Cytocidal effect of linear six-carbon sugar alcohols on Microcystis aeruginosa, a toxic cyanobacterium

국문 초록 (Abstract)

담수생태계에서 발생하는 남세균에 의한 녹조현상은 전세계적으로 수질오염을 유발하고 수생생물과 인간의 건강을 위협하고 있다. 특히 담수환경에 서식하는 유해 남세균의 한 종으로 알려진 Microcystis aeruginosa는 ‘마이크로시스틴 (Microcystin)’이라는 독성 물질을 생성하고 분비하는데, 마이크로시스틴이 인간과 동물의 체내로 들어가게 되면 간세포나 신경계에 치명적인 영향을 주는 것으로 알려져 있다. 따라서 M. aeruginosa의 생장과 번성을 제어하기 위한 방법에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.
본 연구에서는 M. aeruginosa와 공생세균과의 상호작용과 이에 관여하는 대사물질을 연구하던 도중, M. aeruginosa의 생장을 조절할 것으로 예상되는 다양한 유기물질 중 만니톨이 M. aeruginosa에 대해 세포사멸 현상을 유도함을 관찰하여 이를 규명하기 위한 연구를 수행하였다. 만니톨을 포함한 선형 육탄당 알코올인 이디톨, 푸시톨, 갈락티톨, 소르비톨이 같은 현상을 보였으며, 이와 같은 현상은24시간 내에 25 μM 이상 농도 처리시 나타남을 관찰하였다. 반면 글리세롤, 에리스리톨, 이노시톨과 같은 다른 당 알코올은 M. aeruginosa에 영향을 미치지 않았다. 미분간섭 광학현미경 (DIC), 주사전자현미경 (SEM), 투과전자현미경 (TEM)과 같은 현미경 분석을 통해 손상된 세포에서의 세포내부물질의 유출과 함께 비정상적인 세포 형태, 주름진 세포벽과 세포막, 세포 외 소포 분비, 세포막의 손상 등이 유도됨을 확인하였다. 또한 유세포 분석을 통해 만니톨 처리시 M. aeruginosa의 형태적 변화를 유도하고 세포막 손상도가 증가함을 보여주었다. 뿐만 아니라 M. aeruginosa 배양액의 상층액에서 유출된 세포 내부 물질의 농도가 증가함을 확인하였다. LC-QTOF-MS 분석을 통해 M. aeruginosa가 만니톨을 세포 내로 흡수하지 못함을 확인하였고, 이를 통해 만니톨은 세포의 대사과정을 거쳐 작용하는 것이 아닌, 화학적 또는 물리적 손상에 의해 세포사멸효과를 나타낼 것으로 추측된다.
본 연구 결과를 통해 선형 육탄당 알코올이 유해 남세균인 M. aeruginosa의 빠른 세포사멸현상을 유도함을 규명하였다. 이를 통해 남세균의 증식을 억제하여 전세계적인 생태계 문제인 녹조현상을 제어하고 수질오염을 개선할 수 있는 연구 발전에 도움을 줄 수 있음을 예상한다. 하지만 정확한 작용기작 및 실제 환경에서의 적용가능성 탐색 등 추가 분석에 대한 필요성이 요구된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Harmful cyanobacterial blooms (HCBs) are a global issue threatening water quality and human health. Microcystis aeruginosa, one of the dominant species causing HCBs, produces a toxic metabolite, microcystin, which can cause liver toxicity and dysfunction of the nervous system in humans. Many researchers have been studied to develop strategies that can control the growth of M. aeruginosa. While studying the interaction of M. aeruginosa and symbiotic bacteria via their metabolites, we found that linear six-carbon sugar alcohols including mannitol, iditol, fucitol, galactitol, and sorbitol caused rapid cell death of M. aeruginosa within 24 h at a concentration of >25 μM, however, other sugar alcohols such as glycerol, erythritol, and inositol did not affect the growth of M. aeruginosa. Microscopic observation showed that cytosol leaked out of the ruptured cell by mannitol. With FACS analysis, we confirmed that morphological modification and the loss of membrane integrity of M. aeruginosa cells were induced by mannitol. Released intracellular organic matter (IOM) and chlorophyll a in the supernatant were also increased. LC-QTOF-MS analysis revealed that M. aeruginosa could not uptake mannitol, which means that it does not involve in the cellular metabolic process. Transmission electron microscopy (TEM) images showed that mannitol induces the change of ultrastructure and intracellular organelles of M. aeruginosa compared to normal cells. Therefore, our results suggest that linear six-carbon sugar alcohols including mannitol can be an effective cytocidal substance to suppress the growth of M. aeruginosa.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 2. Materials and Methods 4
• 2.1 Microcystis aeruginosa strain and culture conditions 4
• 2.2 Investigation of the effect of various carbon compounds on the growth of M. aeruginosa 4
• 2.3 Microscopic observations 5
• 2.4 Flow cytometry analysis 7
• 2.5 Measurement of released intracellular components 8
• 2.6 Determination of mannitol uptake 8
• 3. Results 10
• 3.1 Growth defects of M. aeruginosa by mannitol 10
• 3.2 Linear six-carbon sugar alcohols are toxic to M. aeruginosa 12
• 3.3 Mannitol causes the cell death of M. aeruginosa 14
• 3.4 Cell lysis of M. aeruginosa induced by mannitol 17
• 3.5 Determination of mannitol uptake ability using LC-QTOF-MS 25
• 3.6 The ultrastructure changes of M. aeruginosa cells by mannitol 27
• 4. Discussion 29
• 5. Conclusion 34
• References 36
• 국문초록 48