Metagenomic analysis to reveal antibiotic resistome, virulome, and microbiome along the entire pork supply chain

Abstract

돈육은 전세계적으로 많이 소비되는 축산물인 한편, 사육, 도축, 가공 및 유통 과정에서 항생제 내성 및 독성인자들의 오염 및 전파가 이루어지는 식품이다. 돈육의 안전성을 확보하기 위해 생산과정 전반의 총체적 유전체 연구 및 관리의 필요성이 대두되고 있지만, 현재까지 이에 대한 연구는 특정 항생제 내성균이나 유전자, 단계(양돈장 또는 도축장)를 대상으로 수행되었다. 본 연구는 양돈장부터 도축장, 가공장 및 소매업체까지의 전 과정을 추적하여 돈육(돼지, 도체, 유통제품)과 유관 환경 시료(분변, 먹이, 칼, 장갑, 작업대 등)를 수집하고, 샷건 메타게놈 분석기술을 기반으로 총 26건의 시료에 대하여 항생제 내성 유전자, 독성인자, 미생물 군집의 조성과 다양성을 조사하고자 하였다. 전체 시료에서 33종의 항생제 계열과 관련된 466종의 항생제 내성 유전자가 확인되었으며, tetracycline과 관련된 항생제 내성 유전자가 13.57%로 가장 높은 비율을 차지했다. 가장 많은 양의 항생제 내성 유전자가 발견된 단계는 양돈장이며, 그 중에서도 양돈장 장갑에서 전체 항생제 내성 유전자 양의 14.55%로 가장 많고 다양한 항생제 내성 유전자가 확인되었다. 가공장 돈육(도체)에서 항생제 내성 유전자가 검출되지 않은 반면 최종 유통 제품에선 검출되었는데, 이는 가공 이후 단계인 유통, 보관 과정에서의 오염 가능성을 시사한다. 최종 제품에서 검출된 항생제 내성 유전자는 모두 이동성 유전 요소와 관련 있으며 이전 단계(양돈장, 도축장, 가공장)에서도 발견되었다. 본 연구에서 검출된 항생제 내성 유전자에서 총 8개의 내성 기전이 확인되었으며 항생제 불활성화와 관련된 유전자가 가장 많았다. 독성인자의 경우 총 91종의 관련 유전자가 검출되었고 도축장의 장갑에서 28.53%로 가장 많은 비율로 존재했다. 돈육의 미생물 구성은 각 단계에 따라 미생물 구성이 서로 다르게 나타났으며 항생제 내성균인 Acinetobacter와 Pseudomonas가 전체 시료에서 가장 우세한 속으로 나타났다. 항생제 내성 유전체 및 미생물 군집의 분포 및 다양성 분석 결과, 같은 단계의 돈육과 환경 시료 간 유사한 경향이 나타났으며 이는 돈육과 환경 시료의 미생물학적 상호작용 가능성을 시사하였다. 본 연구는 샷건 돈육 생산과정 전반에서 각 단계의 돈육 및 이와 관련된 환경 시료의 유전체 및 미생물 군집 등 총체적인 미생물학적 정보를 제공하며 최종 유통 제품의 항생제 내성 유전자, 독성인자 등의 미생물학적 오염을 최소화하기 위한 적절한 안전 관리 방안 수립에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.;Pigs, being the livestock with the highest antibiotic usage, are prone to diverse microbial contamination throughout the entire production process. Therefore, microbial analysis and subsequent safety management based on it are imperative. In this study, we investigated antibiotic resistance genes (ARGs), virulence factors (VFs), bacterial composition, and diversity in samples including pork and related environments (e.g., feces, feed, knives, gloves, and worktables) of the pig farm, slaughterhouse, processing plant, and retail store using shotgun metagenomic sequencing. In the entire sample set, 33 drug classes and 466 types of ARGs were identified, with tetracycline-related ARGs being the most predominant. The stage with the highest quantity of identified ARGs was the pig farm; particularly, the swine farm gloves had the most abundant (14.55%) and diverse ARGs. ARGs were not detected in the pork at the processing plant, whereas they were detected in the final product, highlighting the potential for contamination during subsequent stages such as distribution and storage. The ARGs detected in the final product were associated with mobile genetic elements (MGEs) and were found to be present in previous stages as well. A total of 8 resistance mechanisms, including antibiotic inactivation, were identified. A total of 91 VF-related genes belonging to 53 different families were detected, with the highest abundance observed in the slaughterhouse glove. The antibiotic-resistant bacteria (ARB) Acinetobacter and Pseudomonas were the most predominant genera in the entire sample set. The analysis of the resistome and microbiome revealed a similar pattern between pork and environmental samples at the same stage. These findings contribute to broadening our understanding of ARGs, VFs, and ARBs in pork and related environmental samples analyzed along the swine production stages, aiding in the establishment of management strategies to enhance safety within this supply chain.