Natural products (NPs) are primary and secondary metabolites synthesized mainly by microorganisms, plants, and animals and are a rich resource of bioactive compounds for valuable applications. Plants are a source of a wide range of natural products with various therapeutic properties, with a high proportion of NPs recorded from plant origin. However, many substances are also being discovered in archaea, protists, bacteria, fungi, and animals. In particular, the proportion of bioactive compounds from the bacterial origin is several times higher than that from the other kingdoms of life. Although the number of NP from the bacteria is less than that from the other kingdoms of life.Microbial fermentation is considered an essential tool to increase plant-based materials' bioactive compounds and functional properties by converting high-molecular compounds into bioactive low-molecular structures, which could solve this problem. The bioactive compounds generated from fermented products are mainly regarded as the metabolic activities of the fermenting microbial community or their biologically active metabolites. In this study, thousands of bacterial strains isolated from particular domestic environments (soil, fermented products, salt, hot springs, seawater, freshwater, etc.) were studied to increase bioactivity and diversify the functionality of natural products. Among them, we created the microbial data bank consisting of 518 strains (22 species, ten genera, four families) belonging to QPS (Qualified presumption of safety)-recommended biological agents approved by EFSA (The European Food Safety Authority). In addition to identifying the strains that belong to QPS-recommended agents, their characteristics, such as optimal growth temperature, pH, salt concentration, extracellular enzyme activity, auxin production, and antimicrobial activity were also analyzed. Based on the database, QPS-microorganisms were used as candidate strains for the fermentation of natural products and natural resources of animal and vegetable origin (fish collagen, fish gelatin, oysters, green garlic, Geumhwagyu, free-range seaweed, white tree ear mushrooms, black tree ear mushrooms, and Gyeonwooja). The functionality of the fermented product was confirmed. In order to select the above natural resources optimal fermentation candidate strains, extracellular enzyme activity, various activities, fermentation growth rate, protein degradatioin ability, and antioxidant activity were investigated, and the final eight excellent strains were selected. Changes in protein content and antioxidant activity during four days (96 h) of fermentation were observed and extracted using Amberlite® XAD4, XAD7HP, and XAD16N resins under optimal conditions. The extract was examined for cytotoxic, antioxidant, and antidiabetic activities in RAW 264.7 cells. When specific strains are used to ferment particular natural ingredients, there is an enhancement in certain functionalities. The fermented extracts showing reduced toxicity of the original raw materials were Fish Gelatin Fermented Extract (FFGE-2) and White Wood Ear Mushroom Fermented Extract (FTFE-1). Fish Gelatin Fermented Extract (FFG-2) using the SE-7 strain exhibited decreased toxicity and increased reactive oxygen species (ROS) scavenging ability. The Fish Gelatin Fermented Extract (FTFE-1) using the CP6 strain showed enhanced α-amylase inhibition activity and reduced toxicity. Oyster Fermented Extract (FCGE-6) using the GH-118-24 strain demonstrated observed cell toxicity after fermentation. However, it exhibited improved ROS scavenging ability compared to the non-fermented extract (CGE-6) and displayed the highest anti-diabetic activity at 60.58%. The Radiating Kelp Fermented Extract (FPYE-1) using the CP6 strain showed an increased ROS scavenging ability of 51.86% after fermentation, with no observed cell toxicity. These results can be expected to be used in food, medicine, cosmetics, and bioproducts by enhancing functionality and multiplication through fermentation of numerous natural products using the particular environment-QPS strain bank.
자연의 미생물, 식물, 동물과 같은 천연 자원(Natural source)으로부터 생성되는 2차 대사산물인 천연물(Natural Products, NPs)은 다양한 생리활성을 가지고 있다. 최근 개발되는 생리활성 물질의 원천으로는 식물 유래 천연물이 가장 높은 비율을 차지하지만, 고세균, 프로티스타, 세균, 곰팡이, 동물류에서도 많은 물질들이 발견 및 개발되고 있고, 특히, 세균 유래 물질의 연구가 특히 활발히 이루어지고 있다. 기존의 식물 유래 천연 생리활성물질 연구기반으로 우수하고 유용한 천연물 발견의 어려움과 새로운 화합물 발견이 더 어려워지고 있는 추세이다. 이에 대한 해결 방안으로 생각되는 미생물 발효는 최근 식물 기반 식품에서 항산화 활성을 향상시키는 중요한 방법 중 하나로 간주되며, 이를 통해 새로운 생물학적 활성 화합물을 얻을 수 있다. 본 연구에서는 천연물의 기능성을 고도화 및 멀티화를 위해, 국내 특수환경(토양, 발효 산물, 염전, 온천, 해수, 민물, 기타)으로부터 수천균주를 분리하였다. 이 중 유럽연합(EFSA)에서 사용되는 식품 사용 미생물 안전 기준에 부합되는 QPS (Qualified Presumption of Safety) 레벨의 518균주(4과 10속 22종)로 작은 규모의 국내 특수환경 유래 QPS 균주은행을 구축하였다. 구축된 QPS-미생물의 동정뿐 아니라, 최적 생육 온도, pH, 염농도, 세포외 효소 활성과 같은 특성을 분석하여 데이터베이스화 하였다. 이 DB를 기반으로 QPS-미생물을 천연물 발효 후보 균주로 활용하여, 동식물성 천연 자원(피쉬콜라겐, 피쉬젤라틴, 굴, 풋마늘, 금화규, 방사무늬김, 흰목이버섯, 검은목이버섯, 견우자) 발효물의 기능성을 확인하였다. 위의 천연자원 최적 발효 후보 균주를 선별하기 위해, 세포외 효소활성 정도와 발효시 생육 속도, 단백질 분해능, 항산화 활성을 조사하였고, 우수한 최종 8균주를 선별하였다. 발효하는 4일(96h)동안의 단백질 함량과 항산화 활성 변화를 관찰하여 최적의 조건에서 Amberlite® XAD4, XAD7HP, XAD16N를 사용하여 추출하였다. 발효 추출물을 이용하여 RAW 264.7 세포에서 세포 독성, 항산화 및 항당뇨 활성을 조사하였다. 발효 후 기존 원물의 독성이 감소한 발효 추출물은 피쉬젤라틴 발효 추출물(FFGE-2)과 흰목이버섯 발효 추출물(FTFE-1)였다. Bacillus subtilis (SE-7) 균주를 이용한 피쉬젤라틴 발효 추출물(FFG-2)은 독성이 감소하면서 ROS 소거능이 높아졌고, Bacillus licheniformis (CP6) 균주를 이용한 피쉬젤라틴 발효 추출물(FTFE-1)은 α-amylase 억제 활성이 향상되었다. Latilactobacillus curvatus (GH-118-24) 균주를 이용한 굴 발효 추출물(FCGE-6)은 발효 후 세포 독성이 관찰되었지만 비발효 추출물(CGE-6)보다 ROS 소거능이 향상되었으며, 60.58%의 가장 높은 항당뇨 활성을 보였다. Bacillus licheniformis (CP6) 균주를 이용한 방사무늬김 발효 추출물(FPYE-1)은 ROS 소거능이 51.86%로, 발효 후 활성이 높아졌고 세포 독성 또한 관찰되지 않았다.이와 같은 결과는 특수환경-QPS 균주 은행을 활용하여 수많은 천연물의 발효를 통해 기능성 강화 및 멀티화하고 이를 식품, 의약품, 화장품, 바이오제품과 같은 다양한 활용성을 기대할 수 있다.