Metagenomic approaches to understand the beef meat microbiota and their interactions

Abstract

Beef is one of the most consumed food in the world, and it can be spoilage or occurred foodborne illness by microbes. These risks could be caused by resident microbiota and their interactions in beef meat. However, there are little information about the potential risk factors by resident microbiota and interactions between microbes in beef meat. In this study, we analyzed the composition, bacterial interactions, and their predicted functions of microbiota in beef meat. A total of 120 beef meat samples (60 fresh ground and 60 non-grounded beef samples) were collected from three different sites and different sampling months in South Korea, and the microbiota were analyzed by the MiSeq system. Although the microbiota in beef meat were different in each sampling site and sampling month, the dominant phyla were same with sharing core bacteria. In particular, psychrotrophic genera related to spoilage were detected in all samples, and they were significantly increased in July. In the co-occurrence networks, genera related to spoilage were negatively correlated to other indigenous genera. These genera could inhibit the growth of other microbes with using glucose by fermentation. Carnobacterium could play the key role in these interactions. Results in this study extend our understanding of microbiota and spoilage by resident microbiota in beef meat, and can apply to develop the prevention and reduction the bacterial risks of beef meat products.

소고기는 전세계적으로 섭취량이 많은 식품 중 하나이며, 상재균으로 인한 소고기 부패나 식중독 사고에도 취약한 식품이다. 이러한 식품 안전 사고들을 예방하기 위하여, 많은 연구가 진행되었지만, 선행 연구들은 특정한 종의 식중독균이나, 부패세균에만 초점을 맞춰 연구를 진행하였으며, 대부분 배양법을 기반으로 하는 연구에 그쳤다. 그러나 소고기의 부패나 식중독 사고에는 소고기 마이크로바이옴을 구성하고 있는 다양한 종류의 박테리아들이 영향을 미치며, 그들이 주고 받는 상호작용이 매우 중요한 역할을 한다고 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 소수의 종이 아닌 소고기의 마이크로바이옴 전체를 분석하여, 마이크로바이옴의 구성과 그들 사이의 상호작용을 분석하고, 나아가 그들의 기능과 역할을 중심으로 하여, 안전성 제고를 위한 마이크로바이옴의 역할을 이해하고자 하였다. 본 연구에 사용한 소고기는 국내 세 지역의 축산물 종합 처리장 (LPC) 에서 1월과 7월에 각각 샘플링 하였으며, 소고기의 마이크로바이옴은 Illumina MiSeq 으로 시퀀싱 후 분석하였다. 분석 결과, Firmicutes (51.03%) 와 Proteobacteria (36.58%) 가 모든 지역과 계절 샘플에서 우점함을 확인하였다. 소고기 마이크로바이오타 구성은 지역과 계절에 따라 차이가 있었으나, 우점종은 매우 유사하였는데, 특히 소고기 부패세균으로 알려진 저온 세균들이 모든 샘플에서 발견되었으며, 이들은 7월 샘플에서 특이적으로 증가했다. 동시출현 네트워크 분석 결과, 이 부패세균들은 다른 소고기의 상재균들과 음의 상관관계를 가졌으며, 그들은 소고기 내에서 포도당 발효를 통해 상재균들의 성장을 저해하고, 우점하여 결과적으로 소고기 부패를 일으킬 것으로 예측되었다. 동시출현 네트워크 상에서 Carnobacterium 은 소고기 부패를 일으키는 상호작용에서 중요한 역할을 하는 부패세균으로 확인되었다. 본 연구는 소고기 마이크로바이옴을 총체적으로 분석하여, 상재균으로 인해 일어날 수 있는 소고기 부패와 식중독 사고를 예방하기 위한 중요한 자료를 제공한 연구이다. 또한, Carnobacterium 의 유무가 소고기의 부패 과정에서 중요한 역할을 할 것임을 동시출현 네트워크 분석을 통해 예측하였으며, 이를 소고기 섭취 안전성을 높이기 위한 주요 제어 타겟으로 사용할 수 있음을 제안하였다.