기하학적 접근법을 이용한 MALDI TOF MS에 의한 바실러스 균주 식별

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 16989(2015) 이 기사 인용

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MALDI TOF 질량 분석법을 통한 미생물 식별은 연구 대상 유기체의 질량 스펙트럼과 기준 균주의 질량 스펙트럼 비교를 기반으로 합니다. 빠르고 믿을 수 있는 방법입니다. 그러나 상업용 데이터베이스와 프로그램은 대부분 임상적으로 중요한 균주를 식별하기 위해 설계되었으며 특정 질량 분석기 모델에만 사용할 수 있습니다. 개방형 플랫폼과 참조 데이터베이스의 필요성은 분명합니다. 본 연구에서 우리는 질량 스펙트럼을 통한 미생물 식별을 위한 기하학적 접근 방식을 설명하고 Bacillus pumilus 그룹에 속하는 24개 균주를 분석하여 그 기능을 입증합니다. 이 방법은 질량 스펙트럼을 다차원 공간의 점으로 표현하는 것을 기반으로 하며, 이를 통해 기하학적 거리를 사용하여 스펙트럼을 비교할 수 있습니다. 기하학적 접근법에 의해 수행된 미생물의 구분은 Biotyper 3.1을 사용한 분자 계통발생 분석 및 클러스터링 결과와 잘 연관되어 있습니다. 사용된 세 가지 방법 모두 균주를 밀접하게 관련된 종인 Bacillus pumilus 및 Bacillus altitudinis에 해당하는 두 그룹으로 확실하게 나눌 수 있었습니다. 우리가 개발한 방법은 미생물 식별을 위해 개방형 참조 데이터베이스를 사용하도록 설계된 웹 인터페이스에서 구현됩니다. 데이터는 http://www.bionet.nsc.ru/mbl/database/database.html에서 확인할 수 있습니다.

극한 환경에서 분리된 박테리아 균주를 연구할 때 Bacillus 속을 포함한 박테리아 균주를 신속하고 안정적으로 식별해야 합니다. Bacillus 속은 세포내 포자를 형성하는 그람 양성 호기성 또는 통성 혐기성 막대 모양 박테리아를 포함합니다. 여기에는 80종 이상의 유효한 종이 포함됩니다1. 이 속의 대표자는 토양, 공기 및 물에 풍부하며 식품, 섬유 및 화학 산업에서 산업용 효소의 공급원으로 널리 사용됩니다2. 이들은 또한 재조합 유전자3의 발현 숙주이자 재조합 유전자4의 공급원으로도 사용됩니다. 바실러스(Bacillus) 균주는 식물 성장을 촉진하는 뿌리박테리아5 및 오염 제거 시스템6,7 용도로 농업에 유망합니다.

지난 30년 동안 이 속의 계통분류는 실질적으로 개정되었습니다. 일부 종은 Alicyclobacillus, Paenibacillus, Aneurinibacillus, Brevibacillus, Halobacillus, Virgibacillus, Filobacillus 및 Jeotgalibacillus와 같은 새로운 속으로 분리되었습니다. 또한 Bacillus 속에는 밀접하게 관련된 여러 종 그룹이 포함되어 있어 구분이 어렵습니다. 예를 들어, Bacillus cereus 그룹에는 Bacillus cereus, Bacillus anthracis 및 Bacillus thuringiensis가 포함되며, 이들은 유전적으로 매우 유사하지만 그럼에도 불구하고 병원성이 다르기 때문에 별도의 종으로 간주됩니다8. 또 다른 예는 Bacillus subtilis subsp. 종을 포함하는 Bacillus subtilis 그룹입니다. 서브틸리스, 바실러스 아밀로리퀘파시엔스, 바실러스 리케니포르미스, 바실러스 아트로파이어스, 바실러스 모하벤시스, 바실러스 발리스모티스, 바실러스 서브틸리스 subsp. spizizenii 및 Bacillus sonorensis. 이들 종의 16S rRNA 유전자 서열은 99% 이상의 서열 유사성을 갖고 있어 이것만으로는 구별이 불가능합니다9. 새로운 종인 Bacillus safensis는 gyrB 유전자의 서열을 기반으로 B. pumilus로부터 분리되었으며 다상 분류학 접근법을 사용하여 세 가지 종, 즉 Bacillus altitudinis, Bacillusstratosphaericus 및 Bacillus aerophilus11이 추가로 기술되었습니다. 이들 종은 밀접하게 관련된 16S rRNA 유전자 서열을 갖고 있으며 B. pumilus 그룹을 형성합니다12.

생화학적 테스트, DNA 염기서열 분석과 같은 전통적인 미생물 식별 방법은 시간이 많이 걸리고 노동 집약적입니다. MALDI TOF 질량 분석기를 사용하는 최근 개발된 접근 방식은 간단하고 빠릅니다. 이는 연구된 표본의 단백질 스펙트럼과 참조 스펙트럼 데이터베이스의 비교를 기반으로 합니다. 여러 연구에서는 표준 프로토콜이 사용되는 경우 이 방법의 높은 재현성을 입증했습니다. 식별 정확도는 다양한 성장 조건17,18,19을 견딜 수 있는 것으로 알려져 있습니다.