Studies on the Strategic Optimization of Bacteriophage Production and Formulation for Biocontrol = 생물학적 방제를 위한 박테리오파지 생산 및 제형 전략 최적화에 관한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The increasing prevalence of antibiotic-resistant bacteria and the limitations of conventional chemical control methods have prompted a growing interest in bacteriophages as alternative biological agents. As antimicrobial resistance continues to rise globally, bacteriophages are recognized as sustainable, targeted solutions with the potential to complement or replace conventional antibiotics in bacterial disease management. Their high specificity, self-replicating nature, and minimal ecological impact make them particularly suitable for biocontrol applications targeting bacterial pathogens. However, for phage applications to progress from laboratory studies to practical use, key challenges related to production standardization, formulation stability, and industrial scalability must be addressed.
This dissertation presents an integrated strategy to overcome these limitations by developing a systematic framework for bacteriophage production and formulation. First, a plaque morphology-based predictive model was established to determine optimal host-to-phage ratios in agar plate-based systems, reducing empirical variation and enabling reproducible yields across different phage types. This approach represents a shift from qualitative assessments toward quantitative and customizable production protocols.
For scalable production, parameters such as inoculum density, carbon source, and pH were optimized using response surface methodology. The optimized conditions increased phage yields by up to 300% compared to conventional methods while reducing bacterial and phage inputs. The robustness and applicability of the process were verified using representative phages in bioreactor systems.
To improve environmental stability, formulation strategies incorporating protective agents such as polysorbate 80 and kaolin were evaluated. These formulations enhanced ultraviolet resistance and surface adherence, resulting in extended phage viability and improved performance under simulated field conditions.
Overall, this study establishes a reproducible, scalable, and stable framework for bacteriophage production and formulation, providing a foundation for practical applications in bacterial disease management.

국문 초록 (Abstract)

항생제 내성 세균의 확산과 기존 화학적 방제법의 한계로 박테리오파지는 대안적 생물학적 제어제로 주목 받고 있다. 박테리오파지는 높은 숙주 특이성, 자가복제 능력, 생태계에 미치는 영향이 적은 특성으로 인해 농업, 식품, 의학 분야에서 세균성 병해 관리의 지속 가능한 솔루션으로 각광받고 있다. 많은 연구에서 박테리오파지의 병원성 세균 제어 가능성이 보고되었으나, 생산 과정에서의 표준화 부족, 산업적 대량생산의 어려움, 실제 환경 적용에서의 불안정성 등 여러 기술적 한계로 인해 상용화 및 현장 적용에는 큰 제약이 존재했다.
본 연구는 이러한 과제를 해결하고자 박테리오파지의 생산 및 제형화를 위한 통합 플랫폼을 구축하고, 재현성, 생산성, 환경적 안정성의 향상을 목표로 체계적 접근을 수행하였다. 첫째, 한천 평판 기반의 박테리오파지 생산 공정에서 플라크 형태에 근거한 예측 모델을 개발하여 최적의 기주와 박테리오파지 간의 접종 비율을 정량적으로 산출함으로써, 기존의 경험적 조정 방식에서 벗어나 박테리오파지 간 다양성에도 적용 가능한 재현성 높은 생산 프로토콜을 제시하였다. 둘째, 대량생산 규모로의 확장을 위하여 반응표면분석법(Response Surface Methodology, RSM)을 활용하여 접종 밀도, 탄소원, pH 등의 핵심 생산 조건을 최적화하였다. 이를 통해 기존 방식에서 세균과 박테리오파지의 초기 농도를 각각 최대 1,000배, 10,000배까지 감소시키면서도 동등하거나 최대 300%까지 증가한 수율을 달성하였으며, 산업적 규모를 위한 발효기 기반 실험을 통해 공정의 안정성과 범용성을 검증하였다.
마지막으로 실제 환경에서의 적용 가능성을 높이기 위해 polysorbate 80 및 kaolin과 같은 보호제를 혼합한 제형화 전략을 설계하였다. 이 제형은 자외선 저항성 및 식물 표면 부착력을 향상시켜, 모사된 현장 조건에서 박테리오파지의 생존 기간을 연장시키고 병원균 억제 성능을 유의하게 증가시켰다. 특히 사과나무 잎을 이용한 실험에서 단일 박테리오파지뿐 아니라 칵테일 제형에서도 장기적인 안정성이 확인되었다.
본 연구는 생산 표준화, 산업적 대량생산, 환경 안정성이라는 박테리오파지 응용 분야의 핵심 기술적 한계를 단계적으로 분석하고 실험적으로 해결하였으며, 이를 통해 박테리오파지 기반 생물학적 방제 기술의 실용화를 위한 기술적 기반을 제공하였다. 향후 본 연구의 성과는 농업, 식품, 환경, 의학 등 다양한 분야에서 세균성 질병 관리의 지속 가능하고 표적화된 솔루션 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다

목차 (Table of Contents)

• ABSTRACT i
• CONTENTS iv
• LIST OF FIGURES vii
• LIST OF TABLES xii
• ABBREVIATIONS xiii
• CHAPTER Ⅰ
• Standardization of the agar plate method for bacteriophage production
• Abstract 1
• 1.1. Introduction 2
• 1.2. Results 6
• 1.3. Discussion 10
• 1.4. Material and Methods 16
• 1.5. Conclusions 20
• References 20
• CHAPTER Ⅱ
• Optimization of the large-scale production for Erwinia amylovora bacteriophages
• Abstract 41
• 2.1. Introduction 42
• 2.2. Material and Methods 45
• 2.3. Results 52
• 2.4. Discussion 58
• 2.5. Conclusion 65
• References 66
• CHAPTER Ⅲ
• Optimizing the formulation of Erwinia bacteriophages for improved UV stability and adsorption on apple leaves
• Abstract 86
• 3.1. Introduction 87
• 3.2. Material and Methods 90
• 3.3. Results 94
• 3.4. Discussion 99
• 3.5. Conclusion 103
• References 103
• GENERAL CONCLUSION 123
• 국문 초록 125
• PUBLISHED ARTICLES 128
• CONFERENCE PROCEEDINGS 134
• ACKNOWLEDGEMENT 140