmed that the gene was inserted into the plasmid.

콜로니Colony 모폴로지Morphology 분석 analysis

P. aeruginosa의 밤새 배양물을 라피노스와 함께 (0 또는 10 μM) 신선한 T-브로쓰 배지 (10 g/L 트립톤) 중에 희석시키고, 희석물을 진탕 배양기를 사용하여 37 ℃, 250 rpm으로 14 시간 동안 배양하였다 (595 nm에서 OD = 1.0). 2 μL의 배양물을 Congo-red 플레이트 상에 반점 찍고 (Kim H-S & Park H-D (2013) Ginger extract inhibits biofilm formation by Pseudomonas aeruginosa PA14. PloS one 8(9):e76106), 실온에서 3 내지 7일 동안 배양하였다 The overnight culture of P. aeruginosa is diluted in fresh T-broth medium (10 g / L triptone) with raffinose (0 or 10 μM) and the dilutions are diluted 14 (OD = 1.0 at 595 nm). Of 2 μL culture taking place in the Congo-red plates (Kim HS & Park HD (2013 ) Ginger extract inhibits biofilm formation by Pseudomonas aeruginosa PA14 PloS one 8 (9):. E76106), for 3 to 7 days at room temperature Cultured

EPS 분석EPS analysis

플랑크톤성 세포들 및 바이오필름 세포들의 EPS를 변형된 음파처리 방법을 사용하여 분석하였다 (Kim H-S & Park H-D (2013) Ginger extract inhibits biofilm formation by Pseudomonas aeruginosa PA14. PloS one 8(9):e76106). 플랑크톤성 세포들은 0 - 1,000 μM의 라피노스와 함께 신선한 AB 배지 (1:20) 중에서 P. aeruginosa의 밤새 배양물을 희석시키고, 진탕 교반기 상에서 37 ℃, 250 rpm으로 배양함으로써 제조하였다. 바이오필름 세포들은 붕규산 병을 사용하여 0 - 1,000 μM의 라피노스와 함께 신선한 AB 배지 (1:20) 중에서 P. aeruginosa의 밤새 배양물을 희석시키고, 희석물을 진탕 없이 37 ℃에서 24 시간 동안 배양함으로써 제조하였다. 플랑크톤성 배양물 및 바이오필름 배양물 양자 모두로부터의 현탁 세포들에 대한 OD를 스펙트로포토미터를 사용하여 595 nm에서 측정하였다. 바이오필름 세포들을 와류에 의해서 3 mL 0.01 M KCl 중에 재현탁시켰다. 플랑크톤성 배양물 및 바이오필름 배양물을 8,000 x g에서 원심분리하고, 수거된 세포들을 각각 10 mL 및 3 mL 0.01 M KCl 중에 재현탁시켰다. 재현탁된 세포들을 음파처리기 (VCX 750, SONICS, Newtown, CT, USA)를 사용하여 3.5 Hz의 출력 레벨에서 5 초 작동시간 및 5 초 휴지시간으로 4 사이클 동안 교란 (disruption)하였다. 음파처리된 세포들을 4,000 x g에서 원심분리하고, 상등액을 0.22-μm Millex 필터 (Car Roth)를 통하여 여과하였다. 여과된 상등액을 사용하여 단백질 및 탄수화물을 정량하였다. 단백질 분석은 96-웰 마이크로적정 플레이트 중에서 로우리 방법에 의해서 수행하였다: 40 μL 여과물 및 200 μL 로우리 시약 (L3540, Sigma Aldrich)을 마이크로적정 플레이트 중에 혼합하고, 혼합물을 실온에서 10 분 동안 배양한 다음, 혼합물에 20 μL의 Folin-Ciocalteu 시약 (F9252, Sigma Aldrich)을 가하고, 혼합물을 30 분 동안 배양하였다. 단백질 함량은 iMark 마이크로플레이트 판독기를 사용하여 750 nm에서 OD를 측정함으로써 측정하였다. 탄수화물은 96-웰 마이크로적정 플레이트 중에서 페놀-황산 방법에 의해서 분석하였다: 15 μL 여과물 및 150 μL 황산을 마이크로적정 플레이트 중에 혼합하고, 혼합물을 실온에서 30 분 동안 배양하였다: 30 μL 5% 페놀을 혼합물에 첨가하고, 혼합물을 물 중탕에서 90 ℃로 배양하였다. 혼합물 중 탄수화물 함량은 iMark 마이크로플레이트 판독기를 사용하여 490 nm에서 OD를 측정함으로써 측정하였다. 단백질 (750 nm에서 OD) 및 탄수화물 (490 nm에서 OD) 함량은 현탁된 세포들 (595 nm에서 OD)로 정규화하였다.The EPS of plankton sex cells and the biofilm cells were analyzed using a modified sonic treatment (Kim HS & Park HD (2013 ) Ginger extract inhibits biofilm formation by Pseudomonas aeruginosa PA14 PloS one 8 (9):. E76106). Planktonic cells were prepared by diluting overnight cultures of P. aeruginosa in fresh AB medium (1:20) with 0-1,000 μM raffinose and incubating at 37 ° C, 250 rpm on a shaker stirrer. The biofilm cells were diluted with overnight cultures of P. aeruginosa in fresh AB medium (1:20) with 0-1,000 μM raffinose using a borosilicate bottle and the dilutions were incubated at 37 ° C. for 24 hours without shaking . The ODs for the suspended cells from both planktonic cultures and biofilm cultures were measured at 595 nm using a spectrophotometer. The biofilm cells were resuspended in 3 mL of 0.01 M KCl by vortexing. The planktonic cultures and biofilm cultures were centrifuged at 8,000 xg, and the harvested cells were resuspended in 10 mL and 3 mL of 0.01 M KCl, respectively. The resuspended cells were disrupted for 4 cycles using a sonicator (VCX 750, SONICS, Newtown, CT, USA) at a power level of 3.5 Hz for 5 seconds of operation time and 5 seconds of rest time. The sonicated cells were centrifuged at 4,000 xg and the supernatant was filtered through a 0.22-μm Millex filter (Car Roth). Protein and carbohydrates were quantified using the filtered supernatant. Protein analysis was performed by the Lowry method in 96-well microtiter plates: 40 μL filtrate and 200 μL lowry reagent (L3540, Sigma Aldrich) were mixed in a microtiter plate and the mixture was incubated at room temperature for 10 minutes , 20 [mu] L of Folin-Ciocalteu reagent (F9252, Sigma Aldrich) was added to the mixture and the mixture was incubated for 30 minutes. Protein content was determined by measuring the OD at 750 nm using an iMark microplate reader. Carbohydrates were analyzed by the phenol-sulfuric acid method in a 96-well microtiter plate: 15 μL filtrate and 150 μL sulfuric acid were mixed in a microtiter plate and the mixture was incubated at room temperature for 30 minutes: 30 μL 5% phenol Was added to the mixture, and the mixture was incubated at 90 DEG C in a water bath. Carbohydrate content in the mixture was determined by measuring the OD at 490 nm using an iMark microplate reader. Protein (OD at 750 nm) and carbohydrate (OD at 490 nm) were normalized to the suspended cells (OD at 595 nm).

무리 운동 분석 (Swarming motility assay)Swarming motility assay

무리 운동은 기존 방법에 따라서 분석하였다 (Kim H-S & Park H-D (2013) Ginger extract inhibits biofilm formation by Pseudomonas aeruginosa PA14. PloS one 8(9):e76106.). 라피노스를 함유한 (0 - 1,000 μM) P. aeruginosa 10 μL 밤새 배양물을 BM-2 플레이트 (62 mM 포타슘 포스페이트 [pH 7.0], 2 mM MgSO4, 10 mM FeSO4, 1% 카사미노산, 0.4% 글루코오스, 및 0.5% Bacto 아가) 상에 반점 찍고, 37 ℃에서 24 시간 동안 배양하였다. 무리 운동의 정도는 수지 (dendrites)의 평균 길이를 측정함으로써 평가하였다.The herd movement was analyzed according to the existing method (Kim HS & Park HD (2013) Ginger extract inhibits biofilm formation by Pseudomonas aeruginosa PA14. PloS one 8 (9): e76106.). (0 - 1,000 μM) of P. aeruginosa containing raffinose 10 μL overnight cultures were spotted onto BM-2 plates (62 mM potassium phosphate [pH 7.0], 2 mM MgSO4, 10 mM FeSO4, 1% Casamino acid, 0.4% glucose, and 0.5% Bacto agar) For 24 hours. The degree of flock movement was assessed by measuring the average length of dendrites.

RT-RT- qPCRqPCR 분석 analysis

RT-qPCR을 수행하여 P. aeruginosa lecA 유전자 발현의 수준을 정량 및 비교하였다. lecA 및 하우스키핑 유전자 proC 프라이머 세트들을 Primer 3 version 0.4.0 (http://frodo.wi.mit.edu/)을 사용하여 디자인하였다 (하기 표 1 참조). 전장 RNA 추출은, TRI REAGENT (Molecular Research Center, OH, USA)를 사용하여 P. aeruginosa 바이오필름 세포들로부터 수행하였다. RT-qPCR은 Bio-Rad CFX-96 실시간 시스템 (Bio-Rad, Hercules, CA, USA)을 사용하여 수행하였다. 반응 혼합물은 하기 시약들로 구성된다: 10 μL SYBR Premix Ex TaqTM (Takara, Shiga, Japan), 전방 프라이머 및 후방 프라이머 각각 0.8 μL (10 μM), 0.4 μL의 50 X ROXTM Reference Dye I, 2 μL의 추출된 전장 RNA (100 ng/ml), 및 RNase 미함유수, 최종 부피는 20 μL. RNA 추출 및 RT-qPCR 방법에 대한 상세한 프로토콜은 기존의 연구를 참조하였다 (Kim HS, Lee SH, Byun Y, & Park HD (2015) 6-Gingerol reduces Pseudomonas aeruginosa biofilm formation and virulence via quorum sensing inhibition. Scientific reports 5:8656).RT-qPCR was performed to detect P. aeruginosa lecA The levels of gene expression were quantified and compared. lecA and housekeeping gene proC Primer sets were designed using Primer 3 version 0.4.0 (http://frodo.wi.mit.edu/) (see Table 1 below). Battlefield RNA extraction, using the TRI REAGENT (Molecular Research Center, OH , USA) P. aeruginosa Lt; / RTI &gt; cells. RT-qPCR was performed using a Bio-Rad CFX-96 real-time system (Bio-Rad, Hercules, Calif., USA). The reaction mixture consisted of the following reagents: 10 μL SYBR Premix Ex Taq ™ (Takara, Shiga, Japan), 0.8 μL (10 μM) of the forward primer and the back primer, 0.4 μL of 50 X ROXTM Reference Dye I, Total RNA extracted (100 ng / ml), and RNase-free water, final volume 20 μL. The detailed protocols for RNA extraction and RT-qPCR methods were reviewed (Kim HS, Lee SH, Byun Y, & Park HD (2015) 6-Gingerol reduced biofilm formation and virulence via quorum sensing inhibition. Scientific reports 5: 8656).

프라이머primer 표적 유전자Target gene 서열 (5' → 3')The sequence (5 '- &gt; 3') Tm (℃)Tm (占 폚) GC %GC% 생성물 크기 (bp)Product size (bp) 참고문헌references lecA-FlecA-F lecAlecA GGG TTG CAC CCA ATA ATG TCGGG TTG CAC CCA ATA ATG TC 57.357.3 5050 100100 본 발명Invention lecA-RlecA-R lecAlecA CCA ATA TTG ACG CTG AAC GCCA ATA TTG ACG CTG AAC G 55.355.3 4545 proC-FproC-F proCproC GGC GTA TTT CTT CCT GCT GAGGC GTA TTT CTT CCT GCT GA 60.460.4 5050 236236 종래문헌*Conventional Literature * proC-RproC-R proCproC CCT GCT CCA CTA GTG CTT CGCCT GCT CCA CTA GTG CTT CG 61.261.2 6060

*: Savli H, et al. (2003) Expression stability of six housekeeping genes: A proposal for resistance gene quantification studies of Pseudomonas aeruginosa by real-time quantitative RT-PCR. J Med Microbiol 52(Pt 5):403-408.*: Savli H , et al. (2003) Expression stability of six housekeeping genes: A proposal for resistance gene quantification studies of Pseudomonas aeruginosa by real-time quantitative RT-PCR. J Med Microbiol 52 (Pt 5): 403-408.

바이오필름 분산 분석Biofilm dispersion analysis

P. aeruginosa의 밤새 배양물을 신선한 AB 배지 (595 nm에서 OD = 0.05) 중에 희석하였다. 폴리스티렌 페트리 디쉬를 희석액 20 mL로 채웠다. 살균된 유리 슬라이드를 페트리 디쉬 중에 침지시키고, 37 ℃에서 24 시간 동안 배양하여 유리 슬라이드 상에 바이오필름을 형성하였다. 이어서, 슬라이드를 PBS (pH 7.2)를 사용하여 서서히 린스해주고, 100 μM 라피노스 함유 또는 무함유 AB 배지 20 mL를 함유하는 페트리 디쉬 내로 침지시켰다. 페트리 디쉬를 각각 37 ℃에서 2 시간 및 4 시간 동안 배양하였다. 배양물 100 μL를 PBS (pH 7.2) 중에서 10-5로 연쇄적으로 희석하였다. 군락 형성 단위를 계수하기 위해서, 100 μL의 최종 희석액을 LB 아가 플레이트 상에 도말하고, 37 ℃에서 밤새도록 교반하였다.Overnight cultures of P. aeruginosa were diluted in fresh AB medium (OD = 0.05 at 595 nm). The polystyrene petri dishes were filled with 20 mL of diluent. The sterilized glass slide was immersed in a petri dish and incubated at 37 DEG C for 24 hours to form a biofilm on the glass slide. The slides were then rinsed gently using PBS (pH 7.2) and immersed in a Petri dish containing 20 mL of AB medium with or without 100 [mu] M raffinose. Petri dishes were incubated at 37 [deg.] C for 2 hours and 4 hours, respectively. 100 [mu] L of the culture was serially diluted to 10 &lt; -5 &gt; in PBS (pH 7.2). To count colonies, 100 μL of the final dilution was plated on LB agar plates and stirred overnight at 37 ° C.

통계적 분석Statistical analysis

측정들 사이의 통계적 차이를 테스트하기 위한 P-수치들은 student's ttest (Excel software, Microsoft, Redmond, WA, USA)에 의해서 추산하였다. P -values for testing statistical differences between measurements were estimated by student's t test (Excel software, Microsoft, Redmond, WA, USA).

NMR 분석NMR analysis

모든 스펙트럼은 Bruker Avance 600 MHz 스펙트로미터 (Billerica, MI, USA)를 사용하여 298K에서 측정하였다. 1D 이완-편집된 NMR 실험들은 물 억제를 위해서 여기 조각 (excitation sculpting)을 구비한 CPMG 펄스 서열들을 사용하였다. 사전-획득 지연은 1.2 초였으며, 총 스핀 로크 시간은 400 ms였다. CPMG 실험에 있어서 연속적인 180 펄스들 사이의 스핀 에코에 대한 지연은 2 ms였다. 데이터는 스윕 폭 16 ppm (9,600 Hz) 및 128 스캔으로 수집하였다. 데이터 프로세싱은 Topspin 3.0 (Bruker) 소프트웨어를 사용하여 수행하였으며, 이는 16384 복합체 데이터에 대해서 푸리에 변환 이전에 사인 제곱 윈도우 함수를 갖는다. 샘플들은 10% D20 완충 용액 중에 50 μM 단백질 및 0.1 mM의 라피노스 또는 갈락토오스를 함유하였다. 변위 실험 (displacement experiment)을 위해서, 1 mM의 경쟁물 (라피노스 vs. 갈락토오스)을 각 샘플에 첨가하였다.All spectra were measured at 298 K using a Bruker Avance 600 MHz spectrometer (Billerica, MI, USA). 1D relaxation-edited NMR experiments used CPMG pulse sequences with excitation sculpting for water inhibition. The pre-acquisition delay was 1.2 seconds and the total spin lock time was 400 ms. In the CPMG experiment, the delay for spin echo between successive 180 pulses was 2 ms. Data were collected with a sweep width of 16 ppm (9,600 Hz) and 128 scans. Data processing was performed using Topspin 3.0 (Bruker) software, which has a sine-squared window function prior to Fourier transform for 16384 complex data. Samples contained 50 μM protein and 0.1 mM raffinose or galactose in 10% D20 buffered solution. For displacement experiments, 1 mM competitor (raffinose vs. galactose) was added to each sample.

sign 실리코Silico 도킹 연구 ( Docking Studies ( In In silicosilico docking studies)docking studies)

리간드 제조 및 최적화: 라피노스를 ChemBioDraw (ver. 11.0.1) 및 Chem3D Pro (ver. 11.0.1)를 사용하여 각각 2D 및 3D 구조로 생성하고, . mol 파일 포맷으로 저장하였다. 리간드 제조 및 최적화의 과정은 SYBYL -X 2.1.1 (Tripos Inc., St Louis, MI, USA) 중의 'Sanitize' 제조 프로토콜에 의해서 수행하였다. Ligand Preparation and Optimization: Raffinose was purified by ChemBioDraw (ver. 11.0.1) and Chem3D Pro (ver. 11.0.1), respectively . mol File format. The process of ligand preparation and optimization was performed by the 'Sanitize' manufacturing protocol in SYBYL- X 2.1.1 (Tripos Inc., St Louis, MI, USA).

단백질 제조: PDB 포맷으로 된 P. aeruginosa로부터의 렉틴 PA-IL의 단백질 구조는 RCSB 단백질 데이터 뱅크 (PDB ID: 4AL9)로부터 다운로드하였다. SYBYL -X 2.1.1 중의 구조 제조 툴을 사용하여 단백질 제조를 수행하였다. 도킹을 위해서, 단백질-리간드 복합체로부터, 결정성 리간드 멜리비오스 (crystal ligand melibiose), 물 분자, Ca2+ 이온, 및 사슬 F를 제외한 다른 사슬들을 제거하였다. 아미노산 잔기들의 충돌되는 곁사슬들을 교정하였다. 수소 원자들을 디폴트 세팅으로서 TRIPOS Force Field 적용 하에 첨가하였다. 최소화 과정은 POWELL 방법에 의해서 수행하였고, 초기 최적화 옵션은 디폴트 세팅 SIMPLEX로부터 None으로 변화시켰으며, 종결 구배 및 최대 반복은 각각 0.5 kcal/( mol *Å) 및 1000회로 세팅하였다. 단백질 최소화 이후에, 가공된 LecA 단백질 구조를 .mol2 파일 포맷으로 저장하였다. Protein Construction: The protein structure of lectin PA-IL from P. aeruginosa in PDB format was downloaded from the RCSB Protein Data Bank (PDB ID: 4AL9). Protein production was performed using the constructing tool in SYBYL- X 2.1.1. For docking, other chains were removed from the protein-ligand complex except for the crystalline ligand melibiose, water molecule, Ca2 + ion, and chain F. [ The collision side chains of amino acid residues were corrected. Hydrogen atoms were added under TRIPOS Force Field application as default setting. The minimization process is POWELL , And the initial optimization option was changed from the default setting SIMPLEX to None, and the final gradation and maximum repetition were set to 0.5 kcal / ( mol * A) and 1000 cycles, respectively. After protein minimization, the engineered LecA protein structure was assayed for &lt; RTI ID = 0.0 &gt; File format.

도킹 및 스코어링 함수 연구: 라피노스의 도킹 연구는 SYBYL -X 2.1. 1Surflex-Dock GeomX 모듈에 의해서 수행하였다. 도킹은 Surflex -Dock 프로토몰 (protomol)에 의해서 가이드하였다. Surflex -Dock에 대한 렉틴 PA-IL의 결합 부위에 대한 정보를 포함하고 있는 프로토몰은 오리지널 결정성 리간드 멜리비오스의 위치 정보에 따라서 정의하였다. 프로토몰의 생성과 관련된 두 가지 인자들은 Bloat(Å) 및 쓰레스홀드 (Threshold)이며, 각각 0.5 및 0으로 세팅되었다. 각 리간드 당 생성된 포즈 (poses)의 최대 개수 및 최종 포즈들 사이의 최소 RMSD는 각각 20 및 0.05였다. 다른 패러미터들은 모든 구동에서 디폴트 세팅으로 적용하였다. Docking and Scoring Function Study: Raffinos docking study is SYBYL- X 2.1. 1 Surflex-Dock GeomX Module. Docking was guided by the Surflex- Dock protomol . The prototype containing information on the binding site of the lectin PA-IL to the Surflex- Dock was defined according to the positional information of the original crystalline ligand melibiose. The two factors involved in the generation of the proto are Bloat (Å) and Threshold , which are set to 0.5 and 0, respectively. The minimum number of poses generated per ligand and the minimum RMSD between the final poses were 20 and 0.05, respectively. The other parameters were applied with default settings for all drives.

세포성 c-The cellular c- didi -- GMPGMP 농도 분석 Concentration analysis

플랑크톤성 세포들 중에서 c-di-GMP의 분석을 위해서, 4.9 mL의 37% 포름알데히드 (Carl Roth)를 라피노스 함유 (10 μM) 및 미함유 하에서 성장된 P . aeruginosa의 밤새 배양물 1 리터에 첨가하였다 (595 nm에서의 OD는 1.5). 배양물을 8,000 x g에서 10분 동안 원심분리하고, 수거된 세포들을 0.18% 포름알데히드를 함유하는 40 mL PBS (pH 7.2) 중에 재현탁시켰다. 바이오필름 세포들 중 c-di-GMP의 분석을 위해서, 초기에, P. aeruginosa의 밤새 배양물을 신선한 AB 배지 중에 희석시켰다 (1:20). 희석액을 붕규소 병 내에 라피노스 함유 (10 μM) 또는 미함유 상태로 분획하고, 진탕 없이 37 ℃에서 24 시간 동안 배양하였다. 현탁된 세포들을 따라낸 이후에, 바이오필름 세포들을 PBS (pH 7.2)로 2회 세척하였다. 바이오필름 세포들을 0.18% 포름알데히드를 함유하는 3 mL PBS 중에 와류시킴으로써 재현탁하였다. 플랑크톤성 및 바이오필름 세포들을 8,000 x g에서 10 분 동안 원심분리하고, 수거된 세포들을 5 mL 탈이온수 중에 재현탁시켰다. 재현탁물을 10분 동안 끓이고, 얼음 중에서 10 분 동안 냉각시켰다. 냉각된 재현탁물을 뉴클레오티드 추출을 위해서 100% 에탄올 (9.3 mL)과 혼합하고, 혼합물을 8,000 x g로 10 분 동안 4 ℃에서 원심분리하였다. 세포성 c-di-GMP를 분석하기 위해서, 상등액을 0.22-μm 필터 (Car Roth, Karlsruhe, Germany)를 통해서 여과시켰다. 수거된 세포들을 사용하여 전술한 로우리 방법에 의해서 총 단백질을 분석하였다. 여과된 상등액을 Savant SpeedVac (SC201A, Thermo Scientific, San Jose, CA, USA)을 사용하여 동결건조하고, 동결건조된 세포들을 200 μL 완충용액 A (100 mM KH2PO4, 4 mM 테트라부틸 황산수소 암모늄, pH 5.9) 중에 용해시켰다. 용해된 용액을 0.45-μm 필터 (Car Roth)를 통해서 여과하였다. 여과된 용액 (20 μL)을 고성능 액체 크로마토그래피 (HPLC) (Hewlett Packard 1100 Series, Agilent, Santa Clara, CA, USA)를 사용하여 분석하였다. HPLC는 한국 기초과학 연구원 (서울, 대한민국) 소재의 장비로서, 자외선 검출기 (254 nm), Kinetex C-18 컬럼 (4.6 X 250 mm, 5u, Phenomenex, Torrance, CA, USA), 및 이동상으로서 혼합 완충용액 (75%의 완충용액 A, 및 25%의 순수 메탄올)을 구비한다. C-di-GMP 분리는 하기와 같이 농도구배 HPLC 방법을 사용하여 수행되었다: 0 - 4; 50:50, 5 - 20; 0:100, 및 21 - 30; 50:50 (작동 시간 (분); 완충용액 A 및 메탄올의 비율), 흐름 속도 0.8 mL·min-1.For the analysis of the property from the plankton cell c-di-GMP, raffinose 37% formaldehyde (Carl Roth) of 4.9 mL containing (10 μM), and grown under-free P. aeruginosa overnight (OD at 595 nm is 1.5). The cultures were centrifuged at 8,000 xg for 10 min, and the harvested cells were resuspended in 40 mL PBS (pH 7.2) containing 0.18% formaldehyde. For analysis of c-di-GMP in biofilm cells, overnight cultures of P. aeruginosa were initially diluted (1:20) in fresh AB medium. The diluted solution was fractionated into a raffinose-containing (10 [mu] M) or no-contained state in a borosilicate bottle and cultured at 37 [deg.] C for 24 hours without shaking. After following the suspension of cells, the biofilm cells were washed twice with PBS (pH 7.2). The biofilm cells were resuspended by vortexing in 3 mL PBS containing 0.18% formaldehyde. The planktonic and biofilm cells were centrifuged at 8,000 xg for 10 min, and the harvested cells were resuspended in 5 mL deionized water. The reconstituted pellet was boiled for 10 minutes and cooled in ice for 10 minutes. The cooled replicates were mixed with 100% ethanol (9.3 mL) for nucleotide extraction and the mixture was centrifuged at 8,000 xg for 10 minutes at 4 ° C. To analyze cellular c-di-GMP, the supernatant was filtered through a 0.22-μm filter (Car Roth, Karlsruhe, Germany). Total proteins were analyzed by the Lowry method described above using the collected cells. The filtered supernatant was lyophilized using Savant SpeedVac (SC201A, Thermo Scientific, San Jose, Calif., USA) and lyophilized cells were washed with 200 μL Buffer A (100 mM KH2PO4, 4 mM ammonium tetrabutylammonium hydrogen sulfate, pH 5.9). The dissolved solution was filtered through a 0.45-μm filter (Car Roth). The filtered solution (20 μL) was analyzed using high performance liquid chromatography (HPLC) (Hewlett Packard 1100 Series, Agilent, Santa Clara, CA, USA). HPLC was performed using an ultraviolet detector (254 nm), a Kinetex C-18 column (4.6 x 250 mm, 5u, Phenomenex, Torrance, CA, USA) as a device of the Korea Basic Science Research Institute Solution (75% buffer A, and 25% pure methanol). C-di-GMP separation was carried out using a concentration gradient HPLC method as follows: 0 - 4; 50:50, 5 - 20; 0: 100, and 21 - 30; 50: 50 (operating time (min); ratio of buffer A and methanol), flow rate 0.8 mL min -1.

인 비트로 In bito PDEPDE 활성 분석 Activity analysis

인 비트로 PDE 활성은 기존 연구에 따라서 분석하였다 (Barraud N, et al. (2009) Nitric oxide signaling in Pseudomonas aeruginosa biofilms mediates phosphodiesterase activity, decreased cyclic di-GMP levels, and enhanced dispersal. J Bacteriol 191(23):7333-7342). P . aeruginosa의 밤새 배양물을 신선한 AB 배지 (1:100) 중에서 희석하고, 다양한 라피노스 농도 (0 - 1,000 μM)로 처리하였으며, 진탕 배양기 중에서 37 ℃, 250 rpm으로 14 시간 동안 배양하였다. 현탁된 배양물을 6,000 x g에서 10 분 동안 4 ℃로 원심분리시키고, 수거된 세포들을 1 ml의 PDE 활성 분석 완충용액 (50 mM NaCl, 50 mM Tris base [pH 8.1], 1 mM MnCl2, 및 5 mM bis-pNPP) 중에 재현탁시켰다. Bis-pNPP (N3002, Sigma Aldrich)를 c-di-GMP 특이적 PDE의 합성 기질로서 사용하였다. 재현탁된 세포들을 CelLytic Express (C5491, Sigma Aldrich)를 사용하여 용균시켰다. PDE 반응을 위해서, 혼합물을 진탕 배양기 중에서 60 rpm으로 2 시간 동안 37 ℃에서 배양하였다. 이어서, bis-pNPP가 p-니트로페놀로 분해되는 것을 분석하기 위해서 iMark 마이크로플레이트 흡광 판독기를 사용하여 410 nm에서 혼합물의 OD를 측정하였다. PDE 활성 (410 nm에서 OD)은 전술한 바와 같이 로우리 방법에 의해서 측정된 총 단백질에 의해서 정규화하였다.In vitro PDE activity it was analyzed in accordance with previous studies (Barraud N, et al. ( 2009) Nitric oxide signaling in Pseudomonas aeruginosa biofilms mediates phosphodiesterase activity, decreased cyclic di-GMP levels, and enhanced dispersal. J Bacteriol 191 (23): 7333-7342). P. The overnight cultures of aeruginosa were diluted in fresh AB medium (1: 100), treated with various raffinose concentrations (0 - 1,000 μM) and incubated for 14 hours at 37 ° C and 250 rpm in shaking incubator. The suspended cultures were centrifuged at 6,000 xg for 10 minutes at 4 ° C and the collected cells were suspended in 1 ml of PDE activity assay buffer (50 mM NaCl, 50 mM Tris base [pH 8.1], 1 mM MnCl2, and 5 mM bis-pNPP). Bis-pNPP (N3002, Sigma Aldrich) was used as a synthesis substrate for c-di-GMP specific PDE. Resuspended cells were lysed using CelLytic Express (C5491, Sigma Aldrich). For the PDE reaction, the mixture was incubated at 37 [deg.] C for 2 hours at 60 rpm in a shaking incubator. The OD of the mixture was then measured at 410 nm using an iMark microplate absorber reader to analyze the decomposition of bis-pNPP into p -nitrophenol. PDE activity (OD at 410 nm) was normalized by the total protein measured by the Lowry method as described above.

결과result

생강 중 바이오필름 억제제의 스크리닝Screening of biofilm inhibitors in ginger

생강 추출물에서 자주 검출되는 5가지 후보 성분들 (6-진저롤, 파네솔, L-아스코르브산, 마이리세틴, 및 라피노스, 도 1a 참조)에 대해서 바이오필름 형성을 억제하는 효능을 테스트하였다. 이러한 후보물질들에 의한 바이오필름 생성의 억제 정도는 정적 바이오필름 분석방법을 사용하여 평가하였으며, 이는 96-웰 마이크로적정 플레이트 중 모델 박테리아로서 P. aeruginosa PA14를 사용하는 방법에 기반한 것이다. QS 억제를 통해서 바이오필름 생성을 억제하는 것으로 잘 알려진 푸라논 C-30 (Hentzer M, et al. (2003) Attenuation of Pseudomonas aeruginosa virulence by quorum sensing inhibitors. The EMBO journal 22(15):3803-3815)을, 이러한 실험의 양대조군으로 사용하였다. 도 1b는 6-진저롤과 라피노스가 바이오필름 생성을 각각 39% 및 43% 감소시킨 반면에, 파네솔, L-아스코르브산, 및 마이리세틴은 바이오필름 생성을 유의미하게 감소시키지 못했음을 보여준다. 6-진저롤 및 라피노스의 바이오필름 억제 효과는 46% 억제를 나타내는 푸라논 C-30의 그것에 필적하는 것이다. 바이오필름 억제에 대한 6-진저롤의 효과는 기존에 보고된 바 있으며 (Kim HS, Lee SH, Byun Y, & Park HD (2015) 6-Gingerol reduces Pseudomonas aeruginosa biofilm formation and virulence via quorum sensing inhibition. Scientific reports 5:8656), 본 발명에서는 라피노스가 바이오필름 생성을 억제하는 능력 및 연관된 억제 메커니즘에 대해서 서술하고 있다.The efficacy of inhibiting biofilm formation on the five candidate components frequently found in ginger extracts (6-gingerol, fenezol, L-ascorbic acid, myricetin, and raffinose, see Fig. The degree of inhibition of biofilm formation by these candidate substances was assessed using a static biofilm assay, which indicated that P. aeruginosa as a model bacterium in 96-well microtiter plates It is based on using PA14. Furonon C-30 (Hentzer M , et al. (2003) Attenuation of Pseudomonas aeruginosa virulence by quorum sensing inhibitors. The EMBO journal 22 (15): 3803-3815) , which is known to inhibit biofilm formation through QS inhibition , Were used as both controls for these experiments. Figure 1B shows that 6-gingerol and raffinose reduced biofilm production by 39% and 43%, respectively, whereas fenesol, L-ascorbic acid, and myricetin did not significantly decrease biofilm production. The biofilm inhibitory effect of 6-gingerol and raffinose is comparable to that of furanone C-30, which shows 46% inhibition. Effect of 6-jinjeorol for biofilm inhibition is reported in the existing bar and (Kim HS, Lee SH, Byun Y, & Park HD (2015) 6-Gingerol reduces Pseudomonas aeruginosa biofilm formation and virulence via quorum sensing inhibition. Scientific reports 5: 8656), the present invention describes the ability of raffinos to inhibit biofilm formation and associated inhibition mechanisms.

성장 및 바이오필름 생성에 미치는 Growth and Biofilm Generation 라피노스의Raffinose 효과 effect

P. aeruginosa의 성장을 0 - 100 μM 라피노스를 함유하는 배치 배양물에 대해서 측정하였다. 다양한 라피노스 농도들에 대한 성장 곡선은 14 시간 동안의 배양 기간 도중, 유도기 (lag phase), 증식기 (exponential phase) 및 정체기 (stationary phase)에 있어서 유의미하게 다르지 않았다 (도 2a). 이러한 결과들은 P. aeruginosa의 성장이 라피노스를 100 μM 첨가할 때까지는 영향을 받지 않는다는 점을 암시한다. 정적 바이오필름 분석은 다양한 농도의 라피노스 (0 - 1,000 μM)를 사용하여 수행되었다. 바이오필름 생성은 라피노스 농도가 증가함에 따라서 점차 감소하였으며 (17 - 58%) (도 3a 내지 3c 참조), 이는 라피노스가 농도 의존적인 방식으로 바이오필름 생성을 억제한다는 것을 의미한다. 라피노스 가수분해 산물 (D-갈락토오스 및 수크로오스)의 바이오필름 억제 능력은 α-갈락토시다아제를 사용하여 더욱 평가하였다. 상기 효소는 미생물, 식물, 및 동물 중에 널리 분포된 것이다. D-갈락토오스 및 수크로오스는 각각 1,000 μM의 농도까지도 통계적으로 (P > 0.05) 바이오필름 형성을 감소 또는 증가시키지는 않았다 (도 2a 내지 2c 참조). 또한, 바이오필름 형성에 대한 라피노스의 효과를 흐름 반응기 중에서 테스트하였는 바, 유리 슬라이드 상에 10 μM의 라피노스를 함유하거나 또는 함유하지 않는 성장 배지를 24 시간 동안 지속적으로 적가하였다. 도 2b는 전형적인 바이오필름을 도시한 것이다. 라피노스 처리와 더불어 형성된 바이오필름은 라피노스 처리가 없는 바이오필름에 비해서 상대적으로 얇은 두께 (8.4 μm) 및 작은 부피 (4.8 μm3/μm2)를 나타내었다. 비록 라피노스 처리 없이 생성된 바이오필름이 전형적인 P. aeruginosa 버섯 모폴로지를 나타내었지만, 10 μM 라피노스 처리와 더불어 생성된 바이오필름은 상대적으로 평평하였다. 흥미롭게도, 10 μM 라피노스 처리와 더불어 생성된 바이오필름은 중공 구조를 나타내었으며 (도 2b의 화살표 참조), 이러한 구조는 라피노스 처리가 없는 바이오필름에서는 나타나지 않았다.Growth of P. aeruginosa was measured for batch cultures containing 0-100 [mu] M raffinose. Growth curves for the various raffinose concentrations were not significantly different in the lag phase, the exponential phase and the stationary phase during the 14 hour incubation period (Fig. 2a). These results suggest that growth of P. aeruginosa is not affected until 100 μM of raffinose is added. Static biofilm analysis was performed using varying concentrations of raffinose (0-1,000 μM). Biofilm formation decreased gradually with increasing raffinose concentration (17-58%) (see Figures 3a-3c), which means that raffinose inhibits biofilm formation in a concentration dependent manner. The biofilm inhibiting ability of raffinose hydrolysis products (D-galactose and sucrose) was further evaluated using? -Galactosidase. The enzyme is widely distributed among microorganisms, plants, and animals. D-galactose and sucrose did not decrease or increase biofilm formation statistically (P > 0.05) up to a concentration of 1,000 μM, respectively (see FIGS. In addition, the effect of raffinose on the biofilm formation was tested in a flow reactor. Growth medium containing or not containing 10 [mu] M raffinose was continuously dropped on the glass slide for 24 hours. Figure 2b shows a typical biofilm. The biofilm formed with the raffinose treatment exhibited a relatively thin thickness (8.4 μm) and a small volume (4.8 μm 3 / μm 2 ) compared to the biofilm without the raffinose treatment. Although the biofilm produced without raffinose showed a typical P. aeruginosa mushroom morphology, the biofilm produced with 10 μM raffinose treatment was relatively flat. Interestingly, the biofilm produced with 10 [mu] M raffinose treatment exhibited a hollow structure (see arrow in Fig. 2b), and this structure did not appear in biofilms without raffinose treatment.

표현형에 대한 About phenotypes 라피노스의Raffinose 효과 effect

P. aeruginosa 군락 모폴로지를 관찰하고, 그 엑소폴리사카라이드 생산에 대한 라피노스의 효과를 평가하기 위해서 콩고-레드 염색 플레이트를 사용하였다. 콩고 레드는 박테리아 바이오필름의 엑소폴리사카라이드 기질에 결합하는 염료이며, P. aeruginosa에서 주름진 군락 모폴로지를 형성한다. 도 2c에 도시된 바와 같이, 라피노스 처리가 없는 군락에 대해서는 전형적인 분홍색 주름진 모폴로지가 분명한 반면, 라피노스가 처리된 군락 (10 μM)에 대해서는 분홍색의 평탄한 모폴로지가 관찰되었다. 이는 P. aeruginosa에서의 라피노스 처리에 의해서 엑소폴리사카라이드 생산이 감소되었다는 표시이다. 또한, 엑소폴리사카라이드 생산에 대한 라피노스의 효과는 성장 배지 중에서 0 - 1,000 μM의 라피노스와 함께 성장시킨 플랑크톤성 및 바이오필름 세포들 모두로부터의 EPS 중에서 총 탄수화물 함량을 직접적으로 측정함으로써 평가하였다. 또한, 엑소단백질 (바이오필름 기질의 성분) 생산도 분석하였다. 라피노스로 처리된 플랑크톤성 및 바이오필름 세포들 모두에서 총 탄수화물 및 EPS의 단백질 함량이 현저하게 감소하였다 (도 4a 및 4b). 라피노스로 처리한 경우에, 총 탄수화물은 21 - 53% 및 22 - 48% (플랑크톤성 및 바이오필름 세포들 각각에서) 감소한 반면, 총 단백질은 1 - 41% 및 9 - 42% (플랑크톤성 및 바이오필름 세포들 각각에서)만큼 투여량 의존적인 방식으로 감소하였다. P. aeruginosa에서의 바이오필름 생성은 무리 운동에 의해서 역으로 조절되는 것으로 보고된 바 있다 (Caiazza NC, Merritt JH, Brothers KM, & O'Toole GA (2007) Inverse regulation of biofilm formation and swarming motility by Pseudomonas aeruginosa PA14. J Bacteriol 189(9):3603-3612). 무리 운동에 대한 라피노스의 효과 (0 - 1,000 μM)는 P. aeruginosa 세포들을 0.5% 연질 아가 플레이트 상에서 배양하고, 중심부로부터의 수지의 길이를 측정함으로써 평가하였다 (도 2d). 라피노스와 함께 성장시킨 세포들의 수지 길이는 라피노스 처리 없이 성장시킨 것들에 비해서 1.6 - 2.4 배 더 길었으며, 이러한 길이는 라피노스의 농도가 증가함에 따라서 함께 증가하였다. 이러한 사실은 라피노스가 연질 아가 플레이트 상에서 무리 운동을 촉진하였다는 점을 암시한다. P. aeruginosa The conformational morphology was observed and a Congo-red staining plate was used to evaluate the effect of raffinos on the exopolysaccharide production. Congo red is a dye that binds to the exopolysaccharide substrate of the bacterial biofilm and forms a corrugated community morphology in P. aeruginosa . As shown in FIG. 2C, a typical pink corrugated morphology was evident for the community without raffinose treatment, whereas a pink, smooth morphology for the raffinose treated community (10 μM) was observed. This is an indication that the production of exopolysaccharide is reduced by raffinose treatment in P. aeruginosa . In addition, the effect of raffinos on exopolysaccharide production was assessed by directly measuring total carbohydrate content in EPS from both planktonic and biofilm cells grown with 0-1,000 μM raffinose in the growth medium. In addition, the production of exoprotein (a component of the biofilm substrate) was also analyzed. In both planktonic and biofilm cells treated with raffinose, the protein content of total carbohydrates and EPS was significantly reduced (Figs. 4A and 4B). When treated with raffinose, total carbohydrates were reduced by 21 - 53% and 22 - 48% (in both planktonic and biofilm cells, respectively) while total protein was decreased by 1 - 41% and 9 - 42% Lt; / RTI &gt; in each of the &lt; RTI ID = 0.0 &gt; Biofilm formation in P. aeruginosa has been reported to be reversed by flocking (Caiazza NC, Merritt JH, Brothers KM, and O'Toole GA (2007). Inverse regulation of biofilm formation and swarming motility by Pseudomonas aeruginosa PA14. J Bacteriol 189 (9): 3603-3612). The effect of raffinos (0 - 1,000 μM) on the herd motility was observed in P. aeruginosa Cells were cultured on 0.5% soft agar plates and evaluated by measuring the length of the resin from the center (Fig. 2D). The resin length of cells grown with raffinose was 1.6-2.4 times longer than those grown without raffinose treatment, and this length increased with increasing raffinose concentration. This suggests that raffinose promoted herd movement on soft agar plates.

LecA에On LecA 대한  About 라피노스의Raffinose 결합 Combination

P. aeruginosa는 두 가지 탄수화물 결합 단백질 (렉틴)을 생산하며: LecA (PA-IL) 및 LecB (PA-IIL), 이들은 각각 D-갈락토오스 및 L-푸코오스에 대해서 특이성을 나타낸다 (Garber N, Guempel U, Belz A, Gilboa-Garber N, & Doyle RJ (1992) On the specificity of the D-galactose-binding lectin (PA-I) of Pseudomonas aeruginosa and its strong binding to hydrophobic derivatives of D-galactose and thiogalactose. BBA -Gen Subjects 1116(3):331-333; Glick J & Garber N (1983) The intracellular localization of Pseudomonas aeruginosa lectins. J Gen Microbiol 129(10):3085-3090). LecA는 D-갈락토오스 및 그 유도체에 대해서 높은 친화도를 나타내고, P. aeruginosa 바이오필름 형성에도 관여하기 때문에, D-갈락토오스의 유도체인 라피노스가 LecA에 결합하여 P. aeruginosa 바이오필름 형성에 영향을 미치는 메커니즘을 가정해볼 수 있다. 이러한 가설을 테스트하기 위해서, 본 발명에서는 먼저 라피노스의 LecA에 대한 결합을, 라피노스 및 정제된 LecA를 사용해서 1D 이완-편집된 핵 자기 공명 결합 실험에 따라서 평가하였다 (Hajduk PJ, Olejniczak ET, & Fesik SW (1997) One-dimensional relaxation-and diffusion-edited NMR methods for screening compounds that bind to macromolecules. J Am Chem Soc 119(50):12257-12261; Palmer AG, 3rd, Kroenke CD, & Loria JP (2001) Nuclear magnetic resonance methods for quantifying microsecond-to-millisecond motions in biological macromolecules. Method Enzymol 339:204-238) (도 5a 참조). 0.1 mM 라피노스의 NMR 신호를 완충용액 중에서 50 μM LecA 존재 및 부존재 하에서 모니터링하였다. 더 나아가, 1 mM 갈락토오스를 첨가하여 동일한 결합 부위에서 경쟁에 의한 라피노스 신호의 변화를 모니터링하였다. LecA 단백질 (도 5a의 첫 번째 행)의 부존재 하에서, 라피노스의 H1 및 H2 신호들을 나타내는 피크들이 5.33 및 4.13 ppm에서 관찰되었다. 이러한 피크들은 LecA 단백질의 존재 하에서는 넓어지고 약해졌으며 (도 5a의 두 번째 행), 신호 강도는 10 배 과량의 갈락토오스를 첨가함으로써 회복되었다 (도 5a의 세 번째 행). 이러한 결과는 라피노스가 LecA에 결합하며, 그 결합 부위는 갈락토오스-결합 부위와 중첩된다는 것을 나타낸다. 더 나아가, 50 mM LecA 용액 중 5.17 및 3.40 ppm에서의 갈락토오스의 C-1 및 C-6 위치에서의 양성자의 신호 또한 1 mM 라피노스를 첨가함으로써 얻어졌다 (도 6). 역으로, LecA 용액 중에서의 갈락토오스 (0.1 mM) 신호들 역시 10배 과량의 라피노스를 처리함으로써 강화되었다 (도 6). 이러한 결과들은 라피노스 및 갈락토스가 LecA 단백질의 동일한 부위에 대해서 경쟁한다는 점을 의미한다. P. aeruginosa produces two carbohydrate binding proteins (lectins): LecA (PA-IL) and LecB (PA-IIL), which are specific for D-galactose and L-fucose respectively (Garber N, Guempel U, Belz A, Gilboa-Garber N, & Doyle RJ (1992) On the specificity of the D-galactose-binding lectin (PA-I) of Pseudomonas aeruginosa and its strong binding to hydrophobic derivatives of D-galactose and thiogalactose. BBA -Gen Subjects 1116 (3): 331-333; Glick J & Garber N (1983) The intracellular localization of Pseudomonas aeruginosa lectins. J Gen Microbiol 129 (10): 3085-3090). LecA shows high affinity for D-galactose and its derivatives, and P. aeruginosa Since it is also involved in biofilm formation, raffinos, a derivative of D-galactose, binds to LecA and causes P. aeruginosa We can assume a mechanism that affects biofilm formation. To test this hypothesis, in the present invention, the binding of raffinose to LecA was first evaluated according to 1D relaxation-edited nuclear magnetic resonance binding experiments using raffinose and purified LecA (Hajduk PJ, Olejniczak ET, & Fesik SW (1997) One-dimensional relaxation- and diffusion-edited NMR methods for screening compounds that bind to macromolecules. J Am Chem Soc 119 (50): 12257-12261; Palmer AG, 3rd, Kroenke CD, & Loria JP (2001) Nuclear magnetic resonance methods for quantifying microsecond-to-millisecond motions in biological macromolecules. Method Enzymol 339: 204-238) (see Fig. 5A). NMR signals of 0.1 mM raffinose were monitored in buffer solution in the presence and absence of 50 [mu] M LecA. Furthermore, 1 mM galactose was added to monitor changes in raffinose signal due to competition at the same binding site. Under the absence of the LecA protein (first row of FIG. 5A), peaks representing Hl and H2 signals of raffinos were observed at 5.33 and 4.13 ppm. These peaks widened and weakened in the presence of the LecA protein (second row in Figure 5a) and signal strength was restored by the addition of a 10-fold excess of galactose (third row in Figure 5a). These results indicate that raffinose binds to LecA and its binding site overlaps with the galactose-binding site. Further, the signal of the proton at the C-1 and C-6 positions of galactose at 5.17 and 3.40 ppm in 50 mM LecA solution was also obtained by adding 1 mM raffinose (Fig. 6). Conversely, galactose (0.1 mM) signals in LecA solution were also enhanced by treatment with a 10-fold excess of raffinose (Fig. 6). These results imply that raffinose and galactose compete for the same region of the LecA protein.

라피노스의 LecA에 대한 결합을 더 잘 이해하기 위해서, 라피노스의 인 실리코 도킹 연구 (in silico docking studies)를 멜리비오스와의 복합체 중 LecA의 X-선 구조를 사용하여 수행하였다 (PDB: 4AL9). 대부분의 도킹된 라피노스들은 공통된 결합 패턴들을 나타내었으며, 여기에서 갈락토오스 잔기는 LecA 활성 부위의 칼슘 이온을 향하여 돌출되는 반면, 글루코오스 및 프럭토오스 잔기는 LecA의 표면 및 루프 영역을 향하여 배향된다. 라피노스에 대한 최적 도킹 형태가 도 5b에 도시되어 있다. 라피노스의 갈락토오스 잔기는 Tyr 36, His 50, Pro 51, Asp 100, Val 101, 및 Thr 104와 강하게 상호작용하였다. 글루코오스 및 프럭토오스 영역들 또한 수소 결합에 의해서 각각 Gln 53, Gly 37 및 Asn 107과 상호작용하였다. 라피노스의 LecA에 대한 결합과, 바이오필름 억제와의 관련성을 P. aeruginosa 균주들을 사용하여 더욱 확인하였는 바, 그 중 하나는 LecA를 생산할 수 없는 균주이고, 또 다른 하나는 LecA를 과생산하는 균주이다. 도 5c에 도시된 바와 같이, lecA 녹아웃 돌연변이 (LecA를 생산할 수 없는 균주)는 감소된 바이오필름 형성을 보여주었으며, 더 나아가, 라피노스 농도를 증가시키더라도 바이오필름 형성이 감소되지 않았다 (P > 0.05). 이와는 대조적으로, 도 5d에 도시된 바와 같이, pUCP18-LecA (LecA를 과생산하는 균주)를 보유한 lecA 녹아웃 돌연변이는 빈 벡터 (pUCP18)를 보유한 야생형 균주와 유사하게 바이오필름을 형성하였다. 더 나아가, pUCP18-LecA를 보유한 lecA 녹아웃 돌연변이는 라피노스 존재 하에서, 농도-의존적인 방식으로 (0 - 1,000 μM) 바이오필름 형성 감소를 나타내었다 (도 5d). 이러한 결과들은 LecA가 바이오필름 형성에 필수적이라는 사실을 의미하며, 바이오필름 억제에 있어서, 라피노스가 LecA에 결합하는 것이 필요하다는 것을 의미한다.To better understand the binding of raffinose to LecA, raffinos in silico docking studies ( in silico docking studies were performed using the X-ray structure of LecA in a complex with melibiose (PDB: 4AL9). Most of the docked raffinos exhibited common binding patterns where the galactose residue protrudes towards the calcium ion of the LecA active site while the glucose and fructose residues are oriented toward the surface and loop regions of LecA. An optimal docking form for raffinose is shown in Figure 5b. Galactose residues of raffinose strongly interacted with Tyr 36, His 50, Pro 51, Asp 100, Val 101, and Thr 104. Glucose and fructose regions also interacted with Gln 53, Gly 37 and Asn 107, respectively, by hydrogen bonding. The association between the binding of raffinose to LecA and the inhibition of biofilm was further confirmed by using P. aeruginosa strains, one strain being unable to produce LecA and the other strain producing LecA . As shown in FIG. 5C, lecA knockout mutants (strains incapable of producing LecA) showed reduced biofilm formation, and further, biofilm formation was not reduced even with increasing raffinose concentration (P > 0.05) . In contrast, as shown in Fig. 5D, lecA (LecA) carrying pUCP18-LecA (a strain producing LecA ) The knockout mutants formed a biofilm similar to the wild type strains harboring the empty vector (pUCP18). Further, lecA with pUCP18 - LecA The knockout mutation showed a biofilm formation reduction in the concentration-dependent manner (0-1000 [mu] M) in the presence of raffinos (Fig. 5d). These results imply that LecA is essential for biofilm formation, and that in the biofilm suppression, it is necessary for raffinos to bind to LecA.

세포성 Cellularity 사이클릭Cyclic 다이구아닐레이트Di guanylate (c- (c- didi -- GMPGMP ) 생산의 감소) Decrease in production

세포성 c-di-GMP는 플랑크톤성 및 고착성 라이프스타일 사이의 분자적 결정, 운동성의 조절, 및 유독 인자 (virulence factor) 생산의 유도에 있어서 중요한 역할을 수행한다 (Romling U, Gomelsky M, & Galperin MY (2005) C-di-GMP: the dawning of a novel bacterial signalling system. Mol Microbiol 57(3):629-639). 본 발명자들 역시, 생강 추출물이 P. aeruginosa의 플랑크톤성 및 바이오필름 세포들에서 세포성 c-di-GMP 수준을 낮춘다는 점을 보고한 바 있다 (Kim H-S & Park H-D (2013) Ginger extract inhibits biofilm formation by Pseudomonas aeruginosa PA14. PloS one 8(9):e76106). 따라서, 본 발명에서는 플랑크톤성 및 바이오필름 세포들 모두에서 세포성 c-di-GMP에 대한 라피노스의 효과를 평가하였다. 일반적으로, 바이오필름 세포들은 플랑크톤성 세포들에 비해서 더 높은 c-di-GMP 수준을 나타내었다 (도 7a). 또한, 10 μM의 라피노스 처리에 의해서 c-di-GMP 수준이 플랑크톤성 (47%) 및 바이오필름 세포들 (59%) 모두에서 감소하였다. 부가적으로, 세포성 c-di-GMP 조절에 대한 라피노스 처리의 관련성을 확인하기 위해서, c-di-GMP를 과생산하는 P. aeruginosa 돌연변이 (ΔwspF)를 사용하였다. P . aeruginosa에서 wspF 유전자는 메틸에스테라아제를 암호화하는 것으로 알려져 있으며, 메틸에스테라아제는 CheY-유사 수용체 및 다이구아닐레이트 사이클라아제 (GGDEF) 도메인을 함유하는 WspR 단백질의 활성을 조절하는 것으로 추정되고 있다 (Hickman JW, Tifrea DF, & Harwood CS (2005) A chemosensory system that regulates biofilm formation through modulation of cyclic diguanylate levels. P Natl Acad Sci USA 102(40):14422-14427). ΔwspF는 WspR 단백질의 구성적 활성화 (constitutive activation)를 야기하기 때문에, ΔwspF는 세포성 c-di-GMP 수준 및 EPS 생산의 상승으로 이어진다 (Chung IY, Choi KB, Heo Y-J, & Cho Y-H (2008) Effect of PEL exopolysaccharide on the wspF mutant phenotypes in Pseudomonas aeruginosa PA14. J Microbiol Biotechn 18(7):1227-1234). 도 7b에 도시된 바와 같이, Δ wspF는 야생형 균주에 비해서 바이오필름 형성에 있어서 대략 2배 증가를 유도한다. 그러나, 비록 바이오필름 형성 감소가 야생형 균주 수준으로까지 도달하지는 못하였지만, 라피노스 처리 (0 - 100 μM)에 의해서 ΔwspF의 바이오필름 형성이 12 -26% 감소하였다. 흥미롭게도, 라피노스는 ΔwspF의 무리 운동성을 강화시켰다. 도 7c에 도시된 바와 같이, ΔwspF는 0.5% 연질 아가 플레이트 상에서 제한된 무리 운동성을 보여주었지만, 10 μM 라피노스와 함께 성장된 ΔwspF는 명백하게 길어진 수지들을 보여주었다.Cellular c-di-GMP plays an important role in molecular determinations between planktonic and adherent lifestyles, regulation of motility, and induction of virulence factor production (Romling U, Gomelsky M, & Galperin MY (2005) C-di-GMP: the dawning of a novel bacterial signaling system. Mol Microbiol 57 (3): 629-639). The present inventors have also reported that ginger extract lowers cellular c-di-GMP levels in planktonic and biofilm cells of P. aeruginosa (Kim HS & Park HD (2013) Ginger extract inhibits biofilm formation by Pseudomonas aeruginosa PA14. PloS one 8 (9): e76106). Thus, the present invention evaluated the effect of raffinose on cellular c-di-GMP in both planktonic and biofilm cells. Generally, biofilm cells showed higher c-di-GMP levels than planktonic cells (Fig. 7A). In addition, c-di-GMP levels were decreased in both planktonic (47%) and biofilm cells (59%) by treatment with 10 μM raffinose. Additionally, in order to confirm the relevance of raffinose treatment to cellular c-di-GMP regulation, P. aeruginosa over- producing c-di-GMP Mutation ( ΔwspF ) was used. P. wspF from aeruginosa The gene is known to encode a methyl esterase, and it is presumed that the methyl esterase regulates the activity of the WspR protein containing the CheY-like receptor and the di guanylate cyclase (GGDEF) domain (Hickman JW, Tifrea DF , & Harwood CS (2005) A chemosensory system that regulates biofilm formation through modulation of cyclic diguanylate levels. P Natl Acad Sci USA 102 (40): 14422-14427). Because ΔwspF causes constitutive activation of WspR protein, ΔwspF leads to an increase in cellular c-di-GMP level and EPS production (Chung IY, Choi KB, Heo YJ, & Cho YH (2008) Effect of PEL exopolysaccharide on the wspF mutant phenotypes in Pseudomonas aeruginosa PA14. J Microbiol Biotechn 18 (7): 1227-1234). As shown in Figure 7b, [ Delta] wspF induces approximately a two-fold increase in biofilm formation compared to wild-type strains. However, biofilm formation of ΔwspF was reduced by 12 -26% by raffinose treatment (0 - 100 μM), although the reduction of biofilm formation did not reach the wild-type strain level. Interestingly, raffinose enhanced the motility of ΔwspF . As shown in Figure 7c, ΔwspF showed limited motility on 0.5% soft agar plates, but ΔwspF grown with 10 μM raffinose showed clearly longer resins.

상기 결과들은 P. aeruginosa의 강화된 c-di-GMP 특이적 포스포디에스테라아제 (PDE) 활성에 의해서 세포성 c-di-GMP 수준이 감소되는 것과 관련이 있는 것으로 보인다. 이는 라피노스와 함께 성장된 P. aeruginosa에서 PDE-특이적 기질인 비스-p-니트로페놀 포스페이트 (bis-pNPP)의 분해를 분석하여 PDE의 활성을 측정함으로써 테스트하였다. 도 7d는 라피노스와 함께 성장된 P. aeruginosa가, 라피노스 없이 성장된 동일한 균주와 비교할 때, 비스-pNPP 분해의 활성을 1.1 - 2.3배 증가시킴을 보여준다. 이러한 결과는 라피노스가 PDE 활성의 유도를 통해서 P. aeruginosa 세포성 c-di-GMP 수준을 감소시켰음을 의미한다.These results appear to be related to a decrease in cellular c-di-GMP levels by enhanced c-di-GMP-specific phosphodiesterase (PDE) activity of P. aeruginosa . This was tested by measuring the activity of PDE by analyzing the degradation of bis-p-nitrophenol phosphate (bis-pNPP), a PDE-specific substrate, in P. aeruginosa grown with raffinose. Figure 7d shows that P. aeruginosa grown with raffinose increases the activity of bis-pNPP degradation by 1.1 - 2.3 times compared to the same strain grown without raffinose. These results indicate that raffinose reduced P. aeruginosa cellular c-di-GMP levels by inducing PDE activity.

모델균주Model strain 이외의 다양한 그람 음성, 양성균들의  Other Gram-negative, positive strains 라피노스Raffinos 처리에 의한 바이오필름 형성 변화 확인 Identification of changes in biofilm formation by treatment

상기에서 확인된 바와 같이, 라피노스가 세균의 C-di-GMP 양을 조절하기 때문에 모델 균주뿐만 아니라, 다양한 그람 음성, 양성균에 적용가능 여부를 확인하기 위하여 이들에 대한 라피노스의 바이오필름 저해 효과를 관찰하였다.As described above, since the raffinose regulates the amount of C-di-GMP of bacteria, it is possible to observe the biofilm inhibitory effect of raffinose on the Gram-negative bacteria Respectively.

도 10은 다양한 그람 음성, 양성균들의 라피노스 처리에 의한 바이오필름 형성 변화를 나타낸 그래프이다. 도 10에 나타난 바와 같이 라피노스의 처리에 의해 실험대상이 된 모든 균주에 대하여 라피노스의 농도에 의존적으로 바이오필름의 형성이 억제됨을 확인하였다. 따라서, 본 발명의 라피노스는 효과적인 바이오필름 형성 억제제로서의 활용이 가능함을 시사한다.10 is a graph showing changes in biofilm formation by raffinose treatment of various gram negative, positive strains. As shown in FIG. 10, it was confirmed that formation of biofilm was inhibited in all strains which were subjected to the treatment with raffinose, depending on the concentration of raffinose. Therefore, it is suggested that the raffinose of the present invention can be utilized as an effective inhibitor of biofilm formation.

검토Review

바이오필름 감소 이외에도, 라피노스는 P. aeruginosa의 다른 표현형들을 변화시켰는 바, 이러한 표현형 변화에는 콩고-레드 플레이트 중 주름성 군락 형성의 억제 (도 2d), 감소된 EPS 생산 (도 4a 및 4b), 및 증가된 무리 운동성 (도 2d) 등이 포함된다. 이러한 변화된 표현형들은 통상적으로 세포성 c-di-GMP 수준이 감소될 때 관찰된다 (Kim H-S & Park H-D (2013) Ginger extract inhibits biofilm formation by Pseudomonas aeruginosa PA14. PloS one 8(9):e76106; Ueda A & Wood TK (2009) Connecting quorum sensing, c-di-GMP, pel polysaccharide, and biofilm formation in Pseudomonas aeruginosa through tyrosine phosphatase TpbA (PA3885). PLoS Pathog 5(6):e1000483). 따라서, 라피노스가 세포성 c-di-GMP를 감소시킴으로써 다양한 표현형 변화를 유발하였다고 유추할 수 있다. 이러한 가정은 세포성 c-di-GMP를 과생산하는 P. aeruginosa 돌연변이 (ΔwspF)를 사용한 실험들에 의해서 확인되는 바: 라피노스는 바이오필름 형성을 감소시켰고 (도 7b), 무리 운동성의 회복을 야기하였다 (도 2d).In addition to biofilm reduction, raffinos altered other phenotypes of P. aeruginosa , including the inhibition of wrinkle community formation (Fig. 2d), reduced EPS production (Fig. 4a and 4b), and Increased migratory motility (Figure 2d), and the like. These altered phenotypes are observed when the normally cellular c-di-GMP have reduced levels (Kim HS & Park HD (2013 ) Ginger extract inhibits biofilm formation by Pseudomonas aeruginosa PA14 PloS one 8 (9):. E76106; Ueda A & Wood TK (2009) Connecting quorum sensing, c-di-GMP, pel polysaccharide, and biofilm formation in Pseudomonas aeruginosa through tyrosine phosphatase TpbA (PA3885). PLoS Pathog 5 (6): e1000483). Thus, it can be inferred that raffinose caused a variety of phenotypic changes by reducing cellular c-di-GMP. This hypothesis suggests that P. aeruginosa, which overexpresses cellular c-di-GMP Confirmed by experiments using the mutation (? WspF ): raffinose reduced biofilm formation (Fig. 7b) and resulted in recovery of herd motility (Fig. 2d).

c-di-GMP 수준은 서로 반대로 작용하는 두 가지 효소들에 의해서 조절된다. c-di-GMP는 다이구아닐레이트 사이클라아제 (DGCs)에 의해서 두 개의 GTP로부터 생산되고, 포스포디에스테라아제 (PDEs)에 의해서 pGpG를 거쳐서 두 개의 GTP로 분해된다 (Schirmer T & Jenal U (2009) Structural and mechanistic determinants of c-di-GMP signalling. Nat Rev Microbiol 7(10):724-735). 세포성 c-di-GMP 수준을 감소시키기 위해서 두 가지 경로가 가능한 바: GGDEF 도메인을 갖는 DGC의 활성을 감소시키거나, 또는 EAL 및/또는 HD-GYPs 도메인들을 갖는 PDE의 활성을 증가시키는 것이 그것이다. 실험 결과, 라피노스의 농도를 증가시키게 되면 P. aeruginosa의 PDE 활성이 증가되는 것으로 나타났으며 (도 7d), 이는 후자의 경로가 라피노스에 의해서 c-di-GMP 수준이 감소되는 메커니즘인 것을 의미한다. 이러한 가설은 다른 연구 결과에 의해서되 뒷받침되는 바 (Chung IY, Choi KB, Heo Y-J, & Cho Y-H (2008) Effect of PEL exopolysaccharide on the wspF mutant phenotypes in Pseudomonas aeruginosa PA14. J Microbiol Biotechn 18(7):1227-1234), 상기 연구에서는 P. aeruginosa ΔwspF 돌연변이를 사용하여 플라스미드 벡터 중에서 PDE 유전자인 pvrR을 클로닝함으로써 PDE 활성을 증가시켰다. 형질전환된 ΔwspF 돌연변이는 증가된 PDE 활성과 더불어 감소된 c-di-GMP 수준을 나타내었고, 무리 운동성이 증가하였다. 라피노스 처리에 의해서 c-di-GMP 수준이 감소하는 것을 설명함에 있어서, DGCs의 활성이 감소되는 가능성도 배제할 수는 없다.The level of c-di-GMP is regulated by two enzymes that work in opposition to each other. c-di-GMP is produced from two GTPs by di-guanylate cyclase (DGCs) and is degraded into two GTPs via pGpG by phosphodiesterase (PDEs) (Schirmer T & Jenal U ) Structural and mechanistic determinants of c-di-GMP signaling. Nat Rev Microbiol 7 (10): 724-735). To reduce cellular c-di-GMP levels, two routes are possible: reducing the activity of DGCs with the GGDEF domain, or increasing the activity of PDEs with EAL and / or HD-GYPs domains will be. As a result of experiments, it was shown that increasing the concentration of raffinose resulted in an increase in the PDE activity of P. aeruginosa (Fig. 7d), which means that the latter pathway is a mechanism by which the level of c-di-GMP is reduced by raffinose . This hypothesis is supported by other studies (Chung IY, Choi KB, Heo YJ, & Cho YH (2008) Effect of PEL exopolysaccharide on the wspF mutant phenotypes in Pseudomonas aeruginosa PA14. J Microbiol Biotechn 18 (7): 1227-1234). In the above study, P. aeruginosa ΔwspF Mutations were used to increase PDE activity by cloning pvrR , a PDE gene, among the plasmid vectors. Transformed? WspF Mutations showed decreased c-di-GMP levels with increased PDE activity and increased motility. In explaining that the level of c-di-GMP is reduced by raffinose treatment, the possibility that the activity of DGCs is decreased can not be excluded.

반면에, 세포성 c-di-GMP의 감소된 수준은 감소된 바이오필름 형성 뿐만 아니라, 성장 및 분산의 운동 모드와도 관련이 있는 것으로 보고된 바 있다 (Ueda A & Wood TK (2009) Connecting quorum sensing, c-di-GMP, pel polysaccharide, and biofilm formation in Pseudomonas aeruginosa through tyrosine phosphatase TpbA (PA3885). PLoS Pathog 5(6):e1000483). 바이오필름 분산은 편재화된 세포 사멸 및 용균에 의해서 개시되어, 탈출 세포들에 영양분을 제공하게 된다 (McDougald D, Rice SA, Barraud N, Steinberg PD, & Kjelleberg S (2012) Should we stay or should we go: mechanisms and ecological consequences for biofilm dispersal. Nat Rev Microbiol 10(1):39-50). 이는 바이오필름 마이크로군락들의 중공화 (hollowing)와 관련이 있다 (Barraud N, et al. (2006) Involvement of nitric oxide in biofilm dispersal of Pseudomonas aeruginosa. J Bacteriol 188(21):7344-7353). 본 발명에서, 라피노스로 처리된 바이오필름에서 중공 구조들이 발견된 바 (도 2c), 라피노스가 세포성 c-di-GMP 수준을 감소시킴으로써 바이오필름 형성을 감소시켰을 뿐만 아니라, 바이오필름의 분산을 촉발하였음을 의미한다. 이러한 가정은 유리 슬라이드 상에 형성된 P. aeruginosa 바이오필름으로부터 방출된 플랑크톤성 세포들을 측정함으로써 더욱 평가할 수 있다. 방출된 세포들의 개수는, 미처리된 세포들에 비해서, 100 μM 라피노스로 처리한 경우에, 1.8 - 3.6배 증가하였다 (도 8) 종합하면, 본 발명에 따른 데이터들은 라피노스에 의한 세포성 c-di-GMP 수준의 조절에 의해서 갈락토시드류가 LecA에 결합하는 사실 및 P. aeruginosa 바이오필름의 형성을 억제하는 사실 (즉, LecA-리간드 경쟁적 억제만이 바이오필름 억제에 대한 유일한 메커니즘은 아니라는 사실)을 뒷받침 해준다. 그럼에도 불구하고, LecA-라피노스 결합이 cdi-GMP 감소를 야기하였는지 또는 라피노스가 LecA-라피노스 결합과는 독립적으로 c-di-GMP를 감소시켰는지에 대해서는 불명확하다.On the other hand, reduced levels of cellular c-di-GMP have been reported to be associated with reduced modes of biofilm formation as well as with the mode of growth and dispersion (Ueda A & Wood TK (2009) Connecting quorum sensing, c-di-GMP, pel polysaccharide, and biofilm formation in Pseudomonas aeruginosa through tyrosine phosphatase TpbA (PA3885). PLoS Pathog 5 (6): e1000483). Biofilm dispersions are initiated by unidirectional cell death and lysis, providing nutrients to the escape cells (McDougald D, Rice SA, Barraud N, Steinberg PD, & Kjelleberg S (2012) go: mechanisms and ecological consequences for biofilm dispersal. Nat Rev Microbiol 10 (1): 39-50). This is related to the hollowing of biofilm microbial communities (Barraud N , et al. (2006) Involvement of nitric oxide in biofilm dispersal of Pseudomonas aeruginosa. J Bacteriol 188 (21): 7344-7353). In the present invention, hollow structures were found in raffinose-treated biofilms (Fig. 2c), raffinose not only reduced biofilm formation by reducing cellular c-di-GMP levels, . This assumption is based on the fact that P. aeruginosa Can be further evaluated by measuring the planktonic cells released from the biofilm. The number of released cells increased 1.8- to 3.6-fold when treated with 100 [mu] M raffinos compared to untreated cells (Fig. 8). Taken together, data according to the present invention show that cellular c-di The fact that galactosidases bind to LecA by regulation of the GMP level and the fact that they inhibit the formation of P. aeruginosa biofilm (i.e., that only LecA-ligand competitive inhibition is not the only mechanism for biofilm inhibition) . Nevertheless, it is unclear whether LecA-raffinose binding caused cdi-GMP reduction or whether raffinose reduced c-di-GMP independently of LecA-raffinose binding.

한편, LecA 단백질이 바이오필름 형성과 관련된다는 사실을 주지할 필요가 있다. Diggle 등 (Diggle SP, et al. (2006) The galactophilic lectin, LecA, contributes to biofilm development in Pseudomonas aeruginosa. Environ Microbiol 8(6):1095-1104)은 P. aeruginosa 바이오필름에서 lecA 유전자 발현을 관찰하였으며, LecA-과생산 균주에서는 바이오필름 형성이 증가되고, lecA 돌연변이에서는 감소됨을 보고한 바 있다. 본 발명에서는 RT-qPCR 분석방법을 사용하여 라피노스 처리에 의한 lecA 유전자 발현의 방해 여부를 조사하였다 (도 9a 및 9b). 야생형 P. aeruginosa에서 라피노스 처리에 의해서 lecA 유전자 발현이 50% 감소하였다. 흥미롭게도, 세포성 c-di-GMP를 과생산하는 P. aeruginosa 돌연변이 (Δ wspF)는 야생형 균주에 비해서 lecA 유전자 발현의 측면에서 1.5배 증가를 보였으며, 라피노스 처리 이후에는 lecA 유전자 발현의 측면에서 30% 감소를 보였다. 또한, P. aeruginosa lecA 녹아웃 돌연변이 (ΔlecA)는, 야생형 균주에 비해서, 세포성 c-di-GMP 수준에서 감소를 나타내었으며, c-di-GMP 특이적 PDE의 활성 측면에서는 1.5배 증가를 나타내었다. 이러한 결과들은 라피노스가 LecA에 결합함으로써 lecA 유전자 발현을 감소시켰으며, 이는 또한 세포성 cdi-GMP 수준의 감소를 야기하였고, 궁극적으로 바이오필름 억제를 야기하였다.On the other hand, it is important to note that the LecA protein is involved in biofilm formation. Diggle, etc. (Diggle SP, et al (2006 ) The galactophilic lectin, LecA, contributes to biofilm development in Pseudomonas aeruginosa Environ Microbiol 8 (6):.. 1095-1104) is a P. aeruginosa LecA in biofilm Gene expression was observed, and biofilm formation was increased in LecA- and the production strain, and lecA And decreased in mutations. In the present invention, by using the RT-qPCR analysis method, lecA by raffinose treatment The interference of gene expression was examined (Figs. 9A and 9B). In the wild type P. aeruginosa , lecA Gene expression was reduced by 50%. Interestingly, P. aeruginosa over- producing cellular c-di-GMP The mutation ( Δ wspF ) showed a 1.5-fold increase in lecA gene expression compared to the wild-type strain and a 30% decrease in lecA gene expression after raffinose treatment. In addition, P. aeruginosa lecA The knockout mutant ( ΔlecA ) showed a decrease at the level of cellular c-di-GMP and a 1.5-fold increase in the activity of c-di-GMP-specific PDE compared to the wild type strain. These results showed that raffinose reduced lecA gene expression by binding to LecA , which also resulted in a decrease in cellular cdi-GMP levels and ultimately biofilm inhibition.

라피노스는 다양한 식물들 (예를 들어, 콩, 양배추 및 브로콜리) 및 식물 종자들, 또한 생강에서 발견되는 일반적인 갈락토올리고당이다. 왜 일부 식물들이 라피노스와 같은 박테리아성 바이오필름 억제제를 생산하는지에 대해서는 아직 밝혀진 바가 없으며, 그러한 바이오필름 억제제들이 우연히 생산된 것인지 또는 진화적 과정에서 생산된 것인지를 연구할 가치가 있다. 어떠한 이유이건 간에, 바이오필름 억제제들의 생산은 식물들에 생존 이득을 부여하는 것으로 보인다. 예를 들어, 오스트리아산 홍조류는 바이오필름 형성을 억제하는데 효과적인 할로겐화된 푸라논을 생산하고 (Hentzer M, et al. (2003) Attenuation of Pseudomonas aeruginosa virulence by quorum sensing inhibitors. The EMBO journal 22(15):3803-3815), 이는 다시 식물에 대한 광을 차단하는 미생물 군락화를 방지하는 것으로 보고된 바 있다. 바이오필름 억제제는 다양한 의료적 및 산업적 분야에 응용될 수 있다. 항생제 내성을 갖는 병원성 박테리아들의 숫자가 증가하여 항생제 치료법에 곤란을 야기하고 있으며, 예를 들어, 95% 이상의 P. aeruginosa가 젠타마이신 (gentamicin), 카르베니실린 (carbenicillin), 코-트리목사졸 (co-trimoxazol), 세프티족심 (ceftizoxime), 및 테트라사이클린 (tetracycline) 치료법에 내성을 갖는 것으로 알려져 있다 (Davies D (2003) Understanding biofilm resistance to antibacterial agents. Nat Rev Drug Discov 2(2):114-122). 박테리아 성장에 영향을 주지 않는 바이오필름 억제제는 바이오필름 형성을 수반하는 감염성 질병들을 치료하는데 있어서 항생제에 대한 새로운 대안으로 떠오르고 있다. 이러한 물질들은 또한 바이오파울링 (biofouling) 문제들을 해결할 수도 있는 바, 수처리, 수 분배 파이프, 선박 선체, 세탁기, 가습기, 식기 세척기 등과 같은 다양한 장치들의 막 필터에 사용되는 살생제를 대체할 수 있다.Raffinose is a common galacto-oligosaccharide found in a variety of plants (for example, beans, cabbage and broccoli) and plant seeds, also in ginger. It is not yet clear why some plants produce bacterial biofilm inhibitors such as raffinose, and it is worth investigating whether such biofilm inhibitors are produced by chance or evolutionary processes. For whatever reason, the production of biofilm inhibitors appears to confer a survival benefit to the plants. For example, Austrian red algae produce halogenated furanones effective to inhibit biofilm formation (Hentzer M , et al. (2003) Attenuation of Pseudomonas aeruginosa virulence by quorum sensing inhibitors. The EMBO journal 22 (15): 3803-3815), which has been reported to prevent microbial communityization again blocking light to plants. Biofilm inhibitors can be applied in a variety of medical and industrial applications. For example, over 95% of P. aeruginosa has been found to be effective against gentamicin, carbenicillin, ko-tree pasta (&lt; RTI ID = 0.0 &gt; co-trimoxazole, ceftizoxime, and tetracycline therapy (Davies D (2003).) Nat Rev Drug Discov (2003) Understanding biofilm resistance to antibacterial agents 2 (2): 114-122). Biofilm inhibitors that do not affect bacterial growth are emerging as a new alternative to antibiotics in the treatment of infectious diseases involving biofilm formation. These materials can also address biofouling problems and can replace biocides used in membrane filters for a variety of devices such as water treatment, water distribution pipes, ship hulls, washing machines, humidifiers, dishwashers, and the like.

Claims (4)

라피노스를 유효성분으로 포함하고, 상기 라피노스는 바이오필름 세포 내의 당물질 수용체 단백질인 LecA에 결합하여 세포성 사이클릭 다이구아닐레이트 (c-di-GMP) 수준을 낮추어 바이오필름 형성을 억제하고,
라피노스 농도 1 ~ 100 μM에서 바이오필름 형성 미생물의 성장에는 영향을 미치지 않으며, 상기 미생물은 수도모나스 아에루기노사 (Pseudomonas aeruginosa)인 것을 특징으로 하는 바이오필름 형성 억제용 조성물.
Wherein the raffinose binds to the sugar receptor protein LecA in the biofilm cell to lower the level of cellular cyclic di-guanylate (c-di-GMP) to inhibit biofilm formation,
It does not affect the growth of the biofilm-forming microorganism at a raffinose concentration of 1 to 100 [mu] M, and the microorganism is Pseudomonas aeruginosa aeruginosa ). &lt; / RTI &gt;
제1항에 있어서,
의료기기, 의료용 재료 또는 의료용 이식물의 표면에 형성되는 바이오필름의 형성을 억제하는 것을 특징으로 하는 바이오필름 형성 억제용 조성물.
The method according to claim 1,
A composition for inhibiting biofilm formation, which inhibits the formation of a biofilm formed on a surface of a medical device, a medical material or a medical implant.
제1항에 있어서,
수처리막 표면에 형성되는 바이오필름의 형성을 억제하는 것을 특징으로 하는 바이오필름 형성 억제용 조성물.
The method according to claim 1,
A composition for inhibiting biofilm formation, which inhibits the formation of a biofilm formed on a surface of a water treatment film.
제1항에 있어서,
식품 및 생활용품의 표면에 형성되는 바이오필름의 형성을 억제하는 것을 특징으로 하는 바이오필름 형성 억제용 조성물.
The method according to claim 1,
A composition for inhibiting biofilm formation, which inhibits the formation of a biofilm formed on the surface of food and household articles.
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