• Journal of Microbiology and Biotechnology
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• 제25권4호
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• pp.496-502
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• 2015

Polyketide secondary metabolites share common precursor pools, acyl-CoA. Thus, the effects of engineering strategies for heterologous and native secondary metabolite production are often determined by the measurement of pikromycin in Streptomyces venezuelae. It is hard to compare the effectiveness of engineering targets among published data owing to the different pikromycin production media used from one study to the other. To determine the most important nutritional factor and establish optimal culture conditions, medium optimization of pikromycin from Streptomyces venezuelae ATCC 15439 was studied with a statistical method, Plackett-Burman design. Nine variables (glucose, sucrose, peptone, (NH₄)₂SO₄, K₂HPO₄, KH₂PO₄, NaCl, MgSO₄·7H₂O, and CaCO₃) were analyzed for their effects on a response, pikromycin. Glucose, K₂HPO₄, and CaCO₃ were determined to be the most significant factors. The path of the steepest ascent and response surface methodology about the three selected components were performed to study interactions among the three factors, and the fine-tune concentrations for maximized product yields. The significant variables and optimal concentrations were 139 g/1 sucrose, 5.29 g/l K₂HPO₄, and 0.081 g/l CaCO₃, with the maximal pikromycin yield of 35.5 mg/l. Increases of the antibiotics production by 1.45-fold, 1.3-fold, and 1.98-fold, compared with unoptimized medium and two other pikromycin production media SCM and SGGP, respectively, were achieved.

• Journal of Microbiology and Biotechnology
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• 제31권9호
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• pp.1311-1322
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• 2021

Microbially induced calcium carbonate precipitation (MICP) has recently become an intelligent and environmentally friendly method for repairing cracks in concrete. To improve on this ability of microbial materials concrete repair, we applied random mutagenesis and optimization of mineralization conditions to improve the quantity and crystal form of microbially precipitated calcium carbonate. Sporosarcina pasteurii ATCC 11859 was used as the starting strain to obtain the mutant with high urease activity by atmospheric and room temperature plasma (ARTP) mutagenesis. Next, we investigated the optimal biomineralization conditions and precipitation crystal form using Plackett-Burman experimental design and response surface methodology (RSM). Biomineralization with 0.73 mol/l calcium chloride, 45 g/l urea, reaction temperature of 45℃, and reaction time of 22 h, significantly increased the amount of precipitated calcium carbonate, which was deposited in the form of calcite crystals. Finally, the repair of concrete using the optimized biomineralization process was evaluated. A comparison of water absorption and adhesion of concrete specimens before and after repairs showed that concrete cracks and surface defects could be efficiently repaired. This study provides a new method to engineer biocementing material for concrete repair.

• 한국미생물·생명공학회지
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• 제50권2호
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• pp.255-269
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• 2022

Actinomycetes isolated from marine habitats represent a promising source of bioactive substances. Here, we report on the isolation, identification, productivity enhancement and application of the bioactive compounds of Streptomyces qinglanensis H4. Eighteen marine actinomycetes were isolated and tested for resistance to seven bacterial diseases. Using 16S rRNA sequencing analysis (GenBank accession number MW563772), the most powerful isolate was identified as S. qinglanensis. Although the strain produced active compound(s) against a number of Gram-negative and Gram-positive bacteria, it failed to inhibit pathogenic fungi. The obtained inhibition zones were 22.0 ± 1.5, 20.0 ± 1, 16.0 ± 1, 12.0 ± 1, 22.0 ± 1 and 24.0 ± 1 mm against Bacillus subtilis ATCC 6633, Escherichia coli ATCC 19404, Enterococcus faecalis ATCC 29212, Pseudomonas aeruginosa ATCC 9027, Candida albicans ATCC 10231 and Staphylococcus aureus ATCC6538, respectively. To maximize bioactive compound synthesis, the Plackett-Burman design was used. The productivity increased up to 0.93-fold, when S. qinglanensis was grown in optimized medium composed of: (g/l) starch 30; KNO₃ 0.5; K₂HPO₄ 0.25; MgSO₄ 0.25; FeSO₄·7H₂O, 0.01; sea water concentration (%) 100; pH 8.0, and an incubation period of 9 days. Moreover, the anticancer activity of S. qinglanensis was tested against two different cell lines: HepG2 and CACO. The inhibition activities were 42.96 and 57.14%, respectively. Our findings suggest that the marine S. qinglanensis strain, which grows well on tailored medium, might be a source of bioactive substances for healthcare companies.

• KSBB Journal
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• 제25권2호
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• pp.142-154
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• 2010

Inonotus obliquus 균사체의 액상배양을 통한 항당뇨효능의 단백다당체 대량생산 배양공정을 개발하기 위한 첫 단계로 고생산성 균주의 개발을 신속하게 수행하기 위한 방법을 개발하였다. I. obliquus는 균사체로 성장할 때 포자를 형성하지 못하므로 단일 세포를 획득하기 위해서는 원형질체들을 회수하여 이로부터 성장 능력과 단백다당체의 생산성이 높은 우량균주를 선별하여야 한다. 본 연구에서는 이러한 균주개량 공정 중 특별히 장기간의 배양 시간이 요구되어 신속한 균주개발 시 가장 큰 장애 요인으로 작용하는 고체성장배양 단계의 문제점을 극복하고자, 고체배양 환경의 최적화에 대한 연구를 중점적으로 수행하였다. 고체성장배양 시 균사체 성장에 효능이 탁월한 배지성분을 선별하기 위해 우선 Plackett-Burman design 실험을 통해서 유의성 높은 배지성분을 찾아내었고, 이에 근거한 부분요인설계법 fractional factorial design, FFD) 실험을 통해 배지성분 상호간의 관계를 분석 할 수 있었다. 또한 이 FFD 실험결과에 근거해서 설계한 최급상승법 (steepest ascent method, SAM) 실험방법을 적용한 결과, 고체성장배양 시 균사체 성장환의 직경이 기존의 MA 배지와 비교해서 약 41% 증가했을 뿐만 아니라 균사체의 밀도도 크게 향상된 배지조성을 확립 할 수 있었다. 또한 SAM 연구결과를 바탕으로 최적의 배지조성을 확립하고자 각 배지성분의 최적농도를 통계적으로 더욱 정밀하게 조사하는 반응표면분석법 (response surface method, RSM) 실험을 수행하였다. 그 결과 최적고체성장배지의 성분과 농도는 glucose 25.61 g/L, brown rice 12.53 g/L, soytone peptone 12.53 g/L, $MgSO_4$ 5.53 g/L, agar 20 g/L인 것으로 최종 결정되었으며, 이 조건에서 13일 동안 배양시 균사체의 직경이 약 82 mm 정도에 이르는 것으로 나타났다. 이 결과는 상기의 SAM 실험에서 최적농도로 제시한 배지조성과 매우 유사한 것으로 확인되었는데, 이로부터 최종적인 RSM 실험을 수행하기 전에 최적 농도의 근사치를 추정하기 위해서 수행한 SAM 실험이 매우 효율적이었음을 확인할 수 있었다. 또한 배지 최적화 결과 고체성장배양에서의 성장속도의 증가로 인해 배양기간을 기존의 15~20일에서 8일로 획기적으로 줄일 수 있게 되어, 짧은 시간 내에 대규모 균주 선별과 각 균주의 단백다당체의 생산성 확인이 가능하게 되었다.

• KSBB Journal
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• 제22권5호
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• pp.297-304
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• 2007

Lovastatin은 근사형성 균류인 Aspergillus terreus가 생합성하는 이차대사산물로 강력한 고지혈증 치료제로 널리 이용되는 물질이다. 본 연구에서는 lovastatin 고생산변이주를 이용하여 포자배지 최적화를 통한 miniature 배양 방법을 확립하고자 하였다. 우선 miniature 배양에 필수적인 효과적인 포자 형성 방법을 개발하고자 포자 형성 배지의 통계학적 배지 최적화를 수행하였다. Miniature 배양의 inoculum으로 이용되는 대량의 포자를 획득하기 위해 Plackett-Burman 실험법을 이용하여 포자 형성을 향상시키는 성분을 조사한 결과, glucose, sucrose, yeast extract 그리고 $KH_2PO_4$가 주목할 만한 효과를 보였다. 상기 성분의 최적 농도를 확인하기 위해 반응표면분석법 (RSM)을 이용한 결과, PDA 포자 형성 배지와 비교하여 볼 때, 최적 성분 농도에서 포자 형성이 약 190배 증가하였다. 최적화된 포자형성 배지를 이용하여 lovastatin 고생산성 변이주의 대량 선별을 위한 miniature 배양 방법을 확립하기 위해 기존의 실험 과정에 'PaB (adaptation)'라는 한 번의 계대배양을 더 추가한 결과 생산균주의 안정성과 재현성이 큰 폭으로 증가하는 주목할 만한 결과를 얻을 수 있었다. 단기간에 가능한 한 다량의 균주를 스크리닝하기 위해 성장배양과 생산배양 모두 조업부피가 7 ml인 tube를 이용해 miniature 배양을 반복 수행하여, lovastatin 생산성과 배양형태가 훌륭한 변이주를 선별할 수 있었는데, 이 균주는 7 ml tube배양과 250 ml flask배양 (조업부피 50 ml) 모두에서 생산성이 높은 것으로 보아 산소 의존도가 비교적 낮고 생산 안정성이 높은 균주인 것으로 판단되었다. 한편 miniature 배양을 이용해서 lovastatin 고생산성을 보이는 균주를 신속 선별하기 위해서는 균주의 적절한 배양형태 유도가 매우 중요한 것으로 관찰되었다. 즉 생산배양으로의 고활성 균주의 접종을 위해서, 또한 생산배양에서 pellet의 배양형태 유도를 위해서 성장배양 시에는 반드시 고농도의 균사모양을, 생산배양 시에는 직경 1 mm 이하의 pellet모양의 배양 형태를 유지해야만, 생산균주가 lovastatin을 안정적으로 고생산할 수 있는 것으로 관찰되었다. 초기에 선별된 균주를 이용하여 miniature 배양에 의해 고속 균주선별 실험을 반복함으로써 고생산성 균주들을 다량 선별할 수 있었는데, 이들의 lovastatin 생산성을 조사한 결과, 기존의 flask 배양대비 오차범위가 $\pm$20% 이내의 생산성을 보이는 균주가 초기 선별시의 32%에 비해 81%로 크게 증가함을 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과는 lovastatin 고생산성, 고안정성 균주의 고속 스크리닝을 위해서 본 연구에서 개발한 tube를 이용한 miniature 배양이 기존의 flask 배양을 대체할 수 있는 훌륭한 배양방법임을 제시해 준다.

• 산업식품공학
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• 제15권2호
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• pp.97-115
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• 2011

이 총설에서는 반응표면분석법을 이용하여 식품제조프로세스를 최적화하는 방법에 대하여 검토하였다. 반응표면분석을 수행하기 위한 절차와 반응표면분석의 필수적인 기본이론을 설명하였고, 반응표면분석법 중에서도 대부분 사용되는 2차 실험계획법(3인자 완전요인, 중심합성, Box-Behnken, 및 Doehlert 계획법)들에 대한 장단점 및 효율성을 비교하였다. 식품제조프로세스를 최적화하는데 반응표면분석법을 적용하기 위해서는 우선 실험계획을 선택하고, 적절한 모델함수를 적합화한 다음, 적합화된 모델의 질 및 실험데이터와의 예측의 정확성을 평가할 필요가 있다. 식품제조프로세스를 최적화할 때 일부요인계획, 완전요인계획 및 Plackett-Burman 계획 등과 같은 실험계획법을 사용하여 중요한 실험인자를 일차적으로 스크린한 다음, 2차 실험계획법을 선택하는 것이 바람직하다. 실제적으로 최적실험조건을 찾기 위해서는 F-test, 수정 $R^2$ 등과 같은 분산분석을 사용하여 모델을 적합화하는 것이 바람직하다. Doehlert 계획과 Box-Behnken 계획은 중심합성계획법보다 좀 더 효율적이며, 최근에는 이 계획들을 적용한 문헌의 수가 증가하고 있는 추세이다. 더욱이 이 계획들은 3수준 완전요인계획법보다는 비교할 필요도 없이 훨씬 더 효율적이다. Box-Behnken설계는 식품분야에서와 같이 극한조건(즉, 인자들이 동시에 가장 높거나 혹은 가장 낮은 수준의 실험 조건)하에서 실험을 하는 것을 피하고자 할 때 유용하다. Doehlert 계획에서는 각 인자들의 수준(level)이 다르기 때문에, 몇몇 인자들이 가격적인 면에서 그리고(혹은) 장비사용에 제약을 받는 제한이 있다든지 혹은 인자의 중요도에 따라 수준의 수를 조절해야 할 필요가 있을 때에는 Doehlert 계획이 아주 유용하다. 종래에는 반응표면분석법의 2차 회귀모델 실험계획법 중에서 다른 계획법(Box-Behnken 계획 및 Doehlert 계획)에 비해 중심합성계획법을 압도적으로 많이 적용해 왔다. 그러나 Box-Behnken 계획 및 Doehlert 계획은 중심합성계획법보다 장점이 많기 때문에, 향후에는 Doehlert 계획과 Box-Behnken 계획을 사용하여 식품제조프로세스를 최적화하는 쪽으로 초점이 맞추어 지리라고 전망한다.

• 한국식품과학회지
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• 제49권6호
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• pp.610-616
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• 2017

본 연구를 통해 BAGGT를 재조합 B. subtilis를 이용하여 대량 생산하기 위하여 유전자 클로닝, 발현 시스템 구축 및 배지 최적화를 진행하였다. 이중프로모터 시스템을 이용하여 야생형 균주에 비해 42배 효소 생산성이 향상된 발현 시스템을 구축하였다. 또한 PBD 분석을 통해 당밀과 CSL이 재조합 B. subtilis 시스템에서 BAGGT의 생산성에 큰 영향을 주는 인자임을 확인하였으며, 염류의 첨가에 의한 효소 생산성 증대 효과는 미비하거나 부정적이었다. 탄소원으로 당밀을 선택하고 고가의 질소원인 트립톤을 저가의 CSL로 교체한 후 CCD 분석을 통해서 결정된 최적배지 사용 시 최적화 이전의 LB 배지 대비 4.3배의 생산성 증대를 이루었으며, 이는 LB 배지에서 야생형 균주의 BAGGT 생산성 대비 180배의 효소 생산성 개선에 해당하였다. 본 연구를 통해 식품용 효소로서 BAGGT의 대량생산을 위한 공정을 구축하였으며, 이후 정미성 소재 생산에 활용할 수 있을 것으로 기대한다.

• KSBB Journal
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• 제24권3호
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• pp.321-326
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• 2009

Paracoccus sp.의 astaxanthin 생산성 증가를 위해 반응표면 분석법을 사용하여 최적의 배지조성을 설계하였다. Paracoccus의 성장 배지인 Marine Broth와 modified Blaszczyk 배지를 사용하여 astaxanthin 생산성을 측정한 결과 각각 0.39 mg/L, 0.40 mg/L의 astaxanthin 농도를 보였다. Modified Blaszczyk 배지의 조성을 각각 변수로 두어 가장 많은 영향을 주는 성분을 알아본 결과 $MgSO_4$와 yeast extract로 확인되었다. 중심합성계획법에 따라 $MgSO_4$ ($0.397{\sim}4.621$ g/L), yeast extract ($2.879{\sim}7.121$ g/L)를 달리하였을 때, astaxanthin 생상성에 대한 회귀식의 $R^2$은 0.894로 나타났고, 이에 따른 최대 생산량에 0.925 mg/L로 예상되었으며 이때의 $MgSO_4$와 yeast extract의 농도는 각각 2.83과 7.02 g/L로 나타났다. 이에 대한 확인실험 결과 2.83 $MgSO_4$ g/L, 7.02 yeast extract g/L에서 1.021 mg/L의 astaxanthin이 생산되었으며, 배지의 최적화에 따라 250% 이상의 생산성 증가가 확인되어졌다.

• KSBB Journal
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• 제22권3호
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• pp.162-167
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• 2007

암모니아 가스는 환경오염 중 가장 피해가 큰 물질로 가축 뿐만 아니라 사람에게도 많은 피해를 준다. 본 연구의 목적은 Bacillus subtilis IB101을 이용하여 암모니아 가스의 제거효율이 좋은 조건과 최적으로 배양할 수 있는 생산배지의 최적화에 대하여 알아보는 것이다. 암모니아 제거 효과가 우수한 균주인 B. subtilis IB101의 암모니아 가스 제거 효능이 좋은 성장단계를 알아보았으며, 기본배지의 구성성분 중 $(NH_4)_2SO_4$의 농도에 변화를 주어 각각 다른 $(NH_4)_2SO_4$ 농도의 배지에서 배양된 cell이 암모니아 가스 제거에 미치는 영향을 알아보았다. 그리고 온도 및 pH에 따른 암모니아 가스 제거 효능의 최적조건을 알아보았다. B. subtilis IB101의 대량 배양을 위한 배지 조성을 얻기 위하여 Placket-Burman design과 one factor at a time method를 이용하여 기본배지의 구성성분의 영향에 대하여 살펴보고 최적의 배지조성을 알아보았다. Exponential phase 단계인 B. subtilis IB101을 접종한 것이 stationary phase 단계인 B. subtilis IB101을 접종한 것보다 암모니아 가스 제거 효율이 약 20% 정도 우수하였다. 30$^{\circ}C$, pH 4의 배양조건에서 암모니아 가스 제거 효율이 가장 높았다. 기본 배지 구성성분 중 $(NH_4)_2SO_4$의 농도의 변화에 따른 암모니아 가스 제거 효율에는 영향이 없었다. 최적화된 배지의 구성 성분은 yeast extract 10 g/l, soluble starch 2.5 g/1, $MgSO_4$ 6 g/l, $CaCl_2$ 1.55 g/1, $(NH_4)_2SO_4$ 5 g/1, $KH_2PO_4$ 0.75 g/l, 대두분 8 g/l이었다.