01 차세대 유전체 염기서열 해독기술을 이용한 마이크로바이옴 연구



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마이크로바이옴(microbiome, ‘미생물군유전체’)은 미생물군집(microbiota)와 유전체(genome)의 합성어로 특정 환경(식품, 인체, 동·식물, 환경 등)에 존재하는 미생물 군집과 그 유전체 전체를 의미한다.

최근 차세대 염기서열 해독기술(Next generation sequencing, NGS)의 혁신적인 발달을 통해 효율적인 마이크로바이옴 연구가 가능해졌다. 차세대 염기서열 해독기술은 대량의 미생물의 유전적 염기서열 정보를 기존의 전통적인 방법들에 비해 고효율, 저비용으로 분석할 수 있는 기술이다. 미생물의 생체 정보는 DNA 염기서열로 표현되기 때문에 DNA 염기서열 정보는 생명현상을 이해하는데 매우 주요한 열쇠가 될 수 있다. 염기서열 정보를 기반으로 같은 균종 내에서도 미미한 유전자 차이에 의해 미생물의 구별이 가능하며, 유전자 발현, 유전자 다양성 및 그 상호작용 등의 정보들을 다양한 연구 분야에 활용할 수 있기 때문에 차세대 염기서열 해독기술은 강력한 연구 방법으로 생각되고 있다.

본 연구실에서는 Illumina miseq platform을 이용하여 염기서열 분석을, QIIME 시스템을 이용하여 생물정보를 분석하는 연구를 수행하고 있다. 특히 시료 채취부터 library preparation, sequencing, bioinformatics, data 분석까지 마이크로바이옴 전 단계를 독자적으로 수행할 수 있는 시스템을 갖추고 있는 것이 본 연구실의 가장 큰 장점이다.

구체적으로 사람의 장내 균총 개선을 위한 기능성 식품 개발, 농축수산물의 효율 및 안전성 확보를 위한 사료 및 환경 개발, 장관 미생물의 스트레스 반응 분석 및 유전적 메커니즘 규명, 고효율 선택적 살균공정 개발과 같은 연구를 수행하고 있다. 마이크로바이옴 연구는 인체 연구에서부터 시작하여 식품안전과 마이크로바이옴을 연계한 연구는 다소 미흡한 실정이다. 본 연구실에서는 마이크로바이옴 연구를 식품안전과 연계하여 실험적 방법을 확립하고 연구를 발전시켜 국내외를 선도하는 연구를 수행하고자 한다.

 

대표 연구 실적:

Kim, S.A. et al. 2017. Assessment of Individual Chicken Carcass Microbiome Responses During Processing in the Presence of Commercial Antimicrobials Using a Next Generation Sequencing Approach. Scientific Reports. 7, 43354. doi: 10.1038/srep43354.

Kim, S.A. et al. 2018. Ability of Arkansas LaKast and LaKast Hybrid Rice Bran to Control Salmonella Typhimurium in Chicken Ceca and Effects on Cecal Microbiota. Frontiers in Microbiology. 9, 134. doi: 10.3389/fmicb.2018.00134.

Jang, M.J. et al. 2021. Microbial ecology of alfalfa, radish, and rapeseed sprouts based on culture methods and 16S rRNA microbiome sequencing. Food Research International. 144, 110316. doi: 10.1016/j.foodres.2021.110316

02 식품의 미생물학적 안전성 확보 및 저장성 증진 기술 개발



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식품 중 위해미생물을 제어하여 안전성을 확보하는 것은 경제적 이익을 산출하기보다는 피해를 미연에 방지하는데 목적이 있다. 식품의 안전성 확보를 위한 효과적인 기술 도입을 위해서는 공정 개발 및 관리에 드는 비용을 최소화하고 살균효과를 최대화할 수 있는 저비용 고효율 범용 살균 기술 개발이 필요하다.

한편 식품 산업에서 사용되고 있는 화학적 합성물질은 위해미생물을 비교적 효율적으로 제어할 수 있으나 인체 건강에 해로우며 소비자 거부로 인한 문제가 있다. 반면 천연항균물질은 화학적 합성물질에 비해 매우 미미한 항균효과로 실효성이 낮아 실제 농·축가 및 산업 현장에 적용이 제한적인 실정이다. 이러한 단점을 보완하여 화학적 살균제를 대체할 수 있는 천연유래의 살균·세척제를 이용한 고효율 살균기술을 개발한다면 식품의 안전성을 확보할 수 있으며, 이로 인해 관련 식품 산업에서의 직접적 경제효과와 함께 국민 보건 향상이 가능하다.

본 연구실에서는 새로운 살균제 개발 및 기작 규명을 목표로 구체적으로는 식품의 내재적 특성(염도, pH, 알코올함량), 식품의 생산·가공 조건(블렌칭, 온도, 습도, 가열 살균, 건조 등), 저장 조건(포장재, 공기 조성, 온도 등)을 고려하여 생산·가공·저장의 단위 공정의 조작을 통해 위해요소를 제거함으로써 품질 및 저장성이 향상된 식품 생산 기술을 개발하고자 한다.

 

대표 연구 실적:

Kim, S.A. and Rhee, M.S. 2013. Marked Synergistic Bactericidal Effects and Mode of Action of Medium Chain Fatty Acids in Combination with Organic Acids on Escherichia coli O157:H7. Applied and Environmental Microbiology. 79, 65526560. (Spotlight Nominee, a feature in the Journal highlighting research articles in the upcoming issue that have been deemed of significant interest)

Kim, S.A. and Rhee, M.S. 2015. Predictive Model and Optimization of a Combined Treatment of Caprylic Acid and Citric Acid for the Reduction of Escherichia coli O157:H7 using the Response Surface Methodology. International Journal of Food Microbiology. 197, 914.

03 개인위생 연구 및 보건 향상



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손씻기 등 개인위생은 식품안전에 있어 매우 중요한 부분을 차지하며, 비누, 치약과 같은 개인위생 제품에 첨가되는 항균 물질에 대한 효능과 안전성 검증은 산업 및 소비자에게 주요한 이슈이다. 이 분야의 대표적인 연구로, 식중독세균을 포함한 20균주를 대상으로 트리클로산 및 트리클로카르반의 비누 내 실질적 항균효과를 FDA 권고 실험법으로 모색(in vitro, in vivo)하고 이들의 효능과 안전성을 평가하였다. 항균비누의 평가에 그치지 않고 개인위생 제품에 첨가 가능하며 안전성 및 그 효능이 트리클로산/트리클로카르반보다 우수한 천연물질 유래의 항균소재를 개발한 바 있다. 본 연구실에서는 향후 천연유래의 항균소재를 추가 발굴하여 개인위생 확보 및 국민보건 향상을 위한 연구를 수행하고자 한다.

 

대표 연구 실적:

Kim, S.A. and Rhee, M.S. 2016. Antibacterial Activity of Caprylic Acid for Potential Application as an Active Antiseptic Ingredient in Consumer Antiseptics. International Journal of Antimicrobial Agents. 48, 765767.

Kim, S.A. et al. 2015. Bactericidal Effects of Triclosan in Soap both In Vitro and In Vivo. Journal of Antimicrobial Chemotherapy. 70, 33453352.

04 식품 중 미생물의 생리적·병인학적 특성 연구



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자연계에 널리 존재하는 위해미생물은 자연의 순환 과정에서 다양한 환경 인자에 노출되게 된다. 특히 식품을 주요 매개로 하는 위해미생물의 경우에는 가공, 유통, 저장, 섭취 단계에서 열, 건조, 산과 같은 스트레스 환경에 필연적으로 노출되며 환경 인자에 노출된 위해미생물은 식품, , 기구 등을 통해 전파·오염되고 섭취를 통한 감염이나 병원에서의 임상적 감염 등 다양한 경로로 질병이 발생할 수 있다. 본 연구실에서는 위해미생물의 생리/생화학적 특성, 스트레스 반응 연구를 수행하고자 하며, 특히 식품의 순환 중 주요 환경 인자가 위해미생물의 병인학적 특성에 미치는 영향을 탐색하고자 한다.

 

대표 연구 실적:

Kim, S.A. et al. M.S. 2014. Fate of Major Foodborne Pathogens and Bacillus cereus Spores in Sterilized and Nonsterilized Korean Turbid Rice Wine (Makgeolli). Food Control. 39, 139145.

Kim, S.A. et al. 2014. Survival of Foodborne Pathogenic Bacteria (Bacillus cereus, Escherichia coli O157:H7, Salmonella enterica serovar Typhimurium, Staphylococcus aureus, and Listeria monocytogenes) and B. cereus Spore in Fermented Alcoholic Beverages (Beer and Refined Rice Wine). Journal of Food Protection. 77, 419426.

05 식품 내 위해미생물의 고효율·신속 검출법 개발



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위해미생물에 의한 질병 예방 및 오염 현황 파악을 위하여 식품 중 위해미생물을 검출하는 기술은 매우 중요합니다. 위해미생물의 분석을 위하여 일반적으로 한천 평판 배양법이나 최확수 측정법 등을 이용하고 있습니다. 하지만 전통적인 방법들은 다량의 시료가 필요하며 실험 수행에 배지 및 시약, 노동력이 요구되고 있으며 실험을 숙지한 전문가가 수행해야 한다는 단점으로 산업 현장에서 적용하는데 부담을 주고 있습니다. 본 연구실에서는 1) 새롭게 출현하는 위해미생물의 분리·동정법 개발-회복력, 선택성, 분리능 시험을 통한 확인·검증, 2) 식품 타입별 위해미생물 간이·신속 검출법 개발, 3) 비파괴 신속 검출 센서 개발, 4) 개발된 시험법의 재현성 및 산업 적용성 검증 연구를 수행하고자 합니다.

 

대표 연구 실적:

Kim, S.A. et al. 2017. Development of a Rapid Method to Quantify Salmonella Typhimurium using a Combination of MPN with qPCR and a Shortened Time Incubation, Food Microbiology. 65, 118.

Kim, S.A. et al. 2017. Rapid and Simple Method by Combining FTACard DNA Extraction with the Adaptation of a Two Set Multiplex PCR for Simultaneous Detection of Non-O157 Shiga-Toxin Producing Escherichia coli Strains and Virulence Genes from Food Samples. Letters in Applied Microbiology. 65, 482488.

06 식품 중 미생물 오염도 분석



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본 연구실에서는 유통식품뿐만 아니라 실제 제조 공장을 방문하여 각 단계에서의 시료를 채취하여 다양한 미생물(위생지표세균, 식중독세균 등의 정량분석 및 정성분석, 대상 미생물은 위 사진 참고)을 대상으로 총체적 위해분석을 수행하고 있다. 이를 통해 식품 중 고위해 식품의 탐색, 특정 식품 중 주요 관리가 필요한 식중독세균 탐색, 식중독세균의 다양한 오염경로를 추적하고 있다. 또한 생산부터 섭취까지의 전 단계에서의 식품 내 미생물 변화를 분석함으로써 주요 관리가 필요한 공정을 모색하고 있다. 추후에는 마이크로바이옴과 접목하여 타겟 미생물의 검출뿐만 아니라 시료 내 존재하는 모든 미생물에 대한 총체적인 정보를 획득하는 연구를 수행하고자 한다.

 

대표 연구 실적:

Kim, S.A. et al. 2017. Changes in Microbial Composition and the Prevalence of Foodborne Pathogens in Crab Marinated in Soy Sauce Produced by Six Manufacturing Plants. Journal of the Science of Food and Agriculture. 97, 17611767.

Kim, S.A. et al. 2015. Changes in the Microbial Composition of Microbrewed Beer during the Process in Actual Manufacturing Line, Journal of Food Protection. 78, 22332239.

연구과제

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