천일염에서 분리한 극호염성 고균의 다상분류학적 분석

Abstract

극호염성 고균은 높은 염도의 환경에서 최적 생장을 하는 미생물로, 이들의 대사산물과 단백질은 고염의 환경에서 안정하다는 특징이 있어 산업적 활용 가치가 높다. 특히 이들이 생성하는 효소는 염 기반의 공정에 적합하며 가스소포와 S-층 당단백질은 극한 환경에서도 안정하기 때문에 바이오센싱, 분자영상학 등 나노바이오테크놀로지 분야에서도 높은 잠재적 활용 가치를 가지고 있다. 이러한 점에 기반하여 본 연구에서는 천일염으로부터 극호염성 고균을 발굴하여 다상분류학적 특성 및 유전체 분석을 통해 분류학적으로 신종 미생물임을 확인하였으며, 산업적 활용과 관련된 연구의 기초 자료를 마련하고자 하였다. 다상분류학적 특성 분석을 통해 신종 미생물인 Haloplanus rubicundus CBA1112T와 CBA1113 균주는 그람 음성, 통성 혐기성, 다형성 고균이며 0.45–0.6 μm 길이의 세포를 가지며 0.2–1.0 mm 지름의 붉은색 군락을 이루는 미생물로 확인되었다. 또한 신종 고균은 15-20% NaCl 농도, 35-45℃의 온도, pH 7의 조건에서 최적 생장을 하는 것을 확인하였으며 이 밖에도 NaCl 농도, 온도, pH 생장 가능 범위와 혐기적 조건에서 사용하는 전자 수용체, 가수분해할 수 있는 물질, 항생제 감수성, 활용 가능한 탄소원 등의 특성을 확인하였다. 신종 고균의 전장 유전체를 분석한 결과 3.3-3.4 Mbp, 66.0-66.5 mol%의 G+C함량, 약 3,500-3,800개의 유전자를 가지고 있는 것으로 나타났다. 16S rRNA 유전자, rpoB 유전자, 다좌위 서열(multilocus sequence)을 기반으로 계통분류학적 분석을 수행한 결과 Haloplanus 속의 균주들과 가장 높은 유전자 상동성을 나타내었으며 계통수에서도 함께 무리를 형성하였고 전장 유전체 서열을 이용하여 유사성을 비교한 결과 타 Haloplanus 균주들과 90% 이하의 OrthoANI(Orthologous Average Nucleotide Identity) 상동성을 나타내고, 70% 미만의 isDDH 값을 나타내어 CBA1112T와 CBA1113 균주는 Haloplanus 속에 해당하나 기존 Haloplanus 종에는 속하지 않음을 확인하였다. 또한 근연 미생물인 Haloplanus 속의 4종에 속하는 균주들과 비교유전체 분석을 수행한 결과 복제, 재조합, 수선 COG 카테고리와 아미노산 수송 및 대사 KEGG 카테고리에 속하는 유전자들을 가장 많이 공유하고 있었으며 복제, 재조합, 수선 COG 카테고리와 복제 및 수선 KEGG 카테고리(CBA1112T)와 아미노산 대사 KEGG 카테고리(CBA1113)에 속하는 균주 특이적 유전자를 가장 많이 가지고 있음을 확인하였다. 두 신종 균주와 고염 환경과의 관련성을 알아보기 위해 신종 균주의 전장 유전체와 다양한 염도의 염전 메타게놈의 fragment recruitment 분석을 수행한 결과 신종 균주의 생장 범위에 포함되지 않는 염도의 메타게놈에서는 신종 균주들과 alignment 비율이 낮은 반면 최적 생장 범위 내 염도의 메타게놈에서는 비율이 가장 높은 결과를 보여 최적 생장 염도의 메타게놈 미생물들과 가장 많은 유전자를 공유함을 알 수 있었다. 본 연구에서는 천일염에서 신종 미생물을 발굴하여 다상분류학적 및 유전체 서열 분석 결과를 제시하였고 이들 데이터는 이후 Haloplanus rubicundus의 식품산업기반 및 생물공학적 연구를 위한 기초 자료로 활용될 것으로 사료된다.;Two extremely halophilic archaea strains, CBA1112T and CBA1113, were isolated from solar salt in Korea. The genome sizes and G+C content of CBA1112T and CBA1113 were 3.77 and 3.53 Mb, and 66.0 and 66.5 mol%, respectively. Phylogenetic analysis based on closely related taxa and environmental Haloplanus sequences indicated that both CBA1112T and CBA1113 strains are grouped within the genus Haloplanus. OrthoANI and in silico DNA-DNA hybridization values were below the species delineation threshold. Pan-genomic analysis showed that the two novel strains and four reference strains had 6,203 pan-orthologous groups in total. Six Haloplanus strains shared 1,728 core pan-genome orthologous groups, which were mainly associated with amino acid transport and metabolism and translation, ribosomal structure and biogenesis categories, and amino acid metabolism and carbohydrate metabolism related categories. The novel strain-specific pan-genome orthologous groups were mainly involved with replication, recombination and repair category and replication and repair pathway or amino acid metabolism pathway. Cells of both strains were Gram-negative and pleomorphic, and colonies were red-pigmented. The major polar lipids of both strains were phosphatidylglycerol, phosphatidylglycerol phosphate methyl ester, phosphatidylglycerol sulfate, and one glycolipid, sulfated mannosyl glucosyl diether. Based on genomic, phylogenetic, phenotypic, and chemotaxonomic features, strains CBA1112T and CBA1113 are described as novel species of the genus Haloplanus. Thus, we propose the name Haloplanus rubicundus sp. nov. The type strain is CBA1112T (=KCCM 43224T=JCM 30475T).