부산대학교 도서관

녹농균는 기회감염균으로서 다양한 환경에 대한 높은 적응력과 여러 항생제에 대한 저항성으로 인해 인류의 건강에 큰 위협으로 급부상하고 있다. 이러한 균의 특성들은 이 균이 원내감염을 일으키는 주요 원인이 되는데 큰 역할을 하였다. 또한 이 균은 바이오필름을 매우 잘 형성하는 균으로 알려져 있다. 바이오필름은 미생물들의 공동체 집단으로서 다양한 물질의 표면에 존재하며 일반적으로 세포외기질 등에 의해 둘러싸여 있다. Chapter I 은 바이오필름에 대한 간단한 역사와 녹농균과 녹농균의 바이오필름에 대한 기본 정보, 바이오필름 감염과 multi-species 바이오필름에 대한 literature review로 구성되어 있다.Chapter II에서는 녹농균 바이오필름의 형성이 최소생장억제농도 이하의 항생제 처리 시, 오히려 더 증가하는 현상의 원인이 되는 유전자를 찾기 위해 연구가 시작되었다. 녹농균의 protoptye인 PAO1균주의 transposon (Tn) mutant library의 돌연변이를 약 5,000개 정도 검사한 결과, fiuA 유전자에 transposon이 삽입된 균주에서 carbenecillin이 최소생장억제농도 이하로 처리되었을 경우, 바이오필름의 형성이 결여됨이 확인되었다. fiuA 유전자는 녹농균의 철 이온 획득에 관여하는 ferrichrome receptor A를 코딩하는 유전자이다. 흥미롭게도 녹농균의 잘 알려진 siderophore인 pyochelin과 pyoverdine의 생산이 결여된 ΔpchΔpvd 돌연변이에서는 바이오필름 형성이 감소하지 않았다. 그리고 fiuA 의 non-polar deletion 돌연변이인 ΔfiuA 는 녹농균의 주요 병독인자인 elastase의 생산이 급격히 감소되어 있었고 마우스의 호흡기 감염 결과, 이 돌연변이는 매우 낮은 병원성을 지니고 있음이 확인되었다. Chapter III에서는 녹농균의 polymicrobial바이오필름에서의 병원성 인자를 연구했다. 바이오필름 감염 모델이 의학계에 소개된 후, 바이오필름이 대부분의 만성감염의 주요 원인이 된다는 사실이 밝혀졌다. 하지만 여전히 만성 바이오필름 감염의 치료는 환부의 수술적인 제거만이 효과적인 치료방법으로 사용되고 있으며 대부분의 만성감염은 polymicrobial infection으로 알려져 있다. Pseudomonas aeruginosa와 Enterococcus faecalis는 바이오필름 감염에서 높은 빈도로 동정되는 균들이지만 이 두 박테리아의 상관관계에 대한 연구는 매우 부족한 실정이다. 이 연구에서 우리는 P. aeruginosa와 E. faecalis의 dual-species 바이오필름에서 급격한 점성(elasticity)의 증가와 각 균의 뚜렷한 공간적인 분포를 관찰했으면 이러한 표현형질들이 P. aeruginosa의 exopolysaccharide (EPS), 특히 Pel과 Psl에 관련되어 있음을 확인했다.종합하면 이번 연구 결과들로 fiuA 유전자가 녹농균의 철 이온의 획득 외에 바이오필름의 형성과 병독성에 영향을 주는 다면발현성 유전자임이 밝혀졌으며 FiuA를 타겟함으로써 녹농균의 병독성을 약화시킬 수 있으며 이를 토대로 녹농균의 병독성을 특이적으로 조절하는 약물의 개발할 수 있다. 또한 이번 연구에서 Psl이 박테리아의 표면부착과 동일 녹농균 사이의 상호작용에 관련하여 바이오필름의 구조를 형성하는데 관여하고 Pel은 polymicrobial 바이오필름에서 다른 종의 박테리아와의 상호작용 및 부착에 더 관여하고 있다는 것이 확인되었다. 따라서 이 두 가지의 EPS 가 polymicrobial 바이오필름 감염의 제거를 더 용이하게 하는 후보목표가 될 수 있는 가능성이 이번 연구를 통해 제시되었다.
Pseudomonas aeruginosa is an opportunistic pathogen, and it became one of the greatest threats to human health worldwide due to their adaptation ability for various environments and resistance against multiple classes of antibiotics. These characteristics of the bacterium contributed to them to become a major causative agent of healthcare-associated infections (HAIs). They are, also, known to develop robust biofilms. Biofilm is a community of microbes that inhabits on various surfaces and typically surrounded by extracellular matrices (ECM). Chapter I is a literature review that includes brief history of biofilms, background information of P. aeruginosa and its biofilm, biofilm infections and multi-species biofilms. In chapter II, the investigation was initiated to identify genes that affect the enhancement of the P. aeruginosa biofilm by the sub-minimal inhibitory concentrations (MICs) treatment of antibiotics. We screened a transposon (Tn) mutant library of PAO1, a prototype P. aeruginosa strain. Among ~5,000 mutants, a fiuA gene mutant was verified to form very defective biofilms in the presence of sub-MIC carbenicillin. The fiuA gene encodes ferrichrome receptor A, involved in the iron acquisition process. Of note, biofilm formation was not decreased in the ΔpchΔpvd mutant defective in the production of pyochelin and pyoverdine, two well-characterized P. aeruginosa siderophore molecules. Moreover, the ΔfiuA, a non-polar fiuA deletion mutant, produced a significantly decreased level of elastase, a major virulence determinant. Mouse airway infection experiments revealed that the mutant expressed significantly less pathogenicity.In chapter III, we investigate pathogenic factors of the Pseudomonas aeruginosa polymicrobial biofilm. Since the introduction of biofilm infection model in medical field, it has discovered that biofilms are responsible for majority of chronic infections. However, the treatments of the chronic biofilm infections are still very limited to surgical removal of the infected sites. Most of the chronic biofilm infections are known to be polymicrobial infections. Pseudomonas aeruginosa and Enterococcus faecalis are two of the most spotted bacterial species in biofilm infections but the study of the interactions between these bacteria was very limited. In this investigation, we observed phenotypic changes in the dual-species biofilm of P. aeruginosa and E. faecalis, such as dramatic enhancement in elasticity of the biofilm, and distinct spatial distribution of each bacterial species in the biofilm. We have found that these phenotypic characteristics were associated with exopolysaccharides (EPS), especially Pel and Psl. Together, our results suggest that fiuA gene has pleiotropic functions that affect P. aeruginosa biofilm development and virulence. The targeting of FiuA could enable the attenuation of P. aeruginosa virulence and may be suitable for the development of a drug that specifically controls the virulence of this important pathogen. Also, Psl is more associated to the bacteria-surface adhesion and the interaction between P. aeruginosa cells to form a structured biofilm, and Pel is more related to interspecies interaction in the polymicrobial biofilm. Therefore, these two EPS can be targets for polymicrobial biofilm infection eradication.