서론
Bacillus 균주는 자연계에 널리 분포되어 있으며, 열악한 환경에서도 잘 성장한다. 또한, 환경이 불리한 조건이 되면 내생포자를 형성하여 장기간 생존이 가능하다. Bacillus 균주 중에 2종, antrax를 생산하는 B. anthracis와 식중독을 야기하는 B. cereus가 병원성 균주로 알려져 있다. 다른 한편으로, 다양한 Bacillus 균주들은 산업적으로 유용하게 활용되고 있다. 특히, B. amyloliquefaciens는 banase를 생산하며[16], Bacillus subtilis (natto)는 나토 제조 균주로써 잘 알려져 있다[19].
Bacillus 균주는 우리의 일상생활에서 유산균과 유사하게 다양한 용도로 사용되어져 오고 있다. 대표적인 예로써 청국장 제조에 사용되는 B. subtilis K26은 단백질과 섬유소 분해 능력이 우수한 것으로 알려져 있어 해삼발효에 활용되기도 하였다[12]. 청국장의 발효과정에서 과분해로 유발되는 악취의 감소를 유도할 수 있는 균주의 개발이나 발효조건을 조절하는 것과 같은 방법에 의해 악취를 저감하는 방법들을 유도하고 있다[12]. B. velezensis K10은 프로바이오틱스로써 산업적 활용 시 균주 식별용 분자마커 개발이 실시되었다[13]. B. velezensis K10의 유전체 특성을 분석하는 과정에서 특이적인 양상은 유전자상에는 다양한 protease 유전자 및 섬유소 분해 효소들을 보유했지만, 한천배지에서 효소 활성을 분석할 때 전혀 활성이 나타나지 않는 것으로 관찰되었다[12]. 이와 같은 양상은 본 균주가 고체상 배지에서는 효소 활성이 전혀 없거나 생산되지 않는 것으로 추정된다. 본 결과는 메주나 청국장의 제조에 사용되는 B. subtilis K26 균주와 비교할 때 매우 특이적인 양상인 것으로 보인다.
따라서 본 연구에서는 프로바이오틱스로써 활용하기 위해 Bacillus 균주만으로 한정하여 한천배지상에서 carboxymethyl cellulose (CMC) 및 protease 활성에 대해 스크리닝을 실시한 후, 액체배양된 상등액을 통해 B. velezensis K10 및 B. velezensis 표준균주와 각종 효소 활성 및 기능성 분석을 실시하였다.
재료 및 방법
실험재료
본 연구에 사용된 굼벵이는 F&G 바이오에서 구입하여 장내 미생물 분리에 사용하였다. 표준균주인 Bacillus velezensis KACC10334는 씨앗은행(https://genebank.rda.go.kr/initMain.do)에서 분양받았으며, L. plantarum K9 실험실에 보관 중인 균주를 사용하였다. 또한, Paenibacillus spp.93은 본 연구의 수행 중에 분리된 균주이다. 본 연구에서 사용된 Bacillus 분리용 배지로써 CMCase를 위해서는 기존 연구된 배지를 약간 변형한 TY-CMC (0.5% trypton, 0.5% yeast ext, 0.1% CaCl2, 0.5% CMC, 1.5% agar)를 사용하였다[9]. Protease 스크리닝을 위해서는 nutrient gelatin 배지를 약간 변형하여 nutrient skim milk 배지(0.3% Beef extract (BD Difco, Grenoble, France), 0.5% Peptone (BD Difco), 1.0% skim milk (WAKO, Osaka, Japan))을 제조하여 사용하였다. Bacillus 균주의 액체 배양을 위해서는 Luria-Bertani (LB) 또는 Nutrient broth (NB) (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA)의 배지를 사용하였다.
CMCase 및 protease 스크리닝
구입된 굼벵이는 표면을 70% 에탄올로 세정한 후에 균질화되었다. 균질된 굼벵이는 phosphate-buffered saline(PBS) 완충액(pH 7.4)으로 10배 희석된 후에 50 ml LB 액체 배지에 1.0%로 접종하였다. 접종된 배지는 37℃에서 48시간 배양하였다. 배양 후 영양세포를 사멸시키기 위해 90℃에서 10분간 열처리하였다. 처리된 배양액은 적절하게 희석하여 LB 한천배지 상에서 100‒500 colony-forming unit (CFU)/plate가 되도록 도말한 후 37℃에서 24시간 배양하였다. 형성된 colony는 액체배양을 실시한 후 TY-CMC 한천배지에 7 mm cork borer로 hole을 형성하여 100 µl씩 점적하였다. 처리된 배지는 37℃에서 24시간 배양한 후 1.0% congo red를 처리하여 1‒2시간 동안 실온에 방치하였다. 형성된 노란색의 지름(cm; 노란색 환-hole 지름)을 측정하여 활성을 평가하였다[7].
CMCase로 1차 평가된 Bacillus 균주들은 protease 활성 평가를 위해 nutrient skim milk 한천배지에 7 mm cork borer로 hole을 형성하여 100 µl씩 점적하였다. 처리된 배지는 37℃에서 24시간 배양한 후 투명대의 지름(cm; 투명환-hole 지름)을 측정하여 활성을 평가하였다.
세포외 효소 활성 분석
CMCase는 100 µl 배양 상등액과 1.0% CMC를 포함하는 100 µl sodium citrate 완충액(pH 5.4)을 혼합한 후 37℃에서 1시간 반응하였다. CMCase 활성은 환원당 함량을 측정하는 DNS 방법에 의해 수행되었으며, 표준품은 포도당에 의해 수행되었다[5, 20].
Avicel activity는 100 µl 배양 상등액과 1.0% dyed avicel를 포함하는 100 µl sodium citrate 완충액(pH 5.4)을 혼합한 후 37℃에서 1시간 반응하였다. Avicel 활성은 환원당 함량을 측정하는 DNS 방법에 의해 수행되었으며, 표준품은 포도당에 의해 수행되었다[5, 20].
Cellobiase는 100 µl 배양 상등액과 1.0% dyed avicel를 포함하는 100 µl sodium citrate 완충액(pH 4.8)을 혼합한 후 37℃에서 1시간 반응하였다. Avicel 활성은 환원당 함량을 측정하는 DNS 방법에 의해 수행되었으며, 표준품은 포도당에 의해 수행되었다[5, 20].
Xylanase는 100 µl 배양 상등액과 1.0% xylan을 포함하는 100 µl sodium citrate 완충액(pH 5.4)을 혼합한 후 37℃에서 1시간 반응하였다. Xylanase 활성은 환원당 함량을 측정하는 DNS 방법에 의해 수행되었으며, 표준품은 xylose에 의해 수행되었다[5, 20].
Mannanase는 100 µl 배양 상등액과 1.0% mannose를 포함하는 100 µl sodium citrate 완충액(pH 5.4)을 혼합한 후 37℃에서 1시간 반응하였다. Xylanase 활성은 환원당 함량을 측정하는 DNS 방법에 의해 수행되었으며, 표준품은 mannose에 의해 수행되었다[5, 20].
자가 응집력 및 공응집력 분석
유산균은 MRS 배지에서 30 또는 37℃에서 24시간 배양한 후 4,000× g, 4℃에서 10분간 원심분리하여 상등액을 제거하였다. 수거된 세포는 PBS 완충액(pH 7.4)으로 2회 세척 후, 1/5 양의 PBS 완충액(pH 7.4)에 재현탁하여 600 nm에서 흡광도 값이 1.0이 되도록 조정하였다. 자가 응집력은 10초간 vortexing하여 5‒24시간 동안 방치하면서 상등액 일부를 분취한 후 흡광도를 측정하여 자가 응집력 분석을 실시하였다[5, 20].
자가 응집력(%) = (A0‒A1) × 100 / A0
A0: 시작 직후 600 nm 흡광도
A1: 각 해당 시간에 600 nm 흡광도
공응집력을 관찰하기 위해 사용된 병원성 미생물은 Salmonella Typhimurium (KCTC 12401) 및 Staphylococcus aureus (ATCC 6538)을 사용하여 실시하였다. 해당 균주들은 자가 응집력과 유사하게 배양한 후, 전처리 되었다. 수거된 균주 현탁액은 병원성 균주와 유산균을 각각 동량으로 혼합하여 600 nm에서 흡광도 값이 1.0이 되도록 조정하였다. 공응집력은 10초간 vortexing하여 5‒24시간 동안 방치하면서 상등액 일부를 분취한 후 흡광도를 측정하여 공응집력 분석을 실시하였다.
공응집력(%) = (A0‒A1) × 100 / A0
A0: 시작 직후 600 nm 흡광도
A1: 각 해당 시간에 600 nm 흡광도
Mucin 부착 능력 평가
돼지 위 type III mucin (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA)은 10 mg/ml로 PBS (pH 7.4)에 용해시켰다. 제조된 mucin 용액은 이전 수행된 연구 방법을 약간 수식하여 수행하였다[6, 18]. 간략히 서술하면, 1 mg/ml mucin을 microtiter plate에 처리하여 37℃에서 30분 처리 후, 4℃에서 16시간 방치하여 부착하였다. PBS 완충액으로 3회 세척 후 107 CFU/ml 대상 미생물을 첨가하여 실온에서 3시간 또는 37℃에서 24시간 반응하였다. 부착되지 않은 균주는 PBS 완충액으로 3회 세척하여 제거한 후, 100 ml 0.1% crystal violet을 첨가하여 실온에서 30분 반응한 후, PBS 완충액으로 3회 세척하였다. 100 ml 30% 초산을 첨가하여 미생물에 부착된 crystal violet을 용출하여 570 nm에서 흡광도를 측정하여 mucin 결합력을 평가하였다.
항균 활성 평가
항균 활성 평가를 위하여 그람 음성균인 Salmonella Typhimurium (KCTC 12401)와 그람 양성균인 Staphylococcus aureus (ATCC 6538)를 이용하여 disc 또는 microtiter plate 방법으로 수행하였다. 항균 분석을 위해 24시간 전배양된 균주는 106 CFU/ml로 맞추어 연구에 사용되었다. 반응액을 microtiter plate에 첨가하여 37℃에서 24시간 배양하면서 반응 성상을 관찰하고 600 nm에서 흡광도를 측정하여 활성을 평가하였다.
통계분석
반복 실험을 통하여 얻은 결과는 SAS program (SAS Institute Inc., Cary, NC, USA)를 사용하여 분산분석 하였으며, 시료에 대한 결과는 평균 ± 표준편차로 나타내었다. 각 시료의 분석 결과에 대한 유의성 검정은 분산분석을 한 후 p<0.05 수준에서 Duncan’s multiple range test (DMRT)를 실시하였다.
결과 및 고찰
Bacillus 균주 스크리닝 결과
본 연구는 Bacillus 균주를 기능성이 우수한 프로바이오틱스로 산업적 응용성을 부가하기 위해 실시되었기 때문에 기본적인 소화 효소 외에 항균 효과가 우수한 Bacillus 균주를 선발하도록 S. aureus와 S. Typhimurium에 대한 항균력을 바탕으로 하여 약 800 균주에 대해 스크리닝을 실시했다. 그러나 특이적인 항균 활성이 관찰된 균주를 확보하는 것이 어려웠다. 따라서 스크리닝을 섬유소 분해와 단백질 분해 효소에 대해 실시했다. 일차적으로 섬유소 분해에 대해 188 균주로 CMC 한천배지에 대해 실시하였으며, 그 중에서 활성이 비교적 우수한 균주들은 Fig. 1A에 나타내었다. 이 균주 중에서 특이적으로 strain 72가 가장 강력한 활성이 유지되는 것이 관찰되었다. CMC 분해 활성이 강한 17 균주가 선발되었으며, 이들은 이차적으로 단백질 분해 활성에 의해 스크리닝이 실시되도록 nutrient skim milk 배지에 접종하여 배양하였다. 그 결과 strain 72와 75가 다른 균주에 비교하여 매우 강력한 활성이 유지되었으며, 특히 strain 72가 가장 우수한 것으로 나타났다. 이와 같은 결과에 따라 16S rDNA 서열 분석을 실시해 본 결과 strain 72와 75는 각각 Bacillus velezensis와 Paenibacillus spp.인 것으로 나타났다(data not shown). Strain 72는 Bacillus velezensis F23-72로 명명하였으며, CMCase와 protease 활성이 고체 배지 상에서 매우 우수하게 나타난 것은 이전 연구에 비교하여 매우 특이적인 것으로 제의된다[12].
Fig. 1. Results of CMCase (A) and protease (B) with Bacillus strains originated from P. brevitarsis larvae. For the screening of CMCase, a medium containing 0.2% CMC was prepared, inoculated with Bacillus strains, and cultured, and then the color development was confirmed by 1.0% congo red solution. Protease screening was confirmed by clear zone after culturing on an agar plate containing 1.0% skim milk.
세포외 효소 활성 평가 결과
이전 연구에서 B. velezensis K10 및 KACC10334는 amylase, cellulase, protease, xylanse 등의 효소 활성이 고체배지상에서 전혀 감지되지 않았기 때문에 B. velezensis F23-72는 매우 특이성이 있는 것으로 판단된다. 따라서 본 F23-72와 B. velezensis K10 및 표준균주에 대해 액체상에서 효소 활성을 추가적으로 비교 분석하였다. 그 결과, Fig. 2에서 보여지는 바와 같이 CMCase, avicelase, cellobiase, xylanase, mannanase 등의 효소 활성에 대해 대부분 비슷한 양상을 나타내었다. 따라서 분석된 세포외 효소들에 대해서는 액체상에서는 B. velezensis F23-72가 B. velezensis 다른 균주에 비교하여 특이성은 없는 것으로 추정되었다.
Fig. 2. Evaluations of extracullar enzymes. CMCase (A), avicelase (B), cellobiase (C), xylanase (D), and mannanase (E). The activities of CMCase, avicelase, and cellobiase were done by glucose as a final product for CMCase, avicelase, and cellobiase. Xylanase and mananase were done by xylose and mannose, respectively. Glc, glucose; Xyl, xylose; Man, mannose.
B. velezensis F23-72는 액체상에서 세포외 효소는 다른 균주와 유사한 것으로 나타난 반면에 고체상에서 활성이 B. subtilis K26에 비교하여 5배 정도 더 강력한 것으로 나타나기 때문에 본 균주는 고체상 발효 또는 solid-state fermentation (SSF) 발효에 적용할 때 효과가 우수할 것으로 제의된다. 산업적으로 폐기되거나 재활용이 어려운 섬유소들은 대부분 연소에 의해 제거되기 때문에 섬유소를 분해하기 위한 미생물 기원 효소의 탐색이 B. velezensis 기반으로 다양하게 진행되어 오고 있다[2, 4, 14]. 따라서 본 연구에서 나타난 결과로 볼 때 B. velezensis F23-72는 고체상 및 액체상에서 각종 세포 외 고분자 분해 효소를 활용한 응용 가능성이 충분히 있을 것으로 제의된다.
자가 응집력, 공응집력 및 mucin 부착력 평가
자가 응집력은 장에 균주가 집락화하고 부착하는 능력과 관련이 있는 특성으로 probiotics가 되기 위한 중요한 평가 지표이다. 장점막에 프로바이오틱스가 선점하여 부착하는 경우에는 병원성이 미생물이 부착하고 집락화하는 능력을 상실하게 유도할 수 있다[1, 15]. B. velezensis F23-72는 Fig. 3에서 보여지는 바와 같이 L. plantarum K9에 비교할 때 자가 응집력이 약간 낮은 것으로 평가되었지만, 다른 B. velezensis 및 Paenibacillus sp. 93과 비교할 때 시간 경과에 따라 자가 응집력이 상대적으로 우수한 것으로 나타났다.
Fig. 3. Activity of autoaggreation. Autoaggregation was evaluated by standing reaction for 5 hr. The reference strains were applied by B. velezensis KACC10334 (BV std), B. velezensis K10 (K10), L. plantarum K9 (K9), and Paenibacillus spp. 93.
병원성 미생물과 공응집력은 병원성 미생물을 흡착 및 제거하는 것에 중요한 요소가 될 수 있다[8, 21]. B. velezensis F23-72는 Fig. 4에서 보여지는 바와 같이 L. plantarum K9에 비교할 때 자가 응집력이 약간 낮은 것으로 평가되었고, 다른 B. velezensis 및 Paenibacillus sp. 93과 비교할 때 S. aureus에 대해서는 B. velezensis K10과 유사하게 20시간에서 51% 정도로 나타났다. 그러나 S. Typhimurium에 대해서는 20시간에 36% 정도로써, B. velezensis KACC 10334의 24시간에 42%보다 낮은 것으로 평가되었다. B. velezensis F23-72로 공응집력 평가 결과, 그람 양성 계열인 S. aureus는 그람 음성 계열인 S. Typhimurium에 비교할 때 15% 정도 높게 나타났다. 향후 그람 염색 계열에 따른 공응집력을 추가로 분석하여 균주 특이성인지 아니면 그람 염색 특이적인지에 대해 추가 연구가 필요하다.
Fig. 4. Evaluations of coaggregations with S. aureus (A) and S. Typhimurium (B). Coaggregation was evaluated by standing reaction for 24 hr. The reference strains were applied by B. velezensis KACC10334 (BV std), B. velezensis K10 (K10), L. plantarum K9 (K9), and Paenibacillus spp. 93.
장내 부착력에 대해 간접적인 평가 방법 중의 하나로써 mucin 부착력 평가를 실시하였다. 그 결과 Fig. 5에서 보여지는 바와 같이 B. velezensis F23-72는 mucin에 대한 부착력이 매우 저조한 것으로 나타났으며, B. velezensis K10과 유사한 정도를 보였다. 유산균 유래인 L. acidophilus, L. brevis, L. plantarum 등에 의해 나타나는 낮은 pH, 부착, 담즙산 내성 등으로 콜레스테롤 감소, 병원성 균주 방지효과를 나타내고 있다[3, 17]. 그러나 본 연구에서 나타난 B. velezensis F23-72의 특성은 장내 부착이나 병원성 미생물에 대한 공응집력 등에서 일반적인 유산균에 의한 특성과는 다른 양상에 의해 기능성을 나타낼 것으로 제의된다.
Fig. 5. Mucin adhesion. Mucin was attached into a microtiter plate, and then treated by bacterial strains. K9; L. plantarum K9, BV std; B. velezensis KACC10334, BV K10; B. velezensis K10, PB and Paenibacillus 93; Paenibacillus spp. 93; BV F23-72; B. velezensis F23-72.
항균 활성 평가 결과
항균 활성은 미생물 군집에서 우점을 획득하는 것에 중요하며, 또한 프로바이오틱스로써 활용성에 있어서 중요한 요소로 작용될 수 있다. B. velezensis K10의 유전체 분석 결과에서 다양한 항생물질, 바이오계면활성제 등을 생성할 수 있는 유전자를 보유한 것으로 나타났다[13]. 그러나 실재 B. velezensis K10의 항균력을 분석한 결과에서는 특이적으로 높은 항균 활성이 관찰되지 않았다(data not shown). 본 연구에서 B. velezensis F23-72의 항균력을 분석해 본 결과, Fig. 6에서 보여지는 바와 같다. B. velezensis F23-72의 항균력은 S. aureus에 대해서 배양 18시간 부근에서 가장 강력한 반면에, S. Typhimurium에 대해서는 24시간째에 가장 강력하였다.
Fig. 6. Evaluation of antibacterial activities. B. velezensis F23-72 and others was cultured for 24 h at 37℃, and then the harvested samples were applied for examination of antibacterial activity. BV K10; B. velezensis K10, Paenibacillus 93; Paenibacillus spp. 93; BV F23-72; B. velezensis F23-72.
본 결과와 유산균의 항균 활성을 비교 평가할 때는 B. velezensis F23-72의 항균 활성이 매우 낮은 것으로 제의된다[10, 11]. 그러나 유산균에서 실질적으로 유산의 항균능력을 제외하고 bacteriocin만으로 항균 활성을 비교 평가할 때 본 B. velezensis F23-72의 항균 활성이 낮은 것이 아닌 것으로 제의된다. 이와 같은 결과는 최근래 본 연구실에서 수행되고 있는 유산균 배양 상등액을 pH 7.0으로 조정한 후 항균 활성을 평가해 본 결과에서 잘 나타나고 있다. 유산균 배양 상등액의 pH를 중성 부근으로 조정할 때 대부분의 유산균은 항균 활성이 급격히 감소되고, 일부 bacteriocin에 의해 유도되는 항균 활성만에 의해 나타났다(data not shown). 그 결과와 본 B. velezensis F23-72와 비교할 때 B. velezensis F23-72는 상대적으로 우수한 것으로 평가될 수 있다.
이상의 결과를 종합해 보면, B. velezensis F23-72는 세포외 효소의 활성이 우수하며, 특히 고체상에서 강력한 것으로 나타났다. 자가 응집력은 비교적 우수하였지만, 공응집력 및 mucin 부착력은 약간 낮은 것으로 평가되었으며, 항균 활성은 비교적 우수한 것으로 나타났다. 따라서 본 B. velezensis F23-72는 소화개선 및 항균성 증진용 프로바이오틱스로써 활용 가능성이 있는 것으로 제의된다.
감사의 글
본 연구는 환경부 국립생물자원관 연구사업(NIBR202019103)에 의해 수행되었음.
The Conflict of Interest Statement
The authors declare that they have no conflicts of interest with the contents of this article.
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