Analysis of Antibiotic Susceptibility for Lactobacillus and Bifidobacterium and Their Antibiotic Resistant Genes

Abstract

Lactobacillus와 Bifidobacterium은 사람의 장 건강에 기여하는 프로바이오틱스로서 주목을 받고 있다. 따라서 이들의 안전성 및 항생제 저항성, 유해균으로의 수평적 유전자 전이에 대한 평가는 산업적으로 유용하게 이용될 수 있다. 본 연구에서는 다양한 생태학적 조건에서 새롭게 분리 및 동정된 8 종의 Lactobacillus와 5 종의 Bifidobacterium 균주, 그리고 표준 균주 6종에 대한 항생제 감수성과 MIC에 대해 시험하였다. 항생제는 총 17종을 사용하였다. 그리고 총 17종의 균주들의 항생제 감수성을 알아보기 위해 ISO에서 제시한 표준 방법을 이용하여 액체 배지에서의 감수성을 확인하였고, 고체 배지 상태에서의 감수성을 확인하기 위해 Etest strip 방법과 디스크 확산 방법을 사용하였다. 17종의 균주 중 유전체 분석이 완료된 균주 10종에 대하여 각각의 항생제에 저항성 또는 감수성을 나타내는 유전자의 존재 여부를 확인하였다. 항생제 감수성 실험 결과, β-lactam 그룹에서는 LSM 배지에서 측정한 MIC 결과가 MRS 배지에서 측정한 MIC결과보다 값이 높았다. Aminoglycoside 그룹에서는 MRS 배지에서 측정한 MIC가 LSM 배지에서 측정한 결과보다 높았으며, 이러한 경향은 Bifidobacterium에서 더 크게 나타났다. 또한, 대부분의 Lactobacillus가 kanamycin에 저항성이 있는 것으로 나타났다. 모든 실험 조건에서 모든 Lactobacillus와 Bifidobacterium은 polymyxin B에 대한 저항성을 가지는 것으로 나타났다. 한편, tetracycline과 chloramphenicol 저항성 유전자를 가지고 있는 균주는 해당 저항성 유전자를 가지고 있지 않은 균주에 비해 대부분 MIC가 높게 측정되었다. 그러나 penP 유전자를 가지고 있지만, β-lactam 그룹에 대해 낮은 MIC를 보인 균주도 있었다. 한편, 이 균주들이 가지는 대부분의 항생제 저항성 유전자는 염색체에 위치할 가능성이 높은 것으로 드러났으며, 이들은 산업적 프로바이오틱스로서의 활용이 용이할 것으로 기대된다.

Lactobacillus and Bifidobacterium are commonly used as probiotics. For their safe use on human consumption under antibiotic treatment, their resistance to various antibiotics and gene transferability to the other enteric bacteria need to be assessed. In this study, the susceptibility and the minimum inhibitory concentration (MIC) for 11 strains of Lactobacillus and six strains of Bifidobacterium were assessed against 17 antibiotics — penicillin G, carbenicillin disodium salt, methicillin, ampicillin sodium salt, dicloxacillin sodium salt sulfate, gentamicin, streptomycin sulfate salt, kanamycin, cephalothin sodium salt, tetracycline, polymyxin B sulfate salt, bacitracin, erythromycin, metronidazole, chloramphenicol, clindamycin hydrochloride, and phosphomycin disodium salt. International Organization for Standardization (ISO) standard broth microdilution method was used in liquid medium. Additionally, the Etest method and the disc diffusion method were applied on agar medium. For the bacteria whose whole genome sequencing were already performed, the annotated antibiotic resistant genes were co-related with actual susceptibility of the corresponding strain. According to the susceptibility tests, β-lactam group antibiotics showed the higher MIC values in lactic acid bacteria susceptibility test medium (LSM) than de Man, Rogosa and Sharpe (MRS) medium. Most of the experimental Lactobacillus and Bifidobacterium showed low MIC values for β-lactam group, even though several strains possessed penP genes coding for penicillin resistance. For aminoglycoside group, MIC measured in MRS medium was higher than the MIC measured in LSM medium, particularly for Bifidobacterium. Most of the Lactobacillus strains were resistant against kanamycin. For all antibiotic susceptibility method, all Lactobacillus and Bifidobacterium were shown to have resistance against polymyxin B. Also, for tetracycline and chloramphenicol, several species were found to possess corresponding resistance gene and have high MIC values for those antibiotics, compared to the other species not possessing the resistance genes. The results of this study are expected to give an insight into a safe and intelligent commercial application of experimental lactic acid bacteria.