Characterization of Antibacterial Compounds from Bacillus polyfermenticus CJ6 and Its Growth Inhibition Effect on Food-Borne Pathogens

In this study, Bacillus polyfermenticus CJ6 harboring antibacterial activity was isolated from meju. The antibacterial activity of Bacillus polyfermenticus CJ6 was stable in the pH range of 3.0~9.0, but it disappeared after culture at $70^{\circ}C$ for 24 hr. Antibacterial activity was inactivated by proteinase K, protease, and ${\alpha}$-chymotrypsin, indicating its proteinaceous nature. The growth inhibitory effects of B. polyfermenticus CJ6 culture on food-borne pathogens such as Staphylococcus aureus, Salmonella Typhi, Listeria monocytogenes, and Escherichia coli O157:H7 were examined in this study. Approximately 6~6.2 log CFU/mL of each pathogen was co-cultured with B. polyfermenticus CJ6 in a 50 mL culture volume for 24 hr. Growth of S. aureus and L. monocytogenes was completely inhibited after 3 hr of incubation. Growth of S. Typhi and E. coli O157:H7 was also completely inhibited after 6 hr of incubation. The antibacterial compounds from B. polyfermenticus CJ6 were purified by solid phase extraction (C18 Sep-pak cartridge), recycling preparative HPLC, and analytical HPLC. Ultra-high performance liquid chromatography and electrospray ionization tandem mass spectrometry analysis were used to identify the purified antibacterial compounds, which were confirmed to be five peptides (757.4153 Da, 750.3444 Da, 1024.5282 Da, 1123.6083 Da, and 1617.8170 Da).

Bacillus polyfermenticus CJ6가 생산하는 항세균 물질의 특성 및 병원성 식중독 미생물의 성장 억제 효과

B. polyfermenticus CJ6가 생산하는 항세균 활성 물질의 특성을 규명하고 정제하였다. 생육에 따른 항세균 활성은 배양 4시간부터 나타내어 정지기인 배양 8시간에 최대 활성(102,400 AU/mL)을 나타내고 이후 급격히 활성이 감소되었다. B. polyfermenticus CJ6의 항세균 활성 물질은 $37^{\circ}C$에서 24시간 처리 시 활성의 50% 저하되고 $70^{\circ}C$에서 24시간 처리시 활성이 완전히 소실되어 열에 불안정하였으며, pH 3.0~9.0 구간에서 안정한 활성을 나타내었다. B. polyfermenticus CJ6의 항세균 활성 물질은 protease, ${\alpha}$-chymotrypsin을 처리 시 역가가 크게 감소하였으며 proteinase K의 단백분해 효소에 역가를 완전히 상실하여 단백질성 물질임을 추정하였다. B. polyfermenticus CJ6는 E. coli O157:H7, S. aureus, S. Typhi, L. monocytogenes의 식중독 세균과의 각각 공동 배양에서 배양 3~6시간 이내에 식중독 세균의 생육을 완전히 저해하는 것으로 나타났다. B. polyfermenticus CJ6가 생산하는 항세균 활성 물질은 SPE, recycling preparative HPLC, analytical HPLC을 이용한 4단계의 정제과정을 통하여 최종 항세균 활성을 나타내는 3개의 분획을 분리하였다. 정제된 물질의 분자량을 결정하기 위하여 UPLC를 이용한 ESI-MS/MS를 시행한 결과 3개의 분획에서 분자량이 다른 5개의 peptide(757.4153 Da, 750.3444 Da, 1024.5282 Da, 1123.6083 Da, 1617.8170 Da)를 확인하였으며 이는 기존에 보고된 bacteriocin 분자와는 다른 분자량을 지니는 것으로 나타났다. B. polyfermenticus CJ6와 식중독 세균과의 공동 배양 실험에서 B. polyfermenticus CJ6는 식중독 세균에 대하여 매우 강력한 항세균 활성을 나타내며 그 원인물질이 되는 새로운 항 미생물 peptides 물질은 천연식품 보존제 및 사료 보존제뿐만 아니라 정장용 제재, 식중독 예방 및 치료용 생균제재 등으로도 활용이 기대되며, 이를 위하여 분리된 5개의 peptide의 정확한 구조 및 특성 규명 등의 연구가 앞으로 필요할 것이다.