Isolation and characterization of Staphylococcus strains from traditional Korean fermented soybean foods

국문 초록 (Abstract)

Staphylococcus 속은 간장과 같은 전통적인 한국 발효 식품에서 우점하는 것으로 알려져 있지만, 이들의 포괄적인 특성과 안전성에 대한 연구는 제한적이다. 따라서 본 연구에서는 전통적인 한국 발효 식품인 간장에서 Staphylococcus 균주를 분리하고, 게놈 시퀀싱을 통한 유전체 분석과 다양한 표현형 분석을 통해 콩 발효 식품에 존재하는 Staphylococcus 균주의 특성과 안전성을 분석했다. 미생물 군집 분석 결과 Staphylococcus는 간장에서 우점하였고, 간장에서 균주를 분리하여 배양했을 때도 동일한 결과가 관찰되었다. 분리된 균주의 계통학적 분석에서 S. equorum, S. xylosus, S. pseudoxylosus, S. shinii, S. nepalensis, 그리고 S. saprophyticus를 포함한 6종이 확인되었으며, 이전에는 특성이 밝혀지지 않은 신종 2종이 발견되었다. 모든 분리된 Staphylococcus 균주는 D-포도당, D-과당, D-갈락토오스, 수크로스, D-리보스, D-말토오스와 같은 당을 대사하는 데 필요한 모든 유전자를 보유하고 있었고, 알코올, 아세토인, 다이아세틸과 같은 풍미 관련 화합물을 생성하는 완전한 경로를 가지고 있었으며, 단백질 분해 효소 유전자를 보유하고 있어 한국 발효 식품의 풍미 형성에 영향을 미칠 수 있음을 확인했다. 실제 효소 활성 분석 결과에서도 대부분 균주가 지질과 단백질 분해에 활성을 보임으로써 이를 뒷받침하였다. 그러나 모든 분리된 Staphylococcus 균주는 두 개 이상의 항생제 내성 유전자를 보유하고 있었으며, 분리균의 절반은 하나 이상의 항생제에 내성을 보였고 일부 균주에서는 β-용혈이 관찰되어 안전성 측면에서 특별한 주의가 필요했다. 이 연구의 결과는 Staphylococcus가 전통적인 한국 발효 콩 식품의 발효과정에서 풍미 성분 생산에 긍정적으로 기여할 수 있지만 안전성에 부정적인 영향을 미칠 수 있음을 시사한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Staphylococcus species are known to be prevalent in traditional Korean fermented soybean foods, such as ganjang. However, research on their comprehensive characteristics and safety remains limited. Therefore, in this study, Staphylococcus strains were isolated from ganjang, traditional Korean soybean fermented foods, and the characteristics and safety of Staphylococcus strains existing in soybean fermented foods were analyzed through genome sequencing and various phenotypic analyses. The results based on cultured and uncultured techniques revealed that Staphylococcus was dominant in ganjang. The phylogenetic analysis of the isolated strains identified six species, including S. equorum, S. xylosus, S. pseudoxylosus, S. shinii, S. nepalensis, and S. saprophyticus, along with the discovery of two previously uncharacterized species. All isolated Staphylococcus strains harbored the genes required for metabolizing sugars, including D-glucose, D-fructose, D-galactose, sucrose, D-ribose, and D-maltose. They also had complete pathways for producing flavor-related compounds such as alcohol, acetoin, and diacetyl, as well as genes encoding protein-degrading enzymes. These findings suggest their potential role in flavor of Korean fermented foods. Furthermore, enzyme activity tests revealed most strains were degrading lipids and proteins, consistent with the presence of the corresponding genes in the isolated strains. However, all Staphylococcus strains possessed two or more antibiotic resistance genes and half of the isolates exhibited resistance to at least one antibiotic. Moreover, β-hemolysis was observed in some strains. These findings indicate that Staphylococcus may play a role in the production of flavor components in Korean fermented soybean foods, but it has potential to negatively impact food safety warrants.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 2. Materials and Methods 4
• 2.1 Ganjang collection and sampling 4
• 2.2 Microbial community analysis. 4
• 2.3 Isolation of Staphylococcus strains 5
• 2.4 Genome sequencing and phylogenetic analysis 6
• 2.5 Identification of protease and lipase genes and enzyme activity assays 7
• 2.6 Reconstruction of metabolic pathways 7
• 2.7 In silico detection of antibiotic resistance genes, virulence factors, and SCCmec 8
• 2.8 Minimal inhibitory concentration test 8
• 2.9 Hemolysis test and coagulase activity test 10
• 3. Results 11
• 3.1 Bacterial community of ganjang 11
• 3.2 Isolation of Staphylococcus strains from ganjang 13
• 3.3 Phylogenetic analysis of Staphylococcus strains 15
• 3.4 Enzyme activity of Staphylococcus strains 21
• 3.5 Reconstructed metabolic pathways 25
• 3.6 Genetic potential of Staphylococcus strains for antibiotic resistance and virulence 28
• 3.7 In vitro phenotypic antibiotic resistance test 33
• 4. Discussion 37
• 5. Conclusion 44
• References 46
• 국문초록 59