Investigation of Skin Microbiome–Metabolome Interactions : Production of Skin-Health-Related Distinctive Metabolites in Symbiotic Microbial Cultures

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Skin homeostasis relies on the coordinated function of physical barrier structures and the surrounding skin microbiota. Disruption of this equilibrium can lead to dysbiosis and impaired barrier function. This study investigated the biological effects of metabolites produced during co-culture of Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, and Cutibacterium acnes under skin-mimicking conditions, using tryptic soy broth (TSB) supplemented with artificial sebum. Metabolite profiling performed by high-performance liquid chromatography coupled with quadrupole time-of-flight mass spectrometry (LC- Q-TOF) identified 85 compounds, of which 27 exhibited significant changes. Pathway and correlation analyses revealed metabolic signatures indicative of enhanced stress resistance and survival-associated adaptations in each bacterial species. Among the six metabolites uniquely detected under co-culture conditions, oleyl alcohol and nadolol were selected for functional assessment in HaCaT keratinocytes. qRT-PCR analysis demonstrated upregulation of skin barrier related genes and downregulation of inflammation associated genes following treatment. These findings suggest that microbe derived metabolites produced through interspecies interactions may act as key modulators of skin homeostasis. In particular, nadolol and oleyl alcohol are potential candidate molecules that can reinforce the skin barrier and mitigate inflammatory responses. The results further imply that dysbiosis may diminish the production of such beneficial metabolites, underscoring the importance of maintaining microbial balance for optimal skin health. Keywords: Skin microbiome, Co-culture, metabolites, Liquid Chromatography– Quadrupole-Time-of-Flight Mass Spectrometry (LC-Q-TOF)

국문 초록 (Abstract)

피부는 다양한 장벽 구조와 이를 둘러싼 피부 미생물군이 상호 공생관계를 이룰때 항상성이 유지되지만, 이러한 균형이 깨질 경우 dysbiosis가 발생할 수 있다. 본 연구는 Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Cutibacterium acnes의 공배양 과정에서 생성되는 특이적 대사체가 피부 장벽 및 염증 조절에 미치는 영향을 확인하고자 하였다. 이를 위해 세 균주를 TSB 배지에 인공 피지를 첨가한 피부 유사 환경에서 공배양하였으며, 이후 고성능 액체 크로마토그래피–질량분석기(LC-Q-TOF)를 활용하여 대사체 변화를 정량·정성적으로 분석하였다. 분석 결과 총 85개의 대사체가 확인되었고, 이 중 유의하게 변화한 27개의 대사체에 대해 대사경로와 상관성 분석을 수행한 결과, 각 균주가 스트레스 저항성, 대사 안정성, 생존성 향상과 관련된 대사적 특징을 보였다. 특히, 공배양 조건에서만 특이적으로 검출된 6종의 대사체 중 식물 유래 세포독성 물질 4종을 제외한 nadolol과 oleyl alcohol을 화장품 안전성과 효능 평가에 사용되는 HaCaT세포에 처리하였다. 이후 실시간 중합효소 연쇄 반응(qRT-PCR)으로 관련 유전자의 발현을 분석한 결과, 피부 장벽 관련 유전자는 유의하게 증가하고 염증 관련 유전자는 감소함을 확인하였다. 이러한 결과는 피부 미생물 간 상호작용을 통해 생성된 대사체가 피부 항상성 유지에 핵심적인 조절자로 기능할 수 있음을 시사한다. 특히 공배양 조건에서만 생성되는 nadolol과 oleyl alcohol은 피부 장벽을 강화하고 염증을 완화하는 작용을 유도할 수 있는 후보 물질로 활용될 가능성을 제시한다. 더 나아가 본 연구 결과는 dysbiosis가 발생할 경우 이러한 유익한 대사체의 생산이 감소하거나 소실될 가능성을 시사하며, 미생물 균형 유지가 피부 건강에 중요할 수 있음을 시사한다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. Introduction 1
• Ⅱ. Materials and Methods 4
• Ⅲ. Results 10
• Ⅳ. Discussion 30
• V. References 34
• 국문초록 37