소 유방염은 미생물 감염으로 인해 발생하는 유선의 염증반응으로 우유의 생산과 품질 및 동물 복지에 부정적인 영향을 미친다. 이러한 미생물들은 생물학적 또는 비생물학적 표면에 단단히 부착된 살아있는 세포 공동체로 구성된 바이오필름을 형성할 수 있다. 바이오필름은 항생제의 효능을 약화시키고, 병원균이 숙주의 선천적 면역체계를 회피하도록 도움으로써 소 유방염의 만성화 또는 재발에 기여한다. 따라서 본 연구에서는 소의 유방염 병원균의 유병률과 독성을 조사하고, 이러한 병원균에 대해 항균 및 항바이오필름 활성을 갖는 유산균 유래 천연 포스트바이오틱스를 개발하는 것을 목표로 하였다.
첫 번째 연구에서는 소 유방염 원유와 정상 원유 분리주의 독성 특성을 비교하기 위하여 2015년부터 2020년까지 국내 39개의 낙농장에서 Enterococcus spp.를 분리하였다. 총 122개의 중 Enterococcus faecalis(73.8%)가 대다수를 차지하고, Enterococcus faecium(26.2%)이 그 뒤를 이었다. 소 유방염 원유에서 분리된 E. faecalis는 gelE, asa1, esp 및 cylA 유전자를 각각 85.7%, 71.4%, 54.3% 및 30.0%로 보유하고 있었다. asa1 유전자를 제외한 독성 유전자들은 정상 원유보다 소 유방염 원유 분리주에서 우세하게 관찰되었다(p < 0.0001). 흥미롭게도 소 유방염 원유 분리주에서는 강력한 바이오필름과 젤라티나제 형성이 관찰되었으며, 이는 esp 및 gelE 유전자의 존재와 유의적인 상관관계가 있었다(p < 0.05). 소 유방염 원유 분리주는 정상 원유 분리주보다 테트라사이클린(59.3%), 클로람페니콜(21.0%), 리팜피신(18.5%), 독시사이클린(4.9%), 시프로플록사신(1.2%) 및 니트로푸란토인(1.2%)에 대해 높은 내성을 보였다. 따라서, esp, gelE 및 cylA 유전자와 항생제 내성을 보유한 E. faecalis는 소 유방염의 원인균일 수 있으며, 독성 인자를 인간에게 전달하는 저장소 역할을 할 수 있다.
두 번째 연구에서는 케피어와 정상 원유에서 잠재적 프로바이오틱스를 분리 및 선별하고 Staphylococcus aureus, E. faecalis, Pseudomonas aeruginosa 및 Escherichia coli와 같은 주된 소 유방염 병원균에 대한 항균 효과를 평가하는 것을 목표로 하였다. 케피어 및 정상 원유에서 분리된 유산균은 인공 위장 조건에서 생존 가능성, 안전성 특성(용혈 및 젤라티나제 생산), 생리학적 특성(소수성, 자가응집, 세포 부착 및 바이오필름 형성)과 같은 프로바이오틱 특성을 분석하여 선별되었다. 20개의 분리된 유산균 중 케피어 유래 Lentilactobacillus kefiri LK1 및 Lactococcus lactis LL2와 정상 원유 유래 E. faecium EFM2은 인공 위장 조건에서 생존했으며, 용혈 및 젤라티나제 생성에 대해 음성이었다. 선정된 3개의 유산균은 대장 선암종(Caco-2) 세포에 대한 높은 접착력(98.49-99.09%)과 바이오필름 형성능을 보였다. 또한, L. kefiri LK1 및 E. faecium EFM2 유래 포스트바이오틱스는 25% 최적 농도에서 세포 독성이 없었으며, 미처리군과 비교하여 소 유방염 병원균의 성장을 유의적으로 억제하였다(p < 0.05). 이러한 결과는 L. kefiri LK1 및 E. faecium EFM2이 낙농 산업에서 천연 항균제로서의 잠재력을 가지고 있음을 시사한다.
세 번째 연구에서는 소 유방염 병원균에 대한 항균 유산균 유래 포스트바이오틱스의 항바이오필름 활성의 메커니즘을 조사하였다. 케피어 유래 L. kefiri LK1은 정상 원유 유래 E. faecium EFM2 보다 유의적으로 높은 젖산을 생산했으며, 이는 생화학적 활성 차이에서 기인했다(p < 0.05). 최적 농도 25%의 포스트바이오틱스 L. kefiri LK1(POS_LK1) 및 E. faecium EFM2(POS_EFM2)은 병원균의 소수성, 자가 응집 및 세포 외 다당류 생산과 관련된 표현형 및 유전형을 조절함으로써 항바이오필름 활성을 나타냈다(p < 0.05). 특히 POS_LK1의 처리는 POS_EFM2 처리에 비해 E. faecalis의 자가 응집 및 세포 외 다당류 생산을 감소시켰으며, P. aeruginosa에서 wspA 및 pelA 발현을 하향 조절하였다(p < 0.05).
결론적으로, 소 유방염 원유 분리주는 정상 원유 분리주보다 더 높은 독성 유전자 양성 및 강한 바이오필름 형성을 통해 극한 환경에서 생존할 수 있으며, 이는 소 유방염의 유발 및 만성화에 기여한다. 케피어 유산균에서 분리된 POS_LK1은 항균 활성을 바탕으로 소 유방염 병원균의 생물막 형성 전과정을 유의미하게 억제하였다. 따라서 POS_LK1은 유제품 산업에서 병원균의 바이오필름에 의한 소 유방염을 효과적으로 예방하기 위한 항바이오필름 제재로 사용될 수 있다.