KR20230022739A - 대장균 또는 시겔라속 균에 특이적 사멸능을 갖는 박테리오파지 및 이의 용도 - Google Patents

대장균 또는 시겔라속 균에 특이적 사멸능을 갖는 박테리오파지 및 이의 용도 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대장균 또는 시겔라속 균에 특이적 사멸능을 갖는 박테리오파지 및 이의 용도에 관한 것으로, 본 발명의 박테리오파지인 SME50 (기탁번호: KCTC 14641BP)은 신규한 파지로서 병원성 대장균 O157과 시겔라 플렉시너리를 동시에 제어할 수 있는 우수한 숙주 세균 사멸 범위를 가지고, 고온에서의 안정성과 큰 burst size가 다른 파지들과 대비하여 가지는 것을 특징으로 하여 항균제 등으로 유용하게 활용될 수 있다.

Description

대장균 또는 시겔라속 균에 특이적 사멸능을 갖는 박테리오파지 및 이의 용도 {Bacteriophage having killing activity specific to Escherichia coli or Shigella}
본 발명은 대장균 또는 시겔라속 균에 특이적 사멸능을 갖는 박테리오파지 및 이의 용도에 관한 것이다.
대장균(Escherichia coli)는 전체 박테리아의 0.1%정도를 차지하며 인간뿐만 아니라 다른 동물의 장에서 주로 서식한다. 대장균은 대부분이 유해성 박테리아가 아니지만 병원성 대장균도 많이 존재한다. 예를 들어, Enterotoxigenic E.coli (ETEC), enteroinvasive E.coli (EIEC), enteropathogenic E.coli (EPEC), enteroaggregative E.coli (EAEC) 및 enterohemorrhagic E.coli (EHEC)들은 장독소 (enterotoxin), 시가 독소 (shiga toxin), 세포 독소 (cytotoxin) 및 내독소 (endotoxin) 등의 독소를 배출하여 설사나 장내 질병을 일으킨다. 또한 이들 병원성 대장균은 개발도상국의 여행자들에게서 빈번히 발견되며, 살균되지 않은 우유, 요리되지 않은 쇠고기, 상한 물 등을 섭취함으로써 쉽게 감염된다.
또한 시겔라(Shegella)속에 속하는 균은 장내세균과에 속하는 세균으로 운동성이 없고 협막도 없으며 아포도 형성하지 않는 그람음성 세균으로 S.flexneri, S.sonnei, S.doydii, S.dysenteriae의 4종으로 나뉜다. 상기 균들은 세균성 이질을 발생시키는 데, 상기 질환은 감염력이 강해 매개체 내의 증식없이도 환자나 보균자의 손에 묻어있는 세균만으로도 전파가 가능하며, 접촉감염증이 시겔라 감염증의 주된 전파 방법이다. 세계적으로 매년 2억명의 발병을 보이고 있으며 그중 65만명이 사망하고 있는 실정이다. 우리나라에서 세균성 이질의 발병은 감소 추세를 보이다 1998년이후 전국적으로 집단 발병하는 등 발병이 현격히 증가하여 사회문제화 되고 있다. 또한 1998년 이후 분리된 이질균의 경우 테트라싸이클린, 스트렙토마이신등 항생제에 대하여 내성을 보이는 등 항균제에 대한 내성이 심각한 수준으로 대두되고 있다.
상기 대장균 또는 시겔라속 균과 같은 미생물에 의한 감염이 발생하는 경우 그 치료를 위하여 주로 항생제를 사용한다. 하지만 항생제가 남용되는 경우 항생제 내성 미생물들이 발생하여 부작용이 발생할 수 있다. 구체적으로 항생제가 남용되는 경우 미생물들은 항생제에 대한 내성을 획득하게 되었고 내성을 지닌 미생물들은 다른 미생물에게 내성을 전달하여 확산 속도가 빠르게 퍼져나갔다. 따라서 상기 항생제가 아닌 다른 방법으로 대장균 또는 시겔라속 균을 사멸시킬 수 있는 방법이 필요한 실정이다. 또한, 이러한 감염을 예방하기 위하여, 식품 분야에서는 대장균, 시겔라균 오염을 막기 위하여 화학제제등을 사용하기도 하고, 가축 등 경제동물의 사육에도 대장균, 시겔라균에 의한 감염을 막기 위하여 항생제를 사용하는 경우도 있었다.
한편, 박테리오파지(bacteriophage)는 세균에 특이적으로 침투하여 용균하는 바이러스로 유전물질 (단일가닥 DNA, 이중가닥 DNA, RNA)을 단백질 외피가 싸고 있는 유기체다. 상기 박테리오파지는 자연에 존재하는 세균을 감염시킬 수 있으며, 세균이 존재하는 거의 모든 곳에 함께 존재할 수 있다. 이들을 이용한 파지 치료법 (phage therapy)은 인간뿐만 아니라 식물, 동물에게도 적용할 수 있으며, 음식이나 사료 등에서도 감염성 및 부패성 세균을 제어하기 위해 활용 가능하는 등 그 응용분야가 매우 다양하다. 특히 기존의 화학적 항생제에 비해 숙주 세균에 대한 특이성(specificity)이 높고 개발시간 및 개발비용이 상대적으로 적게 소모되며, 숙주 세균이 존재하는 한 스스로 증폭하여 수를 늘리는 self dosing이 가능하여 잠재적 응용성도 높다.
1. KR 10-1830892B1
본 발명의 일 양상은 대장균 또는 시겔라속(Shigella) 균에 특이적 사멸능을 갖는 박테리오파지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 일 양상은 박테리오파지 또는 이의 배양물을 유효성분으로 함유하는 항균제를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 일 양상은 상기 박테리오파지 또는 이의 배양물을 유효성분으로 함유하는 대장균 또는 시겔라속 균에 의해 유발되는 질환의 예방 또는 치료용 약학적 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 일 양상은 상기 박테리오파지 또는 이의 배양물을 유효성분으로 함유하는 사료첨가제를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 일 양상은 상기 박테리오파지 또는 이의 배양물을 유효성분으로 함유하는 식품첨가제를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 양상은 대장균 또는 시겔라속(Shigella) 균에 특이적 사멸능을 갖는 박테리오파지 (기탁번호: KCTC 14641BP) 를 제공한다.
상기 박테리오파지는 마이오비리대(Myoviridae) 과에 속하는 것으로서, 보다 상세하게는병원성 대장균과 이질균에 동시 감염능력이 있어 이들을 사멸시킬 수 있는 신규의 박테리오파지이다.
본 발명의 박테리오파지는 대장균 또는 시겔라속 균이 서식하는 곳에서 당업계에 공지된 방법에 따라 분리될 수 있다. 이에 한정되지 않지만 바람직하게는 박테리아는 여과하지만 박테리오파지는 통과시킬 수 있는 구멍크기의 필터로, 대장균 또는 시겔라속 균이 서식하는 곳에서 채취한 시료를 여과시킨 다음, 십진 희석하여 한 뒤 용균반 분석(plaque assay) 하여 박테리오파지를 분리할 수 있다 (실험예 1-1. 참조).
본 발명의 박테리오파지는 형태학적 분류상 Myoviridae 과에 속하며, 본 발명에서 상기 박테리오파지를 'SME50'으로 명명하고, 2021년 07월 22일자로 생명공학연구소 유전자은행(korean collection for type cultures, KCTC)에 기탁번호 KCTC 14641BP 로 기탁하였다 (실험예 2-1. 참조).
본 발명의 박테리오파지는 유해한 유전자를 가지고 있지 않은 virulent phage이면서, pH 4 내지 11, 구체적으로 pH 4 내지 5, pH 4 내지 6, pH 4 내지 7, pH 4 내지 8, pH 4 내지 9, pH 4 내지 10, pH 4 내지 11, pH 5 내지 6, pH 5 내지 7, pH 5 내지 8, pH 5 내지 9, pH 5 내지 10, pH 5 내지 11, pH 6 내지 7, pH 6 내지 8, pH 6 내지 9, pH 6 내지 10, pH 6 내지 11, pH 7 내지 8, pH 7 내지 9, pH 7 내지 10, pH 7 내지 11, pH 8 내지 9, pH 8 내지 10, pH 8 내지 11, pH 9 내지 10, pH 9 내지 11 또는 pH10 내지 11에서 감염성을 유지할 수 있다. 또한, 본 발명의 박테리오파지는 4 내지 70℃, 구체적으로, 4 내지 25℃, 4 내지 37℃, 4 내지 50℃, 4 내지 60℃, 4 내지 70℃, 25 내지 37℃, 25 내지 50℃, 25 내지 60℃, 25 내지 70℃, 37 내지 50℃, 37 내지 60℃, 37 내지 70℃, 50 내지 60℃, 50 내지 70℃ 또는 60 내지 70℃에서도 감염성을 유지할 수 있고, 5분 정도의 암흑기, 20분 정도의 잠복기를 가지며, 500 내지 900 PFU/infected cell, 구체적으로 550 내지 850 PFU/infected cell, 더욱 구체적으로는 580 내지 790 PFU/infected cell, 일 예시로 650 PFU/infected cell의 방출량(burst size)을 가지는 생장 특성이 있다 (실험예 2-2. 및 2-4. 참조).
본 발명의 일 구체예로 상기 박테리오파지는 서열번호 1의 염기서열로 표시되는 유전체를 갖는 것일 수 있다. 상기 염기서열은 유전체 크기가 90,298 bp이고 총 138개의 ORF와 25개의 tRNA가 포함되는 것으로 예측되고, 용원성과 연관된 단백질인 integrase 또는 repressor 등이 발견되지 않아 용균성 파지임을 확인하였으며 항생제 저항성 유전자나 독성에 연관된 유전자 또한 발견되지 않아 세포 독성이 없는 것을 알 수 있다. (실험예 2-5. 참조)
본 발명의 박테리오파지는 대장균 또는 시겔라속 균에 특이적 사멸능을 가지는 것을 특징으로 한다. 상기 대장균 또는 시겔라속 균은 이에 한정되지 않지만, 본 발명의 일 구체예로 상기 대장균은 대장균 O157:H7 이고 상기 시겔라속(Shigella) 균은 시겔라 플렉스너리 (Shigella flexneri)일 수 있다.
본 발명의 다른 일 양상은 상기 박테리오파지 또는 이의 배양물을 유효성분으로 함유하는 항균제를 제공한다.
상기 항균제는 미생물의 성장을 억제할 뿐 아니라 미생물을 파괴 또는 무력화하는 제제를 의미한다.
상기 배양물은 본 발명의 박테리오파지의 배양액, 상기 배양액의 농축액, 상기 배양액 또는 농축액의 건조물을 포함한다. 상기 배양물은 본 발명의 박테리오파지를 당업계에 공지된 박테리오파지 배양용 배지에 본 발명의 박테리오파지를 접종하여 제조될 수 있다.
본 발명의 일 구체예로 상기 항균제는 대장균 또는 시겔라속(Shigella) 균을 사멸시키는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 박테리오파지 또는 이의 배양물은 상기 기재한 바와 같이 대장균 또는 시겔라속 균에 특이적 사멸능이 있어, 상기 성분을 함유하는 항균제는 대장균 또는 시겔라속 균을 사멸시킬 수 있는 특성이 있다. 구체적으로, 상기 대장균은 대장균 O157:H7 일 수 있고, 상기 시겔라속(Shigella) 균은 시겔라 플렉스너리 (Shigella flexneri)일 수 있다.
상기 대장균 또는 시겔라속 균은 주로 식품 또는 물을 오염시킬 있다. 식품은 미생물의 탄소원 및 질소원 등 수많은 유기물, 무기물을 함유하고 있어 대장균 또는 시겔라속 균이 번식하기 용이하기 때문이다. 따라서 본 발명의 항균제는 식품 등에 사용될 수 있다.
본 발명의 항균제는 유익한 균은 사멸시키지 않고 병원성 균인 대장균 또는 시겔라속 균만을 선택적으로 죽일 수 있어, 부작용이 없으며 병원성 균의 항생제 내성 내지 저항성을 유도하지 않아 기존의 항생물질에 비하여 효과적으로 이용될 수 있다.
본 발명의 항균제는 상기 박테리오파지를 단독 유효성분으로 포함하거나 다른 공지의 유효성분과 혼합되어 제조될 수 있다. 한편, 상기 항균제는 다른 항균제 (가령, propionic acid와 butyric acid 같은 유기산 처리)와 병용 또는 공지의 항균 방법 (가령 열처리 등) 순차적 또는 동시에 투여될 수 있다. 그리고 단일 또는 다중 사용될 수 있다.
본 발명의 항균제는 통상적인 항균제 제조방법으로 제조될 수 있으며, 유효성분인 본 발명의 박테리오파지 또는 이의 배양물 외에 필요에 따라 담체, 기타 보조제 등을 추가적으로 포함할 수 있는데, 상기 담체는 생리식염수, 증류수, 사료, 박테리아용 배지(예, Tryptic Soy Agar) 등일 수 있으며, 보조제는 pH 교정 등의 목적으로 완충액 등일 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 항균제는 액상, 반 고체상 또는 고체상으로 제제 형태는 분말제, 과립제, 정제 등의 고체상 제제, 현탁제 또는 주사액제 등의 액상 제제 및 크림, 로션, 젤, 페이스트 등의 반 고체상 제제 등으로 제형화될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 양상은 상기 박테리오파지 또는 이의 배양물을 유효성분으로 함유하는 대장균 또는 시겔라속 균에 의해 유발되는 질환의 예방 또는 치료용 약학적 조성물을 제공한다.
상기 박테리오파지 또는 이의 배양물은 상기 기재한 바와 같이 대장균 또는 시겔라속 균에 특이적 사멸능이 있어, 상기 성분을 유효성분으로 함유하는 본 발명의 약학적 조성물은 대장균 또는 시겔라속 균에 의해 유발되는 질환의 예방 또는 치료용으로 효과적으로 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 대장균은 대장균 O157:H7 일 수 있고, 상기 시겔라속(Shigella) 균은 시겔라 플렉스너리 (Shigella flexneri)일 수 있다.
본 발명의 일 구체예로 상기 대장균에 의해 유발되는 질환은 대장균 감염증, 보다 바람직하게는 장출혈성 대장균 감염증으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
또한, 또한 상기 시겔라속 균에 의해 유발되는 질환은 이에 한정되지 않지만 바람직하게는 세균성 이질일 수 있다.
본 발명의 조성물은 상기 박테리오파지를 단독 유효성분으로 포함하거나 다른 공지의 유효성분과 혼합되어 제조될 수 있다. 한편, 상기 조성물은 개별 치료제로 투여하거나 다른 치료제와 병용하여 투여될 수 있고 종래의 치료제와는 순차적 또는 동시에 투여될 수 있다. 그리고 단일 또는 다중 투여될 수 있다. 상기 요소를 모두 고려하여 부작용 없이 최소한의 양으로 최대 효과를 얻을 수 있는 양을 투여하는 것이 중요하며, 당업자에 의해 용이하게 결정될 수 있다.
본 발명의 약학적 조성물은 상기 질환 부위에의 도포 또는 분무하는 방법으로 이용할 수 있으며, 그 밖에 경구 또는 비경구 투여를 통해 투여할 수도 있으며, 비경구 투여의 경우 경피 투여, 정맥내 투여, 복강내 투여, 근육 내 투여, 피하 투여 또는 국부 투여를 이용하여 투여할 수 있다.
본 발명의 약학적 조성물의 적합한 도포, 분무 및 투여량은 제제화 방법, 투여 방식, 환자의 연령, 체중, 성, 질병 증상의 정도, 음식, 투여 시간, 투여 경로, 배설 속도 및 반응 감응성과 같은 요인들에 의해 다양하며, 보 통으로 숙련된 의사는 소망하는 치료에 효과적인 투여량을 용이하게 결정 및 처방할 수 있다.
본 발명의 약학적 조성물은 당업자가 용이하게 실시할 수 있는 방법에 따라, 약리학적으로 허용 가능한 담체, 부형제, 희석제 또는 부성분을 추가로 포함할 수 있다. 상기 약학적으로 허용되는 담체, 부형제 또는 희석제의 예로는, 락토즈, 덱스트로즈, 수크로즈, 솔비톨, 만니톨, 자일리톨, 에리스리톨, 말티톨, 전분, 아카시아 고무, 알지네이트, 젤라틴, 칼슘 포스페이트, 칼슘 실리케이트, 셀룰로즈, 메틸 셀룰로즈, 미정질 셀룰로즈, 폴리비닐 피롤리돈, 물, 메틸하이드록시벤조에이트, 프로필하이드록시벤조에이트, 탈크, 마그네슘 스테아레이트 및 광물 유, 프로필하이드록시벤조에이트, 탈크, 마그네슘 스테아레이트 및 광물유, 덱스트린, 칼슘카보네이트, 프로필 렌글리콜, 리퀴드 파라핀 및 생리식염수로 이루어진 군에서 선택된 1 이상을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 통상의 담체, 부형제 또는 희석제 모두 사용 가능하다. 또한, 상기 약학 조성물은 통상의 충진제, 증량 제, 결합제, 붕해제, 항응집제, 윤활제, 습윤제, pH 조절제, 영양제, 비타민, 전해질, 알긴산 및 그의 염, 펙트 산 및 그의 염, 보호성 콜로라이드, 글리세린, 향료, 유화제 또는 방부제 등을 추가로 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 일 구체예로, 상기 박테리오파지 또는 이의 배양물을 포함하는 사료첨가제 또는 식품 첨가제를 제공한다
본 발명의 사료첨가제 또는 식품첨가제는 상기 박테리오파지 또는 이의 배양물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 박테리오파지 또는 이의 배양물은 상기 기재한 바와 같이 대장균 또는 시겔라속 균에 특이적 사멸능이 있어, 상기 성분을 유효성분으로 함유하는 본 발명의 사료첨가제 또는 식품첨가제는 대장균 또는 시겔라속균을 특이적으로 사멸시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 대장균은 대장균 O157:H7 일 수 있고, 상기 시겔라속(Shigella) 균은 시겔라 플렉스너리 (Shigella flexneri)일 수 있다.
상기 식품첨가제가 사용될 수 있는 식품에는 제한이 없으며, 상기 식품첨가제는 대장균 또는 시겔라속 균에 감염되기 쉬운 식품에 당업계에 공지된 방법에 따라 첨가제의 형태로 제조된 것을 말한다. 상기 사료첨가제는 이에 한정되지 않지만 가축용 및 어류용 사료에 첨가제의 형태로 제조된 것을 말한다. 상기 사료첨가제 또는 식품첨가제의 첨가량은 당업자라면 용이하게 정할 수 있으며, 대장균 또는 시겔라속 균의 감염 용이성, 감염 정도에 따라 달리 정할 수 있다.
본 발명의 박테리오파지인 SME50 (기탁번호: KCTC 14641BP)은 신규한 파지로서 병원성 대장균 O157과 시겔라 플렉시너리를 동시에 제어할 수 있는 우수한 숙주 세균 사멸 범위를 가지고, 고온에서의 안정성과 큰 burst size가 다른 파지들과 대비하여 가지는 것을 특징으로 하여 항균제 등으로 유용하게 활용될 수 있다.
도 1은 SME50의 투과 전자 현미경을 이용한 형태학적 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 SME50의 성장곡선 (one-step growth curve)을 나타낸 그래프이다.
도 3은 시험관 내에서의 SME50의 대장균 O157:H7 사멸능을 나타낸 그래프이다.
도 4는 시험관 내에서의 SME50의 시겔라 플렉시너리 사멸능을 나타낸 그래프이다.
도 5는 SME50의 pH 안정성을 나타낸 그래프이다.
도 6은 SME50의 온도 안정성을 나타낸 그래프이다.
도 7은 SME50의 유전자 지도이다.
도 8은 꿀벌부채명나방 유충 모델을 이용한 SME50의 대장균 O157:H7 감염의 치료 효과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 꿀벌부채명나방 유충 모델을 이용한 SME50의 대장균 O157:H7 감염의 예방 효과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 4℃에서 보관한 로메인상추에서 SME50 (MOI 104)의 대장균 O157:H7 저해 효과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 4℃에서 보관한 로메인상추에서 SME50 (MOI 104)의 시겔라 플렉시너리 저해 효과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 우유에서 SME50 (MOI 104)의 대장균 O157:H7 저해 (4℃) 효과를 나타낸 그래프이다.
도 13은 우유에서 SME50 (MOI 104)의 시겔라 플렉시너리 저해 (4℃) 효과를 나타낸 그래프이다.
도 14는 우유에서 SME50 (MOI 104)의 대장균 O157:H7 저해 (25℃) 효과를 나타낸 그래프이다.
이하 하나 이상의 구체예를 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 하나 이상의 구체예를 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실험예 1: 실험 방법
실험예 1-1. 균주 및 박테리오파지
이하에서 사용된 균주는 모두 도표 1에 명시되어 있다. 사용된 모든 균주는 Luria-Bertani (LB) 배지를 이용하여 37℃에서 호기 조건으로 배양되었다. 대장균 O157:H7 ATCC 43890 (Escherichia coli O157:H7 ATCC 43890)은 파지 SME50의 동정, 정제, 그리고 증폭에 사용되었다.
의정부 하수처리장의 하수 시료에서 파지를 동정하였다. 동정 과정은, 시료를 동량의 2X LB 액체 배지로 8시간 동안 37℃에서 배양 후, 상등액을 0.45 um 크기의 필터로 거른 후 대장균 O157:H7 ATCC 43890 균주에 spotting assay로 분리하였다. 대장균 균주에서 확인된 파지 plaque는 sodium chloride-magnesium sulfate (SM) buffer (50 mM Tris-HCl [pH 7.5], 100 mM NaCl, 10 mM MgSO4)를 이용해 십진 희석하여 다시 대장균 배지에서 키워 plaque를 골라내는 방식을 3번 이상 거쳐 순수 파지 plaque를 분리하였다. 순수 분리된 파지는 대장균 O157:H7 ATCC 43890 균주를 이용해 증폭되었고, CsCl 밀도 구배 초고속원심분리를 이용하여 순수한 파지가 농축된 스탁 (stock)를 확보하였다. 구축된 파지 스탁을 이용하여 투과 전자 현미경 (Transmission electron microscope) 관찰을 진행하였다.
Bacterial strains Plaque formation a Resources b
Escherichia coli
MG 1655 -
DH5α -
ATCC 25922 - ATCC
E. coli O157:H7
ATCC 35150 +++ ATCC
ATCC 43890 +++ ATCC
ATCC 43888 +++ ATCC
ATCC 43894 ++ ATCC
ATCC 43895 +++ ATCC
ATCC 43889 +++ ATCC
86-24 +++
E2348169 -
OE50 +++
E. coli O157:NM
3204-92 +++
H-0482 +++
E. coli O8:H30 #736 -
Shigella flexneri
2a strain 2457T +++
6 IB1666 -
ATCC 29903 - ATCC
ATCC 12022 +++ ATCC
KCTC 2993 - KCTC
S. boydii
IB 2474 -
ATCC 8700 - ATCC
S. dysenteniae IB 2476 -
S. sonnei
IB 707 -
ATCC 29930 - ATCC
Other gram negative bacteria
Acinetobacter baumannii CCARM 12229 - CCARM
Cronobacter. sakazakii
ATCC 29544 - ATCC
ATCC 51329 - ATCC
Enterobacter aerogenes
CCARM 16001 - CCARM
CCARM 16003 - CCARM
NCCP 16285 - NCCP
Klebsiella pneumoniae
CCARM 10326 - CCARM
NCCP 15782 - NCCP
NCCP 15864 - NCCP
Salmonella Typhimurium
LT2ⓒ -
SL1344 -
ST9 -
ATCC 14028 - ATCC
ATCC 19586 - ATCC
Ty 2-b -
DT 104 -
UK-1 -
KCTC 1925 - KCTC
S. Paratyphi
A IB 211 -
B IB 231 -
C IB 216 -
S. Dublin IB 216 -
S. Arizonae KCCM 41035 -
S. Enteritidis
En2 -
ATCC 13076 -
S. Heidelberg -
Yersinia enterocolica ATCC 55075 -
Gram positive bacteria
Bacillus cereus ATCC 14579 - ATCC
B. subtilis ATCC 23857 - ATCC
Listeria monocytogenes ATCC 19114 - ATCC
L. innocua I -
Staphylococcus aureus
RN 4220 -
Newman -
ATCC 29213 - ATCC
Enterococcus faecalis
CCARM 5192 - CCARM
NCCP 16130 - NCCP
NCCP 16131 - NCCP
Enterococcus faecium
CCARM 5512 - CCARM
CCARM 5527 - CCARM
CCARM 5528 - CCARM
a +++, EOP of 1 to 0.5; ++, EOP of 0.5 to 0.2; +, EOP less than 0.2; -, no susceptibility to SME50
bATCC, American Type Culture Collection; CCARM, Culture Collection of Antimicrobial Resistant Microbes; NCCP, National Culture Collection for Pathogens; KCTC, Korean Collection for Type Culture
실험예 1-2. 파지의 숙주 사멸 범위와 안전성 확인
파지의 숙주 사멸 범위를 확인하기 위해 사용된 균주는 모두 LB 한천 배지에 double agar layer 방식으로 준비한 후, 파지의 plaque를 십진희석하여 스팟팅하였다. 하룻밤 동안 배양한 배지에서 파지가 각 균주를 감염하였는지의 여부와 파지의 농도 (titer)를 확인하였다. 기준 균주인 대장균 O157:H7 ATCC 43890을 이용하여 파지의 Efficiency of plating (EOP)를 확인하였다.
파지가 다양한 pH 범위에서 얼마나 안정적인지 알아보기 위해서, 파지 SME50 (최종 농도 106 PFU/ml)를 pH 2~12로 조정한 LB 배지에서 한시간 동안 37℃에서 배양하였다. 파지가 다양한 온도에서 안정적인지 확인하기 위해, 파지를 SM buffer에 106 PFU/ml이 되도록 희석 후 4, 25, 37, 50, 60, 70, 그리고 80℃ 에서 한시간 동안 배양하였다. 각 조건에서 활성을 유지한 파지는 standard plaque assay를 통해 확인되었다.
실험예 1-3. One-step growth curve를 통한 파지의 생활사 확인
파지의 생활사와 증폭 정도를 알아보기 위해 One-step growth curve를 확인하였다. 대장균 O157:H7 ATCC 43890에 파지 SME50을 MOI 0.01로 감염시키고, 10분간 상온에서 파지가 숙주 세균에 부착되도록 한 뒤, 45분간 5분 간격으로 시료를 채취하여 분석하였다. 시간별 시료에 어떠한 처리도 하지 않은 실험군과 시료에 2% 클로로포름을 처리하여 인위적으로 숙주 세균의 세포막을 깨트려준 실험군을 적정 농도로 희석 후 standard plaque assay로 파지 입자의 농도를 확인하여 파지의 생장 곡선을 확인하였다.
실험예 1-4. 파지 SME50의 숙주 세균 사멸능 확인
초기 대수기에 있는 숙주 세균 배양액에 파지 SME50을 MOI 0.1, 1, 그리고 10이 되도록 감염하였다. Microplate reader (Spark®, Tecan) 기계를 이용하여 12시간 동안 30분 단위로 시료의 흡광도 값을 측정하여 SME50이 숙주 세균을 얼마나 우수히 저해하는지 확인하였다.
실험예 1-5. 파지 SME50의 유전체 분석
파지 SME50 스탁을 이용하여 파지의 dsDNA를 추출하여 Illumina Miseq (Illumina, San Diego, Ca)을 이용하여 차세대 염기서열 분석을 진행했다. 분석된 서열조각들은 SPAdes (v. 3.13.0)를 이용하여 하나의 contig로 조립하였으며, 완성된 contig를 GenemarkS, FgenesB (softberry), and Glimmer3 (Besemer, Lomsadze, & Borodovsky, 2001; Delcher, Bratke, Powers, & Salzberg, 2007)와 같은 생물정보학적 툴을 이용하여 ORF (Open reading frame)를 분석했다. 파지가 가지고 있는 tRNA는 tRNA-ScanSE를 이용하여 분석되었고, 유전자의 기능은 NCBI BLASTp와 InterProScan database를 활용하여 분석되었다. GeneScene 소프트웨어를 이용하여 유전체 지도를 가시화하였다. 파지 SME50의 전체 유전체 서열은 NCBI Genbank에 기탁되었다 (accession number MT887289).
실험예 1-6. 꿀벌부채명나방 유충을 이용한 생체 내 감염 모델
250~300 mg의 5주령 꿀벌부채명나방 유충을 선별하여 24시간 동안 37℃에서 먹이를 주지 않은 상태를 유지하였다가 실험에 이용하였다. 배양한 숙주 균주를 PBS로 3번 세척하고 2.5 x 105 CFU/유충이 되도록 맞춘 후, 유충 한 마리 당 5 ul를 뒷다리를 통해 주입하였다. 동량의 파지 용액을 MOI 20으로 조절한 후 유충의 반대편 뒷다리에 균 감염 30분 전후로 주입하여 파지의 균 감염 예방 및 치료 효과를 알아보았다. 균의 대조군으로는 PBS, 파지의 대조군으로는 SM 버퍼를 주입하였다. 모든 실험군은 37℃에서 144시간 동안 24시간 주기로 관찰하였다.
실험예 1-7. 식품에서의 파지 SME50의 항균 활성
실험에 사용된 로메인 상추는 실험 전 2 x 2 cm2로 절단하여 증류수와 70% 에탄올로 세척하여 기타 외부 균의 감염을 배제하였다. 이후 증류수로 한 번 더 세척한 후 40분간 생물안전작업대에서 자연 건조한 후 사용하였다. 대장균 O157:H7 ATCC 43890 혹은 시겔라 플렉시너리 2a strain 2457T를 로메인상추의 표면에 오염시킨 후 40분간 건조하였다. 이후, 파지 SME50을 MOI 104 혹은 103의 농도로 맞추어 처리한 후 4℃에서 보관하며 0, 2, 4, 6, 8, 10, 24, 48, 그리고 72시간에서의 오염된 균의 정도를 LB 한천 배지를 이용하여 확인하였다.
인위적으로 오염된 우유 모델의 경우, 멸균 우유 20 ml에 대장균 O157:H7 ATCC 43890 혹은 시겔라 플렉시너리 2a strain 2457T를 오염시키고, 파지 SME50을 MOI 104 혹은 103으로 감염시켜 파지의 균 저해 효과를 관찰하였다. 4 혹은 25℃에서 보관하며 0, 2, 4, 6, 8, 10, 24, 48, 그리고 72시간에서의 오염된 균의 정도를 LB 한천 배지를 이용하여 확인하였다. 로메인 상추와 우유 모델에서 모두 파지를 처리하지 않은 대조군의 경우 파지 대신 동량의 SM 버퍼를 투여하였다.
실험예 2: 실험 결과
실험예 2-1. Myoviridae 과에 속하는 polyvalent 파지 SME50
하수 샘플에서 순수 분리한 파지 SME50을 다양한 그람 양성 및 그람 음성 세균에 대한 감염능을 확인해본 결과, 시험한 9개 중 8개의 대장균 O157:H7 균주 (88.9%)와 두 가지의 O157:NM 균주를 감염할 수 있었다 (미도시). 일반적으로 단일 파지는 하나의 종 혹은 속의 세균을 감염하는 매우 좁은 숙주 감염 범위를 가지는데, 본 발명의 파지 SME50은 대장균뿐만 아니라 두 가지의 시겔라 플렉시너리 균주를 동시에 감염할 수 있었으며, 그 EOP 또한 기준 균주인 대장균 O157:H7 ATCC 43890과 유사하게 나타났다. 반면에, 파지 SME50은 플렉시너리가 아닌 다른 시겔라 종과 기타 다른 그람 음성 및 양성균은 감염할 수 없는 특징을 지닌다. 이로써 신규 분리된 파지 SME50은 서로 다른 두 속의 균인 대장균 O157과 시겔라 플렉시너리를 감염할 수 있는 polyvalent한 파지임을 증명하였다. 그리고, 상기 파지 SME50은 2021년 07월 22일자로 생명공학연구소 유전자은행(korean collection for type cultures, KCTC)에 기탁번호 KCTC 14641BP 로 기탁하였다.
본 발명의 파지 SME50는 도 1에서 확인되는 바와 같이 파지 플락 (plaque)의 형상은 투명하며 덜 투명한 halo를 가진다. 또한, 투과전자현미경 관찰 결과 파지 SME50은 Myoviridae 과에 속하는 파지로 수축성 꼬리와 대칭형 머리를 가지는 것으로 확인되었다. 파지 머리의 지름은 66.15 ± 4.57 nm (n=12), 수축하지 않은 꼬리는 90.80 ± 11.03 nm (n=7), 그리고 수축한 상태의 꼬리는 40.64 ± 4.67 nm (n=2)인 것으로 나타났다.
실험예 2-2. 숙주 세균 내에서 우수한 증폭 능력을 지닌 파지 SME50
본 발명의 파지 SME50이 숙주 세균 내에서 높은 수준으로 증폭되는 양상을 one-step growth curve를 통해 알 수 있었다. 구체적으로 도 2에서 확인되는 바와 같이 증폭된 파지 입자들이 단 5분의 암흑기만에 생성되었고, 자연적으로는 20분의 잠복기만에 숙주 세균을 용해하고 분비되었다. 감염한 숙주 세균 당 증폭되어 나오는 양을 일컫는 용균 크기(burst size)는 약 650 PFU/ml로 매우 컸다.
또한, 도 3에서 확인되는 바와 같이 파지의 숙주 세균 사멸능을 다양한 MOI에서 확인한 결과, MOI 0.1, 1, 그리고 10에서 모두 우수히 숙주 세균인 대장균 O157:H7 ATCC 43890을 사멸할 수 있었다. 파지 SME50은 6시간까지 숙주 세균을 잘 저해할 수 있었다.
그리고, 도 4에서 확인되는 바와 같이 대장균과 마찬가지로 시겔라 플렉시너리 2a strain 2457T를 숙주 균주로 시험했을 때도 다양한 MOI의 파지가 우수한 사멸능을 가지는 것을 볼 수 있었다.
실험예 2-3. 파지 SME50의 높은 스트레스 환경에 대한 내성
파지 SME50을 37℃에서 2 에서 12 범위의 pH로 조정된 LB 배지에 한시간 동안 배양하였을 때, 숙주 세균에 대한 감염력은 중성에서 pH 7 까지는 비슷하게 유지되었다. 그러나, pH 4에서는 1-log 감소한 결과를 보였으며, 더 강한 산성인 pH 2와 3에서는 파지 SME50이 활성을 잃어 plaque를 형성하지 못하였다. 산성 환경과는 다르게 염기성 환경에서 SME50은 더 안정적인 양상을 보였다. pH 11까지 매우 안정적으로 숙주 세균을 감염하였고, pH 12에서는 감염력을 잃는 것을 확인하였다 (도 5).
파지 SME50은 넓은 온도 범위에서도 안정적으로 숙주 세균을 감염하는 것으로 나타났다. 구체적으로 도 6에서 확인되는 바와 같이, 숙주 세균에 대한 감염력은 4~60℃ 범위에서 안정적으로 유지되었고, 70℃에 한 시간 동안 노출된 파지는 10% 이상의 파지 입자들이 감염력을 유지하였다. 그러나, 더 높은 온도인 80℃에서는 모든 파지 입자들이 불활성화 되었다. 이처럼 넓은 범위의 pH와 온도 조건에서 숙주 세균에 대한 감염력을 유지하는 것은 다른 Myoviridae 과에 속하는 polyvalent 파지인 SFP10, SH7, 그리고 HY01과는 차별적인 특징이라 할 수 있다 (Hamdi et al., 2017; Lee et al., 2016; Park et al., 2012).
실험예 2-4. 파지 SME50의 유전체 분석
도 7에서 확인된 바와 같이, 파지 SME50은 총 90,298 bp의 뉴클레오타이드 (서열번호 1)를 가지며 38.9%의 염기서열이 구아닌과 사이토신으로 이루어져 있고, 총 138개의 ORF와 25개의 tRNA가 예측되었다. 총 95개 ORF(67%)가 기능이 예측되지 않는 hypothetical 단백질을 암호화하여파지 SME50의 신규성을 뒷받침해준다. 파지 SME50의 유전체에서 용원성과 연관된 단백질인 integrase 또는 repressor 등이 발견되지 않았기에 이 파지는 용균성 파지임을 유전체 수준에서 입증할 수 있었다. 항생제 저항성 유전자나 독성에 연관된 유전자 또한 발견되지 않았다.
실험예 2-5. 꿀벌부채명나방 유충 감염 모델을 통한 파지 SME50의 균 감염 치료 및 예방 효과 확인
숙주 균주 감염에 대한 파지 SME50의 치료 및 예방 효과를 생체내 환경에서 알아보고자 꿀벌부채명나방 (Galleria mellonella)의 유충 감염 모델을 활용하였다.
그 결과, 도 8에서 확인된 바와 같이, 먼저 숙주 세균인 대장균 O157:H7 ATCC 43890을 꿀벌부채명나방 유충의 복각에 주입하였을 때, 80% 이상의 유충이 멜라닌화 되면서 하루 안에 죽었으며, 실험에 사용한 유충의 10%만이 실험이 끝날 때까지 살아남았다. 반면에, 파지 SME50을 MOI 20으로 균 감염 30분 후에 주입하였을 때, 실험이 종료되는 144시간까지 모든 유충이 살아남는 결과를 보였다. 이는 파지 SME50은 대장균 O157:H7 감염에 대한 치료 효과가 있음을 시사한다.
위의 실험에 추가적으로 파지 (MOI 20)를 균 감염 30분 전에 주입하여 균 감염에 대한 예방 효과를 알아보았다. 그 결과 도 9에서 확인되는 바와 같이, 파지를 투여한 그룹의 경우에는 100%의 유충이 실험이 끝나는 시점인 144시간까지 생존하는 결과를 보였다. 이러한 결과는 파지 SME50이 대장균 O157:H7 감염에 대해 치료 효과뿐만 아니라 예방 효과까지 가져올 수 있음을 말해준다. 더불어, 파지 SME50이 꿀벌부채명나방에 독성을 나타내는지 알아보기 위해 병원성균 대신에 PBS를 처리하고 파지를 처리한 경우 실험에 사용된 모든 유충이 144시간까지 생존하는 것을 통해 파지 자체에 독성이 없음을 확인하였다. 꿀벌부채명나방 유충을 이용한 생체 내 감염 실험을 통해 파지의 무독성을 증명하고, 생체내에서의 대장균 O157:H7에 대한 강력한 제어 활성을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 향후 파지 SME50이 생체내 감염에 대항할 안전한 항균제로의 가능성을 시사한다.
실험예 2-6. 식품 모델을 통한 식품 항균제로서의 가능성 검증
SME50의 식품 첨가제로 사용될 가능성을 알아보기 위해 실제 식품 모델에서의 항균 활성을 알아보았다.
로메인상추에 인위적으로 대장균 O157:H7 ATCC 43890을 감염하고 파지 용액을 처리하여 4℃에서 보관한 결과대장균 수를 현저히 감소시킬 수 있었다 (도 10). 로메인상추의 유통기한을 고려하여 파지 처리 후 3일까지 관찰한 결과, 감소한 균은 72시간까지 유지됨을 알 수 있었다.
동일하게 시겔라 플렉시너리 2a strain 2457T 균주를 인위적으로 감염하고 파지 SME50을 처리하여 그 효과를 알아본 결과, 파지 처리 6시간 후 오염된 시겔라 균은 1.16-log, 72시간 후 1.92-log 감소한 것으로 나타났다 (도 11).
대장균 O157:H7이 오염된 우유에 파지 SME50을 MOI 104로 처리한 후 4℃에서 보관하였을 때, 대장균 수는 2시간만에 5.48에서 2.75 log CFU/ml로 감소하였으며, 6시간 째에는 2.36 log로 감소하였다 (도 12). 우유에 인위적으로 시겔라 플렉시너리 균주를 감염한 후 파지를 MOI 104로 처리하고 4℃에서 보관하였을 때, 오염된 시겔라 균주는 파지 처리 10시간 후 5.23 에서 3.26 log CFU/ml로 감소하였고, 72시간 이후에는 2.14 log CFU/ml에 도달하였다 (도 13). 또한, 우유를 냉장 보관하지 않은 경우를 모방하기 위하여 우유에 대장균 O157:H7 ATCC 43890을 인위적으로 감염한 후 파지 SME50을 MOI 104 농도로 처리 후 25℃에서 보관 및 관찰하였다. 그 결과, 파지를 처리한 실험군의 경우 대장균이 더 자라지 않고 2시간 째에 1-log 감소하는 양상을 보였지만, 파지를 처리하지 않은 대조군의 경우 시간이 지남에 따라 균이 계속해서 성장하는 양상을 보였다 (도 14).
상기한 결과들을 통해 본 발명의 파지 SME50은 대표적인 식중독균인 대장균 O157:H7과 시겔라 플렉시너리를 동시에 저해할 수 있고, 이를 이용하여 항균제, 식품첨가제, 사료첨가제, 대장균 또는 시겔라속 균에 의해 유발되는 질환의 예방 또는 치료용 약학적 조성물 등으로 활용할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
기탁기관명 : 한국생명공학연구원
수탁번호 : KCTC14641BP
수탁일자 : 20210722
<110> Industry-Academic Cooperation Foundation, Yonsei University <120> Bacteriophage having killing activity specific to Escherichia coli or Shigella <130> PN210142 <160> 1 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 90298 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Bacteriophage SME50 <400> 1 atgacctatc aagacttctt agcttctttc aaactagaaa ggtttgttca gattgctggg 60 agcactatga cgggggattt aggtattgtc aagttacttt acggtggtaa ggctgtattt 120 gacccaacag attcttctga gattactatt ggggatattt taaagacttt taaaattaac 180 tcaaatggtc ttaaactcac tattgcagat gcttcaaggt cggcaactgt ttatcatact 240 ttgaataaac caagccctaa tgaacttggt atgagaacta atgaagagaa tgatgcaaga 300 tatgcaaggc ttgctgtcac aaataacttc agcattaggc aagcaatcgt aactgatggt 360 gagcagttaa ctcttaagaa ggcaaccaat gcaggtgctt catatattca aggtagagat 420 gctaataatc agcaaacttg gtatgttgga cagggaaatg caaacagtac taatgtttat 480 ttgtacaatc atgctactgg tgcaatgtta acccttgatg caacagcagc atttaataag 540 tcacttagaa tcactggtca agtccaacct tcagatttct ctaacttaga tgctagatac 600 tttactcaga 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Claims (13)

  1. 대장균 또는 시겔라속(Shigella) 균에 특이적 사멸능을 갖는 박테리오파지 (기탁번호: KCTC 14641BP).
  2. 제 1항에 있어서, 상기 박테리오파지는 서열번호 1의 염기서열로 표시되는 유전체를 갖는 박테리오파지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 대장균은 대장균 O157:H7 인 박테리오파지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 시겔라속(Shigella) 균은 시겔라 플렉스너리 (Shigella flexneri)인 박테리오파지.
  5. 제1항의 박테리오파지 또는 이의 배양물을 유효성분으로 함유하는 항균제.
  6. 제5항에 있어서, 상기 항균제는 대장균 또는 시겔라속(Shigella) 균을 사멸시키는 것인 항균제.
  7. 제6항에 있어서, 상기 대장균은 대장균 O157:H7 인 항균제.
  8. 제6항에 있어서, 상기 시겔라속(Shigella) 균은 시겔라 플렉스너리 (Shigella flexneri)인 항균제.
  9. 제1항의 박테리오파지 또는 이의 배양물을 유효성분으로 함유하는 대장균 또는 시겔라속 균에 의해 유발되는 질환의 예방 또는 치료용 약학적 조성물.
  10. 제9항에 있어서, 상기 대장균에 의해 유발되는 질환은 대장균 감염증인 약학적 조성물.
  11. 제9항에 있어서, 상기 시겔라속 균에 의해 유발되는 질환은 세균성 이질인 약학적 조성물.
  12. 제1항의 박테리오파지 또는 이의 배양물을 유효성분으로 함유하는 사료첨가제.
  13. 제1항의 박테리오파지 또는 이의 배양물을 유효성분으로 함유하는 식품첨가제.
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