[건강유지의 비밀] 제2의 게놈 ‘마이크로바이옴’…선한 박테리아와 공존 공생하는 법

우리의 몸과 장(Gut, 내장)에는 100조개~1,000조개가 넘는 미생물들이(microorganisms) 우글거리고 있다. 과학자들은 신경세포(뉴런)를 제외한 일반 세포의 수를 100조개로 추정하는데, 우리 몸과 내장에 서식하는 박테리아의 수가 세포 수와 같거나 10배 이상 많은 것으로 추정한다. 10배면 1,000조요 100배면 1경이다. 적어도 100조 개의 박테리아가 공존 공생하고 있다. 따라서 이를 에코시스템(ecosystem)이라고 한다. 

유럽의 MetaHit 프로젝트는 2010년에 인간 장(腸)에 서식하는 미생물의 유전자 카탈로그인 마이크로바이옴(microbiome, microbiota, 미생물군집)을 만들어 발표했다. 그 결과 인간의 유전자(666,000개, 이중 Exon은 5%인 33,300개)보다 100배 많은 330만 개의 미생물들의 유전자를 찾아냈다. 이들 미생물의 유전자가 게놈 프로젝트에 이어 ‘두 번째 게놈(second genome)’으로 떠 오르고 있다. 특히 장 플로라(Flora, 꽃밭)는 우리 건강에 중요한 역할을 하고 있다는 것이 밝혀지고, 우리는 이들 미생물과 공존 공생(symbiosis) 한다는 의미에서, 앞으론 ‘두 번째 게놈’이 건강증진과 각종 질병을 퇴치하는 치료약 개발에 지대한 공헌을 할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

그런데 우리 몸과 몸 속에 존재하는 박테리아들은 선(善)한 박테리아와 악(惡)한 박테리아가 80:20으로 나뉜다는 것이다. 악한 박테리아를 세균이라 부른다. 그리고우리와공존공생하는박테리아는선한종의80% 집단이라는 것이다. 따라서 우리 몸과 내장 속에 존재하는 선과 악의 박테리아를 살펴보고 선한 박테리아와 공존 공생하는 방법을 살펴봄으로써, 붉은 원숭이 띠인 병신년(丙申年)은 적극적이고 활기찬 새로운 도전과 창조를 의미함으로, ICT에 종사하는 여러분들에게 건강하게 사는 방법과 우리 아이들을 키우는데 몇 가지 중요한 인사이트를 주고자 함은 물론, 더 나아가 우리 ICT 기업들에게 박테리아에 도전하라는 인사이트를 주고자 한다. 

차 례

​1. 우리 몸 속의 선(善)과 악(惡)의 박테리아
1-1. 2005년에 불을 붙인 헬리코박터 파일로리
1-2. 장에는 400종, 위에는 128종의 미생물들이 서식 
1-3. 유럽의 MetaHit 프로젝트 – 장에는 1,000~1,150종이 서식
1-4. 팔뚝에만 200종 서식 
1-5. 손바닥에만 4,700종, 남성보다 여성 손에 박테리아가 많아

2. 선한 박테리아와 공존 공생하는 법
2-1. 장(Gut)의 박테리아들이 음식과 기분을 결정 
2-2. 박테리아들이 두뇌로 신호를 보내 식욕을 조절
2-3. 선한 박테리아 집단들의 경쟁이 건강을 유지
2-4. 박테리아가 몸무게·비만·콜레스테롤 수준을 결정
2-5. 엄마의 젓이 최고, 선한 박테리아가 아기에 전달
2-6. 어릴 적 운동이 선한 박테리아의 집단을 촉진시켜 성장
2-7. 섬유소 섭취가 선한 박테리아들의 다양성을 유지

3. 시사점

참고문헌

1. 우리 몸 속의 선(善)과 악(惡)의 박테리아

우리의 몸과 장(Gut, 내장)은 평균 1마이크론(1,000나노) 크기의 100조개~1,000조개가 넘는 미생물들이(microorganisms) 우글거리는 동물원(menagerie)을 정박시키고(harboring) 있다. 과학자들은 신경세포(뉴런)를 제외한 일반 세포의 수를 100조개로 추정하는데, 우리 몸과 내장에 서식하는 박테리아의 수가 세포 수와 같거나 10배 이상 많은 것으로 추정한다. 10배면 1,000조요 100배면 1경이다. 적어도 100조 개의 박테리아가 공존 공생하고 있다. 따라서 이를 에코시스템(ecosystem)이라고 한다. 

1-1. 2005년에 불을 붙인 헬리코박터 파일로리 

2005년에 노벨생리의학상은 호주의 배리 마셜(Barry Marshall) 박사와 로빈 워렌(J. Robin Warren) 박사가 수상했는데(노벨상위원회, 2005)1, 이들은 우리 인간 위의 하부에 있는 하부강(Antrum)에 전염된 헬리코박터 파이로리 세균(Bacterium Helicobacter pylori)을 발견하고, 이들이 결국 위염(Gastritis)이나 십이지장 궤양(Duodenal ulcer)과 위 궤양(Gastric or Peptic Ulcer)을 일으킨다는 사실을 발견했다. 

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​▲​ 자료: 노벨상선정위원회(2005), 번역 : 차원용 소장/박사

수상 이유는 두 가지로 요약할 수 있는데, 하나는 다른과학자들은세포안의유전자·RNA·효소·리보솜·염기 등을 연구하는데 반해, 이들은 30년간 오로지 우리 위 속에 존재하고 있는 박테리아를 표적하여 연구했다는 것이고, 다른 하나는 이들이발견한위속에존재하는 10여 종의 박테리아 중 헬리코박터 파이로리 세균만이 인간을 공격하고 있다는 사실을 발견한 것이다. 결국 대략 80%의 박테리아들은 인간과 공존 공생하는 선(善)한 박테리아(Good bacteria)이고 오로지 20%만이 인간을 공격하는 악(惡)한 박테리아(Bad or evil bacteria – 이를 세균이라 부른다)라는 것을 처음으로 밝힌 것이다. 또한 20%의 나쁜 세균들은 건강하지 못한 사람들이나 환경이 좋지 못한 오지나 아프리카 등에서 사는 사람들만 공격한다는 것이다. 

이들의 수상은 박테리아 연구에 불을 지폈으며, 몸 속과 피부에 사는 박테리아부터 선한 박테리아와 공존 공생하는 메커니즘 등 과학적 논문이 잇따르고 있다. 

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▲​ 자료 : 노벨상선정위원회(2005), 번역 : 차원용 소장/박사

 

1-2. 장에는 400종, 위에는 128종의 미생물들이 서식 

스탠포드대학을 중심으로 하는 연구팀이 우리 인간 장에 서식하는 박테리아의 종들이 무려 395종, 대략 400종에 이르는 미생물들을 2005년에 찾아냈다(Eckburg et al., Science, Jun 2005)2. 따라서 장에는 상당량의 박테리아가 서식하는데 이를 박테리아의 꽃(Flora of bacteria, microflora)이라 부른다. 

이어서 2006년에는 스탠포드대학을 중심으로 하는 연구팀은 살도 태울 수 있는 강 산성의 위산이 폭포처럼 쏟아지는 위장에서 128종의 미생물이 서식하고 있다는 사실을 밝혀냈다(Bik et al., PNAS, Jan 2006)3. 지금까지 위장 속에 사는 미생물은 헬리코박터 파이로리(Helicobacterpylori) 등 10여 종밖에 없는 것으로 알려졌었다. 새로 찾아낸 미생물 중에는 방사능 폐기물처리장이나 뜨거운 온천 등에서 발견되는 데이노코쿠스(Deinococcus)라는 박테리아도 있었다. 이번에 발견된 미생물 중에는 지금까지 알려지지 않았던 새로운 종도 10%나 됐다. 문제는 이들 박테리아들 중 어떤 박테리아들이 나쁜 박테리아로 향후 어떻게 정확히 표적하여 죽일 것이냐 이고, 어떤 박테리아가 좋은 박테리아들로 인간과 공존 공생하는 방법을 찾아야 하는데, 인체 내 미생물 중 어떤 것이 인체에 해를 끼치는지 유익한지 아직 연구가 이루어져 있지 않다는데 있다.

1-3. 유럽의 MetaHit 프로젝트 – 장에는 1,000~1,150종이 서식

3유럽의 MetaHit 프로젝트4 팀에 참가한 20여 기관의 40여 명의 과학자들이 인간 장(腸)에 서식하는 미생물(microbes, 박테리아)의 유전자 카탈로그인 마이크로바이옴(microbiome, microbiota, 미생물군집)을 만들어 발표했다(Qin et al., Nature, Mar 2010)5. 그 결과 인간의 유전자(666,000개, 이중 Exon은 5%인 33,300개)보다 100배 많은 330만 개의 미생물들의 유전자를 찾아냈다. 

장(腸) 시스템(intestinal system)의 장(腸)내 세균의 무리를 플로라(Flora, 꽃밭)라고 하는데, 이 곳 미생물의 유전자는 우리 몸의 나머지에 있는 미생물의 유전자보다 훨씬 많다. 우리의 장(腸)에는 1,000-1,150 종의 박테리아가 서식하고 있는데, 이 중 최소 160 종이 사람들과 공유하고 있어(좋은 박테리아), 이들 미생물의 유전자가 게놈 프로젝트에 이어 우리의 ‘두 번째 게놈(second genome)’으로 떠 오르고 있다. 특히 장 플로라는 우리 건강에 중요한 역할을 하고 있다는 것이 밝혀지고, 우리는 이들 미생물과 공존공생(symbiosis) 한다는 의미에서 앞으론 ‘두 번째 게놈’이 건강증진과 각종 질병을 퇴치하는 치료약 개발에 지대한 공헌을 할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

1-4. 팔뚝에만 200종 서식 

미국 뉴욕의대의 과학자들이 인간 팔뚝에 살고 있는 박테리아에 대해 사상 처음으로 상세하게 조사한 결과, 예상보다 훨씬 많은 박테리아 종들이 살고 있으며 그 중 상당수가 과학계에 처음 알려지는 것이라고 밝혔다(Paulino et al., Journal of Clinical Microbiology, August 2006)6. 연구팀은 사람들의 팔(forearm)에서 어느 때이든 평균 200종 이상의 박테리아를 발견했으며 그 중 약 8%는 지금까지 과학자들이 공식적으로 기술하지 않은 것들이라고 밝혔다. 

미 뉴욕의대 세균학자 마틴 블레이저(Martin J. Blaser) 교수와 동료들은 남녀 지원자 6명의 팔뚝에서 면봉을 사용해 박테리아를 채취하고 박테리아로부터 리보솜 DNA(ribosomal DNA, rDNA)를 추출해 분석했다. 그 다음 rDNA를 증폭시키고 마커(표시, markers)를 이용해 서로 다른 종의 박테리아로부터 특정 유전 영역을 찾아냈다. 6명의 참가자들을 8개월에서 10개월 후에 다시 불러 어떤 변화가 있었는지 확인했다. 맨 처음 조사했을 때는 182종의 박테리아가 검출되었으나 그 다음 테스트에서는 65종의 박테리아가 증가되었다. 이중 50% 이상이 이미 알려진 Propionibacteria, Corynebacteria, Staphylococcus 및 Streptococcus 종들이었다. 그리고 8%는 학계에 보고된 적이 없는 새로운 종들이었다. 6명으로부터 발견된 전체 박테리아 종들 중 75%가 모든 6명에게 골고루 존재하는 독특한 선한박테리아들로 이는 팔에는 아주 다양한 박테리아가 살고 있음을 보여주는 것이다.  

블레이저 교수는 "지난 몇 년 동안 50개의 서로 다른 박테리아가 인간 피부에서 발견되었습니다. 앞으로 우리가 알고 있는 것보다 무려 5배 이상의 박테리아와 함께 살아갈 것입니다"라고 말한다. 그는 건성 피부(psoriasis)나 습진성 피부(eczema)를 가진 사람들을 대상으로 연구를 확대할 예정이다. "피부는 박테리아의 천국입니다(The skin is home to a virtual zoo of bacteria). 저는 그렇게 설명하고 싶습니다"라고 그는 말한다. 블레이저 교수는 "여러분 피부의 미생물꽃(microflora)은 대장의 바이러스 꽃처럼 여러분의 피부를 건강하게 유지하게 하는데 중요한 역할을 합니다”라고 말한다. 팔뚝이 선택된 이유는 통상 자주 씻지 않는 곳인데다가 옷을 벗지 않고도 쉽게 접근할 수 있는 피부 부위이기 때문이다(BBC, 6 Feb 2007)7. 문제는 좋은 박테리아들을 어떻게 팔뚝에 청결하게 유지하는가 이다.

1-5. 손바닥에만 4,700종, 남성보다 여성 손에 박테리아가 많아

미국 볼더 소재 콜로라도 대학의 과학자들이 남성보다 여성의 손에서 훨씬 더 많은 종류의 박테리아가 기생하고 있다는 사실을 밝혀냈다. 이번 연구 결과 그전에 생각했던 것보다 훨씬 많은 박테리아가 우리 손에 서식하고 있다는 것(harbour far higher numbers of bacteria species)이 밝혀진 것이다(Fierer et al., PNAS, Nov 2008)8. 이들 연구원들은 가장 강력한 유전자 염기 서열 기술(gene sequencing techniques)을 이용해 우리 손에는 대략 4,700 종류의 박테리아가 서식하고 있음을 발견했다. 이것은 무엇을 말하는가 하면 항생세제(anti-bacterial cleansers)로 손만 잘 씻으면 모든 병의 70%를 예방할 수 있다는 것을 의미하는 것이다. 그런데 재미난 것은 남성의 손 보다는 여성의 손에 50% 더 많이 공생하는데 화장품이나 호르몬 등에 기인하는 것으로 밝혀졌다. 

연구원들은 이번 발견이 인간 손에 서식하는 박테리아를 잘 관리함으로써 건강에 대한 기초(healthy baseline)가 세워질 것으로 기대하고 있다. 또한 더 나아가 어떤 종류의 박테리아가 어떤 병과 연결되어 있는지 밝혀낼 것으로 기대하고 있다. 본 연구를 주도한 피에레(Noah Fierer) 박사는 "우리는 이렇게 많은 박테리아가 손에 서식하고 있다는 사실을 발견하고 모두 놀랐습니다. 특히 여성의 손에는 더욱 많은 박테리아의 다양성이 발견 되었습니다"라고 말한다. 본 연구의 실험 대상이 된 102명의 사람들 손에서 4,742개 이상의 서로 다른 박테리아가 발견되었으며, 오로지 5개의 종만이 51명에서 골고루 발견 되었다. 따라서 박테리아들은 사람에 따라 다양한 종류가 서식하고 있음이 밝혀져, 악수만 해도 다양한 박테리아들이 서로 공유된다는 사실이 밝혀진 것이다. 오바마 대통령의 주먹 인사법이 대두되는 경우이다. 그러므로 사람들과 악수하기 전에 항생세제로 손을 잘 씻어야 한다. 더욱 재미난 것은 같은 사람이라 할 지라도 오른손과 왼쪽 손에서 발견되는 공통의 박테리아들은 오로지 17% 밖에 안 된다는 사실이다. 나머지 83%는 서로 다른 종들이므로 이는 결국 오른손과 왼손이 무엇을 만졌는지에 따라 다양한 박테리아가 서식하고 있다는 것을 의미한다. 

특히 여성의 손에는 남성의 손보다 무려 50%가 많은 박테리아들이 발견되었다. 이에 대해 피에레 박사는 "남성의 피부가 여성보다 산성도(acidic skin)가 더 높아 박테리아가 기생하기에 더 어렵다(harsh living environment for the microscopic bugs)"고 설명하며, "이 밖에도 땀 분비량(sweat), 호르몬(hormone) 생산에서 남녀가 차이가 있고 여성은 수분 함량(moisturisers)을 높이는 화장품(cosmetics)을 사용해 여성이 남성보다 손에 박테리아가 더 많다"고 설명했다.

여성의 손에서 더 많이 발견되는 박테리아를 보면 다음과 같다.

* Enterobacteriales: 400% more abundant on women
* Moraxellaceae: 180% more
* Lactobacillaceae: 340% more
* Pseudomonadaceae: 180% more

더욱 재미난 것은 물로 손을 씻는 것은 박테리아의 다양성 서식에 아무런 영향을 주지 않는다는 것이다. 물론 어떤 그룹의 박테리아들은 물로 손을 씻을 경우 줄어들지만, 다른 그룹의 종들이 더욱 번성한다는 것이다. 따라서 항생세제로 잘 씻어야 모든 전염병의 위험으로부터 70%를 예방할 수 있다는 것이다. 손에 서식하는 박테리아는 그간 밝혀진 팔뚝(Elbow)이나 입(Mouth) 그리고 장(Intestine)에서 발견된 박테리아의 숫자를 훨씬 넘어서고 있다. 

그간 밝혀진 박테리아의 역할을 보면 모든 100%의 박테리아가 인간에게 해로운 것은 아니라는 것이다. 대략 15% 정도는 인간을 공격하는 세균이나 병원균의 역할을 하지만 85%는 인간과 공생하면서 다른 병으로부터 인간을 보호하는 유익한 역할을 한다는 것이다. "그러나 우리는 어떤 박테리아가 유익하고 해로운지 아직 정확하게 알 수 없습니다"라고 피에레 박사는 말한다. 그 이유는 건강한 사람들에게도 박테리아의 다양성이 풍부하게 존재하기 때문에 이를 가려 내기 힘들다는 것이다. 이에 대해 영국의 커티스(Valerie Curtis) 박사는 "과학은 아직 갈 길이 멉니다. 박테리아가 인간의 몸과 어떤 상호작용을 하는지 밝혀 내야 할 것이 아직 많습니다"라고 말한다(BBC, 4 Nov 2008)9.  


2. 선한 박테리아와 공존 공생하는 법
2-1. 장(Gut)의 박테리아들이 음식과 기분을 결정 

미국 샌프란시스코대학(UCSF), 아리조나주립대학(ASU)과 뉴멕시코대학(UNM)의 연구원들이 그간 과학적으로 발표된 논문과 문헌을 조사한 결과 박테리아들이 우리가 먹는 행동(eating behavior)과 식사의 선택(dietary choices) 등 의사결정에 영향을 준다는 사실을 밝혀냈다(Alcock et al., BioEssays, 7 Aug 2014)10. 박테리아들은 그들이 최선으로 살아가는데 필요한 특정 영양분(particular nutrients)을 섭취하기 위해 우리들 보고 무엇을 먹으라고 적극적인 의사 표시를 분자 신호(signaling molecules)로 한다는 것이다. 그저 우리가 먹고 싶은 것을 먹어 장의 박테리아들에게 전달하는 것이 아니라는 것이다. 

박테리아들은 종류에 따라 그들이 필요로 하는 영양분들이 다양하다. 예를 들어 어떤 박테리아들은 지방을 원하고 다른 박테리아들은 당을 원한다. 박테리아들은 음식을 위해 서로 싸우기도 하지만 그들의 목적은 다 다르다는 것이다. 이것이 어떻게 일어나는지 지금으로서는 확실히 알 수 없지만, 장에 서식하는 박테리아들은 우리의 장에 분자 신호를 방출해서 우리가 무엇을 먹을까에 대한 의사결정에 지대한 영향을 미친다는 것이다. 바로 장은 면역 시스템(immune system), 내분비 시스템(endocrine system), 그리고 신경망 시스템(nervous system)과 연결이 되어 있어, 이러한 분자 신호들은 우리의 생리적이고 행동적 반응(physiologic and behavioral responses)에 영향을 끼친다는 것이다.

장 박테리아는 미주(迷走) 신경(vagus nerve)을 통해 우리의 먹는 의사결정에 영향을 준다는 것이다. 미주 신경은 1억 개의 신경세포들로 이루어져 있는데 소화를 추적해서 두뇌로 연결한다. 박테리아들은 이러한 미주 신경 내의 신경세포들의 신호들을 변경해서 우리의 행동과 기분을 조작할 수 있는 능력이 있다는 것이다. 그 결과 혀의 맛 수용체들(taste receptors)을 변경시킴으로써 독소들(toxins)을 생산하여 우리가 나쁘다는 기분을 느끼게 되고, 화학분자들을 방출함으로써 우리가 좋다고 느끼게 한다는 것이다. 아래 그림 참조. 

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▲ 장 박테리아가 신호를 보내 미주 신경을 제어 조작하여 혀에 있는 수용체를 변경함으로써 독소를 먹게 하여 우리는 기분이 나쁘다는 것을 인식. 이때 독소는 박테리아가 필요한 영양분임, 따라서 필자가 보기엔 나쁜 박테리아로 판단됨. Image credit: Alcock et al., BioEssays(7 Aug 2014).

우리의 장에 서식하는 박테리아는 조작적(manipulative)이라는 것이다. 이는 박테리아가 장과 몸(host)을 조작하고 있다는 것이다. 어떤 박테리아는 우리가 추진하는 다이어트의 목표와 같이 행동하고 어떤 박테리아는 그렇지 않다는 것이다. 또한 조작적이라는 의미는 반대로 우리가 박테리아들을 조작할 수 있다는 뜻이다. 우리가 섭취하는 음식을 변경해서 박테리아들로 하여금 우리의 목표와 일치 시킬 수가 있다는 것이다. 24시간 내에 먹는 음식을 변경하면 박테리아들은 변화를 보인다는 것이다. 결국 식이요법은 장에 있는 박테리아의 개체 수에 엄청난 영향을 주고 있는데, 이 규모는 분 단위로 전개되고 있다는 것이다. 나쁜 그룹의 박테리아를 선한 그룹으로 바꿀 수도 있고 선한 그룹을 나쁜 그룹으로 바꿀 수도 있다는 의미이다.

특정 박테리아도 있는데 일본 사람들에게서 발견되는 것으로 이들은 해초(seaweed)를 소화한다. 일본에서는 다이어트 음식으로 해초가 인기 있는 곳이기도 하다. 쥐에서는 특별한 박테리아 집단이 쥐들로 하여금 불안한 행동(anxious behavior)을 증가시키기도 한다. 특히 락토바실루스(Lactobacillus) 박테리아가 들어있는 먹는 친생제(probiotic) – 항생제(antibiotic)의 반대 개념임 – 인 음료가 저기압 상태에 있는 사람들의 기분을 좋게 한다. 따라서 연구원들은 장내의 박테리아 집단을 연구할 예정인데, 예를 들어 해초를 필요로 하는 박테리아를 장에 주입하여, 실제로 사람들이 해초를 더욱 많이 먹게 되는지를 테스트할 예정이다. 또한 건강에 안 좋은 박테리아 집단을 변경함으로써 건강을 증진시키려고 하는데, 바로 친생제인 특정 박테리아를 먹는다든지 아니면 항생제를 주입하여 특정 박테리아를 죽이는 것이 가능하다. 이렇게 함으로써 비만을 조절하여 건강한 삶을 살 수 있을 것이라 연구자들은 논문에 적고 있다. 

결론적으로 박테리아를 임의로 조작해서 해로운 박테리아들을 없앨 수 있는데, 그 방법은 우리가 매일 먹는 음식의 종류를 변경한다든지 특정 박테리아 친생제를 먹고 마신다든지 아니면 항생제로 죽인다든지 하는 방법만이 비만과 건강치 못한 먹는 습관을 고칠 수 있다는 것이다(Science daily, 15 Aug 2015)11.

2-2. 박테리아들이 두뇌로 신호를 보내 식욕을 조절

프랑스, 영국, 스웨덴 등 유럽의 과학자들이 내장의 대장균 박테리아들이 무언가 신호를 두뇌 회로(brain circuits)에 보내고 있다는 사실을 발견했다. 이콜리라 불리는 이 대장균(大腸菌, Escherichia coli, E. coli)은 동물의 창자(대장과 소장)에서 많이 볼 수 있는 박테리아이다. 음식을 먹고 난 후 20분이 지나자 쥐 내장의 이콜리 박테리아들은 단백질들을 만들어 더 이상 음식 섭취(food intake)를 하지 말라고 하는 신호, 예를 들어 단백질 PYY는 포만(Satiety) 신호로 그만 먹으라는 신호이고, GLP-1 은 섭취하라(Hungry)는 신호를 보내고 있음을 발견한 것이다(Breton et al., Cell Metabolism, 24 Nov 2015)12. 그것은 바로 단백질 호르몬 신호(hormone signaling)로 이 신호에 의해 두뇌 회로가 배고픈지 식사를 마쳤는지를 결정한다는 것이다. 또한 연구팀은 이들 단백질들을 쥐에 주입한 결과 두뇌에서 식욕을 줄이거나 촉진시키고 있음도 확인했는데, 이것은 무엇을 의미하는가 하면, 박테리아들이 우리가 언제 얼마나 먹어야 할지 말아야 할지를 제어하여 건강을 조절하고 있다는 것을 의미는 것이다.

“현재 서로 다른 병리학적 조건하에서 수많은 박테리아 연구가 진행되고 있지만, 이들이 하고 있는 메커니즘을 연구한 것은 이번이 처음입니다. 우리의 연구는 몸의 세포에서 포만 신호를 보내는 것과 똑같이 이콜리의 단백질들이 같은 분자 역할을 하고 있다는 것을 밝힌 것입니다”라고 프랑스의 페티소브(Sergueï Fetissov)는 말한다(Science Daily, 24 Nov 2015)13

밥을 먹으면 내장에 있는 박테리아들에게 다양한 영양분을 제공하게 되고, 그러면 박테리아들은 들어온 영양분을 잘 분해하고 공급해서 잃어버린 집단의 멤버들을 대체하게 된다. 박테리아들은 전적으로 우리 몸에 의존하여 살 곳을 정하게 되므로 자기 집단을 형성하며 안정적으로 유지해야만 한다. 따라서 자기집단들이 부족하거나 영양분이 부족할 때 두뇌에 신호를 보내서 영양분을 섭취하게 하여 안정적인 집단을 이루는 박테리아들만의 독특한 생존 커뮤니케이션 방법이라 할 수 있다. 

연구팀은 이콜리 박테리아를 대상으로 이 같은 포만과 섭취 신호를 발견했으나 다른 종류의 박테리아들도 똑 같은 역할을 하고 있는지는 아직 밝혀지지 않았다. 지속적인 연구가 필요한 대목이다.

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▲ 정지된 상태에서의 이콜리가 만든 단백질에 의해 쥐의 중앙 편도핵애서 활성화된 뉴런(c-fos, 그린색)과 주위를 쌓은 신경 터미널(빨강색). Credit: J. Breton, N. Lucas and D. Schapman(Cell Metabolism, 24 Nov 2015).

2-3. 선한 박테리아 집단들의 경쟁이 건강을 유지

영국 옥스포드대의 과학자들이 우리 내장 속에 서식하는 수백 종의 선한 박테리아들의 중요한 에코시스템은, 마치 하나의 정글(a jungle)과 같아서, 선한 박테리아 종들간의 치열한 경쟁(competition)이 전체 종 집단들의 안정성을 유지하게 하여, 결국 우리로 하여금 건강을 유지하게 하는 첩경이라는 사실을 수학적 모델링(mathematical modeling)으로 밝혀냈다(K. Z. Coyte, J. Schluter, K. R. Foster, Science, 6 Nov 2015)14. 특히 과거에 가정했던 종들간의 협력(cooperation)이 아니라 선한 종들간의 경쟁적인 환경이 박테리아 집단들의 안정성을 유지하게 하여 서로 공존할 때 인간에게도 건강을 준다는 것이다. 

“우리 몸에는 다양한 박테리아 집단들이 살고 있습니다. 특히 소화기관(digestive tract)에 있는 수백 종의 박테리아들은 우리 건강에 매우 중요합니다. 하지만 그렇게 오랜 기간 동안 어떻게 이들이 안정적인 상태를 유지하고 있는가에 대해서는 별로 알려진 바가 없습니다”라고 포스터(Kevin Foster)는 말한다(Science Daily, 5 Nov 2015)15. 일반적인 나무들이나 벌들은 협력을 한다. 왜냐하면 한 종의 감소는 전체를 파국으로 몰아넣을 수 있기 때문이다. 그러나 선한 박테리아들은 하나의 정글 속에서 살아남는 나무처럼 치열한 경쟁을 통해 공존 공생한다는 것이다. 그 결과 음식을 분해하고 다른 병원들의 침입을 막아주고 건강한 면역시스템을 유지하게 해준다. 

장 속의 미생물들(gut microbiome)은 생태학적으로 안정성을 유지하는 것이 중요한 것으로 알려져 있다. 서로 다른 사람들은 서로 다른 종들의 박테리아들을 지니고 다니지만, 개인 단의 관점에서 보면 오랜 세월동안 일련의 같은 선한 종들의 세트를 지니고 있다는 것이다. 그런데 이들 종들의 공존 공생하는 집단에 주요 변화(이동, major shifts)가 오면, 그것은 특정 병에 걸린다는 것으로, 예를 들면 설사라든지 식중독에 걸리는 것이다. 뉴스를 보면 학급의 집단 학생들이 같은 식중독에 걸리게 되는데, 이 경우 외부에서 나쁜 병원균들이 유입해 선한 박테리아를 몰아 내는 경우이다. 

2-4. 박테리아가 몸무게·비만·콜레스테롤 수준을 결정

네덜란드, 폴란드 및 미국의 매사추세츠일반병원 및 하버드의대 과학자들이 내장의 박테리아가 몸무게, 비만 및 콜레스테롤(cholesterol) 수준을 떨어트리고 콜레스테롤과 함께 동맥 경화를 일으키는 혈중 중성지방 성분인 트리글리세라이드(triglyceride) 수준을 경감시켜 심장질환(cardiovascular disease)을 예방하고 있다는 연결고리를 밝혀냈다(Fu et al., Circulation Research, 10 Sep 2015)16. 연구팀은 소화기관에 서식하는 34개의 특정 박테리아 종들을 찾아내고 이들이 지질 신진대사(lipid metabolism)에 지대한 영향을 미쳐 콜레스테롤 및 트리글리세라이드 수준을 떨어뜨려 몸무게와 비만을 조절해 건강한 심장을 유지시키고 있다는 것이다. 

콜레스테롤에는 혈관에 쌓인 불필요한 콜레스테롤을 제거해 동맥경화를 예방해 주는 고밀도지단백질(high density lipoprotein, HDL, 좋은 콜레스테롤)과 동맥경화 고지혈증 등 심장질환과 성인병의 주요 원인이 되는 저밀도지단백질(LDL, 나쁜 콜레스테롤), 그리고 중성지방의 트리글리세라이드 등이 있다. 따라서 총 콜레스테롤 수치를 정상 범위 이내로 낮추는 것과 함께 LDL 콜레스테롤과 트리글리세라이드 수치는 낮추고, HDL 콜레스테롤 수치는 높이는 관리가 필요하다.

“우리의 연구는 장의 박테리아들이 고밀도지단백질(HDL)의 수치를 높이고 트리글리세라이드의 수치를 낮추고 있다는 새로운 증거를 찾아 냈습니다. 따라서 이것이 비정상적인 혈중 지방의 위험 요소(risk factor)가 될 수 있을 뿐만 아니라 나이와 성별과 비만의 기준인 신체질량지수(body mass index, BMI)나 유전학과도 관계가 있을 수 있다는 것입니다”라고 네덜란드의 후(Jingyuan Fu) 박사는 말한다(Science Daily, 10 Sep 2015)17

최첨단 딥(deep) 염기서열분석 기술을 이용해, 연구팀은 네덜란드의 893명을 대상으로 내장의 박테리아들과 혈중 지방 수준의 관계를 분석했다. 그 결과 34개의 박테리아 종들이 신체질량지수의 비만과 트리글리세라이드와 같은 혈중 지방, 그리고 좋은 콜레스테롤인 HDL에 기여를 하고 있었다. 항목별로 보면 비만에 4.6%, 트리글리세라이드에 6%, 그리고 HDL에 4%였다. 놀랍게도박테리아들은나쁜콜레스테롤인 LDL과 총 콜레스테롤 수치와는 아무런 관계가 없었다. 이 뜻은 좋은 박테리아 종들은 항상 선한 역할만 한다는 것을 알 수 있는 대목이다. 

과학자들은 우리 내장에 서식하는 박테리아의 수가 일반 세포와 같거나 10배 이상 많은 100조개~1000조개로 추정한다. 그리고 인간과 박테리아들은 공존 공생한다. 그리고 인간과 같이 사는 박테리아들은 별도의 장기(extra organ)로 분리하는데, 음식을 분해하고 소화하고 면역 시스템을 훈련시키는 등 개인의 건강에 지대한 역할을 하고 있기 때문이다. 
 
2-5. 엄마의 젓이 최고, 선한 박테리아가 아기에 전달

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▲ 스위스의 과학자들이 소화기관의 가장 중요한 선한 박테리아(good bacteria)가 엄마의 장으로부터 이동해 엄마의 젓을 통해 아기에 전달된다는 사실을 밝혀냈다. Credit: oksun70 / Fotolia via Science Daily(22 Aug 2013)
스위스의 과학자들이 소화기관의 가장 중요한 선한 박테리아(good bacteria)가 엄마의 장으로부터 엄마의 젓을 통해 아기에 전달된다는 사실을 밝혀냈다(Jost & Lacroix et al., Environmental Microbiology, 3 Sep 2013)18. 아기 초기 내장의 박테리아 발달과정에서 선한 박테리아들이 선점을 하고 면역 시스템을 강화하는 데에는 역시 엄마의 젓이 최고(breast is best)라는 것이다. 엄마의 젓이 자연적인 선한 박테리아 집단들을 끌어들이는데 최고라는 것이다. 

“엄마의 젓으로부터 엄마 내장의 선한 박테리아들이 아기로 여행한다는 사실을 발견한 것에 흥분하고 있습니다. 엄마의 좋은 박테리아가 아기의 내장으로 전달되어 건강과 면역 시스템 발달에 지대한 역할을 하고 있는 것입니다”라고 라크로익스(Christophe Lacroix) 교수는 말한다(Science Daily, 22 Aug 2013)19

연구팀은 ‘Bifidobacterium breve’와 ‘Clostridium’ 박테리아는 결장 건강(colonic health)에 매우 중요하다는 사실을 발견했는데, 이들 박테리아들은 엄마의 젓에서 발견되는 같은 균주(strains)로 아기의 내장 발달에 중요한 역할을 하며 장 질환(intestinal disorders)을 예방하는데 매우 중요하다는 것이다. “우리는 박테리아들이 엄마 내장에서 젓으로 어떻게 이동하는지는 확실하게 알 수 없지만, 배양, 추출, 염기서열분석, 지문분석 등을 통해 이들은 같은 박테리아 균주라는 사실을 확인했습니다”라고 라크로익스 교수는 말한다. 옛 속담에 엄마의 젓이 최고다라는 것이 과학적으로 밝혀지는 순간이다.

2-6. 어릴 적 운동이 선한 박테리아의 집단을 촉진시켜 성장

미국 콜로라도의 볼더 소재의 콜로라도대학의(UCB) 신경과학과와 생리학과의 과학자들이, 어린 시절의 운동(exercising early in life)은 내장의 미생물들의 집단을 인간에게 유익한 선한 집단으로 바꾸어, 평생 살아가는 동안 보다 나은 건강한 뇌와 신진대사 활동을 촉진시킨다는 사실을 밝혀냈다(Agnieszka Mika & Monika Fleshner, Immunology and Cell Biology, 9 Dec 2015)20. 세살 버릇 여든까지 간다는 우리 속담이 있는데, 이게 과학적으로 옮음이 밝혀진 것이다.

“운동은 신진대사와 정신적인 면에서 건강에 많은 영향을 줍니다. 특히 운동은 내장의 미생물들의 가소성(plasticity)에 영향을 줍니다”라고 플레쉬너(Monika Fleshner) 교수는 말한다(Science Daily, 29 Dec 2015)21. 이때 가소성이란 인간과 공존 공생하는 유리한 박테리아냐, 인간을 공격하는 유해한 박테리아냐 중 한쪽으로 집단을 바꾸는 것을 의미한다. 또한 유리한 박테리아의 증감이나 유해한 박테리아의 증감을 의미한다. 그 결과 미생물들은 우리가 태어나자 마자 장에서 집단을 형성하여 성장과 면역시스템과 신경시스템에 지대한 영향을 미친다. 이러한 미생물들은 우리의 유전자 프로파일에 5백만 개 이상의 염기를 추가하며 우리의 생리시스템에 지대한 영향을 주는데, 예를 들면 성인이되었을때의다이어트, 잠의 패턴 등을 결정하게 된다. 따라서 어릴 적에 이러한 미생물들의 가소성이 중요하다는 것이다.

연구팀은 젊은 쥐와 성인 쥐를 대상으로 시험했는데, 자발적으로 매일 운동하는 젊은 쥐들은 늘 앉아 있는(sedentary) 성인 쥐들보다, 내장의 미생물의 구조에 영향을 미쳐, 친생적인 박테리아 종들(probiotic=good bacterial species)이 내장을 장악하고 있음을 확인했다. 설사 성인 쥐들이 운동을 해도 이 친생적인 박테리아 집단은 바뀌지 않았다. 
그러나 연구팀은 정확히 몇 살에 운동을 해야 함을 지적하지는 않았지만 그전의 관련 논문에 의하면 이를수록 더욱 좋은 미생물들이 집단을 이룬다는 것이다. 또한 건강에 유리한 박테리아 집단들은 뇌의 기능을 촉진시키고 항-우울증 효과(anti-depressant effects)도 제공하고 있다는 것이다. 

2-7. 섬유소 섭취가 선한 박테리아들의 다양성을 유지

과학자들은 장내 세균의 수보다 중요한 것은 선한 박테리아들의 다양성이라고 본다. 병에 걸린 사람일수록 유익한 장내 박테리아가 줄고 나쁜 세균만 득세해 다양성이 줄어든다. 한번 나빠진 장내 세균은 회복하기 어렵다. 미국 스탠퍼드대를 중심으로 하버드대와 프린스톤대학 연구진이 "식사 습관의 변화로 장내 박테리아가 나쁜 세균으로 바뀌면 그 영향이 후손에게까지 이어지며 나중에 식사 습관을 바꿔도 회복하기 어렵다"는 사실을 밝혀냈다(Sonnenburg et al., Nature, 14 Jan 2016)22.

과학자들은 현대인이 육식을 늘리면서 채식을 통한 섬유소(fibre or fiber) 섭취가 줄고 있다고 우려하고 있다. 특히 섬유소 섭취가 줄면 사람의 건강을 유지하는 장내 선한 박테리아가 타격을 입을 수밖에 없다. 장내 박테리아가 섬유소로 먹고 살기 때문이다. 사람에게는 섬유소를 분해하는 효소가 10여 개에 불과하지만 박테리아는 수천 개나 된다. 

연구진은 생쥐를 대상으로 한쪽은 섬유소가 풍부한 먹이를 주고, 다른 쪽은 섬유소가 거의 없는 먹이를 줬다. 섬유소가 준 쪽에서는 장내 선한 박테리아의 종(種) 수가 75%까지 줄었다. 후대로 갈수록 장내 박테리아의 다양성은 더 줄었다. 심각한 것은 한번 종의 다양성이 줄면 후대에 섬유소를 보충해도 회복되지 않았다는 사실이다. 따라서 박테리아 재프로그래밍(microbiota reprogramming)을 통한 새로운 치료 전략이 필요하다고 논문은 결론 짓고 있다. 이 때문에 최근에는 아예 건강한 사람의 장내 박테리아를 통째로 이식해 질병을 치료하려는 연구도 활발하다. 

3. 시사점

최근 들어 과학은 세포 안의 유전자·RNA·효소·리보솜·염기 등을 연구하는 기존의 연구분야에서 벗어나 우리 몸과 몸 속에 존재하고 있는 박테리아를 표적하여 연구하는 방향으로 전환하고 있다. 아예 유럽은 MetaHit 프로젝트를 통해 미생물의 유전자 카탈로그인 마이크로바이옴을 만들어 발표하고, 이를 게놈 프로젝트에 이은 ‘두 번째 게놈(second genome)’으로 선정하여 집중 연구하고 있다. 그러나 100조개~1,000조개~1경개에 달하는 미생물들 중 어느 것이 선(善)한 박테리아인지 어느 것이 악(惡)한 박테리아인지 선별하는 것은 아직은 오리무중이다. 이것만 정확하게 구별해 낼 수 있다면 친생제와 항생제를 개인 맞춤식으로 개발할 수 있을 것이다. 

만약 우리 ICT 기업들이 이를 구별할 수 있는 센서들을 개발해서 스마트 디바이스로 하여금 손바닥의 4,700종의 박테리아 중 또는 팔뚝의 200종의 박테리아 중 선과 악의 박테리아를 구별할 수 있도록 분석하고 진단해주어, 악한 박테리아를 박멸하는 솔루션을 제공한다면 차세대 헬스 산업으로 대 박이 나지 않을까? 아니면 생체인터넷(IoB)의 한 방향인 생체이식형의 센서들을 개발해서 내장의 박테리아들을 구별할 수 있게 해준다면 10년~20년 후의 바이오 먹거리 비즈니스가 되지 않을까? 

참고문헌

1) 2005년 노벨생리의학상 – The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2005 was awarded jointly to Barry J. Marshall and J. Robin Warren "for their discovery of the bacterium Helicobacter pylori and its role in gastritis and peptic ulcer disease"
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2005/
2) Eckburg et al., "Diversity of the Human Intestinal Microbial Flora”, Science, Vol. 308, No. 5728, pp. 1635-1638, 10 June 2005, Originally published in Science Express on 14 Apr 2005. http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/sci;308/5728/1635
3) Bik et al., "Molecular analysis of the bacterial microbiota in the human stomach", PNAS, Vol. 103, No. 3, pp. 732-737, 17 Jan 2006, Published online before print 4 Jan 2006. http://www.pnas.org/content/103/3/732.abstract
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6) Paulino et al., "Molecular Analysis of Fungal Microbiota in Samples from Healthy Human Skin and Psoriatic Lesions", Journal of Clinical Microbiology, August 2006, p. 2933-2941, Vol. 44, No. 8, pp. 2933-2941, August 2006. http://jcm.asm.org/content/44/8/2933.full
7) BBC-Human skin harbours unknown bugs(06/Feb/2007)]
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8) Fierer et al., "The influence of sex, handedness, and washing on the diversity of hand surface bacteria”, PNAS, published online before print 12 Nov 2008.
http://www.pnas.org/content/early/2008/11/12/0807920105.abstract
9) BBC-Women's hands 'harbour more bugs'(04 Nov 2008)
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10) Joe Alcock, Carlo C. Maley, C. Athena Aktipis, "Is eating behavior manipulated by the gastrointestinal microbiota? Evolutionary pressures and potential mechanisms", BioEssays, DOI: 10.1002/bies.201400071, Article first published online: 7 Aug 2014. 
11) Science Daily – Do gut bacteria rule our minds? In an ecosystem within us, microbes evolved to sway food choices(15 Aug 2015) 
http://www.sciencedaily.com/releases/2014/08/140815192240.htm
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12) Breton et al., "Gut Commensal E. coli Proteins Activate Host Satiety Pathways following Nutrient-Induced Bacterial Growth", Cell Metabolism, Available online 24 Nov 2015. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1550413115005665
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15) Science Daily – Competition between 'good bacteria' important for healthy gut(5 Nov 2015). http://www.sciencedaily.com/releases/2015/11/151105152105.htm
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18) Jost & Lacroix et al., "Vertical mother–neonate transfer of maternal gut bacteria via breastfeeding", Environmental Microbiology, First published: 3 Sep 2013.
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20) Agnieszka Mika & Monika Fleshner, "Early life exercise may promote lasting brain and metabolic health through gut bacterial metabolites", Immunology and Cell Biology, DOI: 10.1038/icb.2015.113, Accepted article preview online 9 Dec 2015.
http://www.nature.com/icb/journal/vaop/naam/abs/icb2015113a.html
21) Science Daily – Early-life exercise alters gut microbes, promotes healthy brain and metabolism(29 Dec 2015). http://www.sciencedaily.com/releases/2015/12/151229204252.htm
22) Sonnenburg et al., "Diet-induced extinctions in the gut microbiota compound over generations", Nature, Vol. 529, No. 7585, pp. 212-215, 14 Jan 2016.
http://www.nature.com/nature/journal/v529/n7585/full/nature16504.html

 

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