국립부경대학교 | PKNU Lab of Microbial Ecology
실험실 소개
Research Topics

실험실 소개

Research Topics

 

● Culture-dependent and -independent Methods to Study Microbiomes

  • ◇ All microorganisms and their genetic information in a specific environment is called microbiome and research on the microbiome is one of most important and exciting research topics and trends in microbiology in recent years. By analyzing the diversity of microorganisms, it is possible to reveal the influence of microbial communities on the surrounding environments and their interactions with other organisms.
  • ◇ However, the number of microorganisms that can be isolated and cultured in the laboratory is extremely small, so there is a limit to microbial research through culture. Recently, research on microbiology is widely used to identify the types, amounts, and roles of various microorganisms that exist in the environment through research that combines culture-dependent and independent methods.
  • ◇ In the microbial ecology laboratory in PKNU, we are conducting experiments to find out the characteristics and distribution of microorganisms living in various habitats, and their interactions, and to study how to apply useful microorganisms that are helpful to humans.
  • ◇ For this purpose, research methods such as microbial community analysis, quantitative PCR, metagenomics, phylogenetics, genomics, bacterial systematics, next-generation sequencing, and bioinformatics are used to reveal the types and amounts of microorganisms in the ecosystem, to find new microorganisms and genes and understand the microbiome to use for application to industries.

 Microbial Community Analysis
  • ◇ Recently, microbial community analysis is a method that can simultaneously analyze the diversity of hundreds of species of microorganisms in dozens of samples by obtaining tens to hundreds of millions of sequences using next-generation sequence analysis. To this end, tens of thousands to hundreds of thousands of sequences are compared with each other, divided into phylotypes (ASV, OTU, etc.), compared with the database, and the type and ratio of microorganisms can be identified by identifying which microorganisms they are. In addition, diversity indices such as Chao1 and Shannon index are analyzed for each sample, and samples can be divided into groups according to the type and ratio of microorganisms. Depending on the specific conditions, it is possible to confirm which types of microorganisms are more present, and statistical significance can be confirmed by performing statistical analysis.
  • ◇ In the meantime, research has been conducted to reveal the diversity and role of microorganisms in various environments such as soil, ocean, marine life, and food, and has been published in a number of SCI journals. Recently, a paper analyzing the relationship between the factors affecting shrimp farming and the microbiome in shrimp farms was published in the SCI journal (Figure).

 

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  • Figure. Study to reveal microbiome changes according to environmental factors in the biofloc aquaculture system of the Pacific whiteleg shrimp, Litopenaeus vannamei.
 
 Bacterial Systematics
  • ◇ Isolating new bacterial strains from various environments (bacteria hunting), comparing them with existing strains (identification), setting the position of the new strains (classification), and making and proposing new scientific names (nomenclature) are the major topics of bacterial systematics, and what we are doing in this laboratory. So far, more than 30 new species and/or genera were proposed, accepted, and published. Among them, Pukyongia salina, Pukyongiella litopenaei, Salaquimonas pukyongi, and Pikeienuella piscinae are the cases in which the new scientific names followed the name of Pukyong National University, the university that the laboratory belongs to.
  • ◇ For the analysis of new bacteria, chemical taxonomic analysis such as API test, Biolog test, fatty acid analysis, and polar lipid analysis are performed and students will learn how to do chemical analysis.

 Bacterial Genomics
  • ◇ According to the recent development of next-generation sequencing methods, the cost of analyzing the whole genome sequence of a bacterium has become cheaper, and accordingly, research on analyzing the entire genome of a bacterium is becoming common in microbiology. Also in bacterial systematics, such genome analysis research is essential to describe the new bacterial taxa. More than 20 bacterial genome analyses have been performed in this laboratory. 
  • ◇ Comparative genomics is a useful tool to understand the group of bacteria and each member in the group. Pangenome analysis and comparative genomics are also being performed in this laboratory, some bioinformatics tools were used to analyze the bacterial genomes.

 Quantitative Real Time PCR (qPCR)
  • ◇ In the case of general PCR, it is difficult to quantify the ratio of a gene in a sample. To solve this problem, qPCR using fluorescent dyes is widely used. In this laboratory, quantification of nitrifying and general microorganisms is performed through qPCR using amoA gene and 16S rRNA gene primers. For accurate quantification, standards with known concentrations or bacterial cultures are used as standard additions and internal standards, and a standard curve is drawn to perform accurate quantification. Regression curves are obtained using appropriate standards, PCR efficiency is calculated and accurate quantification is performed by confirming that qPCR is proceeding accurately.

  Biostatistics and Bioinformatics
  • ◇ Recently, a lot of information and programs have been provided so that biologists can easily use biostatistics and bioinformatics tools, and this laboratory is also using these tools to perform various bioinformatics and statistical analyzes. In particular, in microbial ecology, various bioinformatic tools must be used to analyze tens to hundreds of millions of sequence information obtained through Next Generation Sequencing. For fast analysis, a server with a 64-core CPU and 256GB RAM is equipped in the laboratory to perform the analysis.
  • ◇ In this laboratory, data obtained from amplicon sequencing, metagenomics, genomics, etc. are analyzed and visualized using programs and packages such as standalone BLAST, QIIME2, Picrust2, R project, Python, Conda, Matplotlib, Pandas, Seaborn, SciPy, Scikit-learn, etc. Statistical analyses such as ANOVA, PCoA, UniFrac, and PERMANOVA and ecological analyses such as alpha- and beta-diversity estimation are performed.

 Projects
  • ◇ The microbiomes of crustaceans, specially, shrimps and crabs are being analyzed as a project funded by the Ministry of Oceans and Fisheries. We are conducting tasks to isolate and identify new symbiotic microorganisms and to study the interaction between the host and the microbiome. The knowledge and bioresources will be applied to the industries such as aquaculture and fisheries. 
  • ◇ We are carrying out a project funded by the National Research Foundation of Korea to isolate new microorganisms that have not been isolated before by combining non-culture and culture methods.


연구주제


Culture-dependent and -independent Methods to Study Microbiomes 

 

²특정 환경 내에 존재하는 모든 미생물의 군집과 그 유전정보를 마이크로바이옴 (microbiome)이라고 하며 이러한 마이크로바이옴 연구가 최근 미생물학의 중요한 연구 주제 및 경향 중의 하나임. 미생물들의 분포와 다양성을 분석함으로써 미생물 군집들이 주변 동식물에 끼치는 영향과 그와 관련한 생태계 내 상호작용 등을 밝혀낼 수 있으며, 이를 통해 미생물의 생태계 구성원으로서의 중요성과 영향력을 알 수 있음. 

²하지만 현재까지 실험실 내에서 인공적으로 배양이 가능한 미생물의 수는 극히 적기때문에 배양을 통한 미생물실험에는 한계가 있습니다. 최근 미생물학 연구는 배양과 비배양 방법을 종합한 연구를 통하여 환경에 존재하는 다양한 미생물의 종류와 양 그리고 그 역할을 밝히는 연구가 널리 쓰이고 있음.

² 미생물 생태학 실험실에서는 다양한 서식지에 사는 미생물들의 특성과 분포그들간의 상호작용을 알아내고 이를 통하여 인간에게 도움이 되는 유용한 미생물들을 실생활에 적용하는 방법을 연구하는 실험을 진행하고 있음.

²이를 위하여 미생물 군집 분석법(microbial community analysis), 정량 PCR (quantitative PCR), 메타게놈학 (metagenomics), 계통발생학 (phylogenetics), 유전체학 (genomics), 세균 분류학 (bacterial systematics), 차세대 서열 분석(next generation sequencing)과 생물정보학(bioinformatics) 등의 연구방법을 이용하여 생태계의 미생물의 종류와 양을 밝히고, 새로운 미생물과 유전자를 분리하고 환경의 마이크로바이옴을 이해하고 이용하는 연구를 수행하고 있음

 

Microbial Community Analysis 

²최근의 미생물 군집 분석법(microbial community analysis)은 차세대 서열 분석을 이용하여 수천만-수억개의 서열을 얻어 수십개의 샘플에서 수백종 이상의 미생물의 다양성을 동시에 분석할 수 있는 방법임. 이를 위해서는 수만-수십만개의 서열을 서로 비교하고 phylotype (ASV, OTU 등) 으로 나누고 데이터베이스와 비교하여 어떤 미생물인지 확인하여 미생물의 종류와 비율을 확인 할 수 있음. 또한 샘플 별로 chao1, shannon index 등과 같은 다양성 지수를 분석하고 미생물의 종류와 비율에 따라 샘플들을 서로 그룹 별로 나눌 수 있음. 특정한 조건에 따라서 어떤 종류의 미생물이 더 많이 존재하는지를 확인할 수 있으며 통계적인 분석을 수행하여 통계적 유의성을 확인할 수 있음.  

²그동안 토양, 해양, 해양 생물, 식품 등 다양한 환경에서 미생물의 다양성과 역할을 밝히는 연구를 수행하여 다수의 SCI 저널에 출간하였음. 최근에는 새우 양식장에서 새우의 양식에 영향을 미치는 요인과 마이크로바이옴 간의 관계를 분석하는 논문을 SCI 저널에 출간하였음 (그림). 

 

그림. 흰다리 새우의 바이오플락 양식과정에서의 환경 요인에 따른 마이크로바이옴의 변화 분석 결과

 


Bacterial Systematics 

 ²다양한 환경에서 세균 균주를 분리하여 (미생물 탐색), 기존의 균들과 비교하여 어떤 균주인지 밝히며 (동정),  기존의 분류군과 다른 새로운 세균을 찾아 새로운 분류군을 미생물 탐색 연구를 수행. 새로운 분류군 후보 균주는 다양한 분류학적 실험을 통하여 그 특성을 밝히고 서술하고 (기술), 새로운 학명을 지어 주어 (명명), 30 종 이상의 새로운 종과 속 등을 제안하고 논문을 출간하였음. 이 중 Pukyongia salina, Pukyongiella litopenaei, Salaquimonas pukyongi, Pikeienuella piscinae 등은 연구를 수행한 부경대학교의 이름을 어근으로 하여 신속 또는 신종의 학명이 만들어진 경우임. 

 ²신균의 분석을 위하여 API test, Biolog test, 지방산 분석, 극성 지질 분석 등의 화학 분류학적 분석을 수행하고 있음.

 

Bacterial Genomics

  ²최근 차세대 서열 분석법의 발달에 따라 한 세균이 가지고 있는 전체 유전체 서열(whole genome sequence)을 분석하는 비용이 저렴해졌으며 이에 따라서 세균의 전체 유전체를 분석하는 연구가 보편화 되고 있음. 분류학에서도 이러한 유전체 분석 연구가 필수적으로 쓰이고 있음. 본 연구실에서 20건 이상의 세균 유전체 분석을 수행하였으며 그 외 범유전체 (pangenome) 분석 및 비교 유전체학적 분석 (comparative genomics) 을 수행하고 있음. 


Quantiative Real Time PCR (qPCR) 

 ²일반적인 PCR의 경우에는 샘플 내의 유전자의 정량이 어려운 문제가 있어 이를 해결하기 위하여 형광염료를 사용한 qPCR이 널리 사용되고 있음. 본 연구실에서는 16S rRNA gene, amoA gene 프라이머 등을 이용한 qPCR을 통하여 질산화 및 일반 미생물의 정량을 수행하고 있음. 정확한 정량을 위해서 농도가 알려진 표준물 또는 세균의 배양액을 이용하여 표준물 첨가 및 내부 표준으로 사용하고 표준 곡선을 그려 정확한 정량을 수행하고 있음. 적절한 표준물을 이용하여 회귀곡선을 구하고, PCR 효율을 구하여, qPCR이 정확하게 진행되고 있는 지를 확인하여 정확한 정량을 수행하고 있음. 

 

Biostatistics and Bioinformatics

²최근 생물통계학 및 생물정보학 도구를 생물학자들이 쉽게 이용할 수 있도록 많은 정보와 프로그램들이 제공되고 있으며, 본 실험실에서도 이런 도구들을 이용하여 다양한 생물정보학적 및 통계학적 분석을 수행하고 있음. 특히 미생물 생태학에 있어서 차세대 서열 분석(Next Generation Sequencing)을 통해서 얻어진 수천만-수억개의 서열 정보를 분석하기 위해서는 다양한 생물 정보학적인 도구를 이용해야 함. 빠른 분석을 위하여 64코어 CPU와 256GB 램을 가진 서버를 실험실에 구비하여 분석을 수행하고 있음.

²본 실험실에서는 standalone BLAST, QIIME2, Picrust2, R project, Python, Conda, Matplotlib, Pandas, Seaborn, SciPy, Scikit-learn 등과 같은 프로그램 및 팩키지 등을 이용하여 Amplicon sequencing, metagenomics, genomics 등에서 얻어진 데이터를 정리, Visualization 등을 수행하고 있으며, ANOVA, PcoA, UniFrac, PERMANOVA와 같은 통계 분석 또는 alpha, beta diversity 분석 등을 수행하고 있음.


Projects

²갑각류  새우와 게의 마이크로바이옴의 분석 과제를 수행하고 있으며새로운 공생 미생물을 확인하고 분리하며숙주와 마이크로바이옴의 상호작용에 대해서 연구를 하는 해양수산부 과제를 수행하고 있음.

²비배양 방법과 배양방법을 조합하여 기존에 분리되지 않은 새로운 미생물을 분리하는 연구재단 과제를 수행하고 있음.