출처 : https://www.jst.go.jp/crds

장내 플로라 연구는 1950년대에 배양법을 기반으로 한 연구에서부터 본격적으로 시작되었다. 장내 세균 배양, 특히 혐기성 배양 기술의 발전에는 일본의 세균학자가 크게 공헌했다. 하지만 장내 세균은 대부분 배양하기 어려운 ‘난배양성 균’이다. 또한 균의 단리 배양에 근거한 생화학적 성상에 의한 분류만으로는 장내 플로라 전체를 부감할 수 없으며, 그것을 해석하는 데 한계가 있었다.

그런데 1980년대에 PCR법 등의 분자 생물학적 방식을 사용한 배양에 의존하지 않는 연구 방식이 도입되었다. 모든 세균은 16S 리보솜 RNA 유전자(16S rRNA 유전자)라는 단백질 합성에 관한 필수 유전자를 가진다. 16S rRNA 유전자에는 대부분의 세균이 가진 공통 배열 영역이 있으며, 이 영역에 프라이머를 설계하여 균종에 따라 다양한 영역을 가진 형태로 PCR을 수행, 증폭된 PCR 산물의 유전자 배열을 시퀀싱함으로써 어떤 세균이 그 환경에 존재하는지 알 수 있다. 이를 클론 라이브러리법이라고 한다.

1998년경에 제3의 방법으로서 제창된 것으로 ‘메타게놈 분석’이 있다. 메타게놈이란 샘플 속 모든 세균 집단에서 그 DNA풀을 추출ㆍ순화하여 세균총에 포함된 모든 세균의 게놈 염기 배열을 직접 읽어 들이는 것이다. 특히 앞서 기술한 16S rRNA 유전자의 PCR 증폭 산물을 망라적으로 분석하는 방법을 ‘16S rRNA 유전자 분석(16S 분석)’이라고 하며, 이는 오늘날 가장 많이 사용되는 세균총 분석 방법이다. 하지만 당시의 시퀀서로는 시간과 비용이 많이 들었기 때문에, 장내 플로라의 세균총 구성, 개인차, 연령차, 구체적인 유전자 수와 그 기능 등의 기본적인 의문에 답하기 어려웠다. 그 후 차세대 시퀀서가 잇달아 개발되어, 시퀀싱 비용이 낮아지고, long read 분석 기술이 향상되고, 분석 속도가 크게 향상되면서, 메타게놈 분석 연구가 빠르게 확산되었다.

장내 플로라의 구성 및 기능을 이해하기 위해 2008년부터 미국에서 시작된 인간 마이크로 바이옴 프로젝트(HMP)와 유럽을 중심으로 하는 MetaHIT 프로젝트는 주목할 만한 성과를 거뒀다. 이들 프로젝트에서는 인간 장내 플로라에서 세균 DNA를 추출하고, 장내 플로라에 포함된 모든 세균의 게놈 염기 배열을 차세대 시퀀서로 직접 해독하는, 이른바 ‘숏건 메타게놈 분석’을 실시했다. 그 결과, 장내 플로라가 보유한 유전자 수는 총 수십만~수백만 개로서 인간이 가진 약 2만 개를 훨씬 뛰어넘는다는 사실이 밝혀졌고, 예상을 크게 뛰어넘는 다채로운 기능을 가지고 있음이 드러났다.

장내 플로라는 하나의 ‘장기’로 움직이며, 그 부전은 다양한 만성 질환의 원인ㆍ증악 인자가 될 수 있음이 밝혀졌다. 실제로 메타게놈 분석을 통해 장내 플로라의 이상(장내 세균의 구성 이상)이 만성 염증성 장 질환(IBD), 만성 류마티스 관절염, 천식, 2형 당뇨병, 비만, 비알코올성 지질성 간염(NASH), 이식 편대 숙주병, 간경변, 자폐증 등 다양한 전신성 질환에서 관찰되었다. 또한 워싱턴 대학의 Gordon 등이 비만자의 변을 무균 마우스에 투여하여, 비만이 장내 플로라에 의해 옮겨질 수 있음을 보고하면서, dysbiosis라 불리는 장내 플로라의 이상이 질환과 단순히 상관관계에 있을 뿐 아니라 원이니 될 수 있음도 밝혀졌다.

이에 대하여, 건강한 사람의 분변 투여(변 이식)가 dysbiosis를 일으킨 플로라를 개선하고, 난치성 위막성 장염을 효과적으로 개선 및 치료했다는 무작위 추출 시험이 발표되었다. 이러한 변 이식의 유효성은 ‘dysbiosis가 일종의 질환의 원인이 된다’는 사실을 시사함과 동시에 ‘장내 플로라는 조작할 수 있다’는 사실을 명확하게 제시하는 proof of principle이라 할 수 있다. 이러한 사례를 통해, 인간 장내 플로라에 관한 연구는 큰 주목을 받는 생물학적 연구 분야로 빠르게 성장하였다.

더욱이 최근에는 질환뿐 아니라 다양한 신체 기능에도 영향을 미친다는 사실이 판명되었다. 예를 들어, 마라톤 선수를 대상으로 하는 연구를 통해 마라톤 이후 증가하는 균으로서 Veillonella속이 동정되었고, 동물 모델을 사용한 검증에서 운동 중에 근육에서 만들어진 유산의 일부가 장관 내로 흘러 들어가 Veillonella속 균이 유산에서 프로피온산을 만들고, 그 후 문맥(門脈)에서 재흡수된 프로피온산이 운동 능력을 향상한다는 사실이 밝혀졌다. 동물 모델을 병용함으로써 각 신체 기능에서 장내 세포가 하는 역할과 메커니즘이 서서히 밝혀지고 있다.

식사는 장내 플로라에 큰 영향을 미친다는 사실이 밝혀졌다. 예를 들어, 고지방식이나 저섬유식, 한 번의 식사는 쉽게 장내 플로라를 변화시키고, 다양성을 감소시킨다는 사실이 밝혀졌다. 또한 아프리카 원주민과 유럽의 아이들을 비교하면, 식사의 차이(섬유 섭취량의 차이)로 인해 장내 플로라에 큰 차이가 나타나며, 그로 인해 알레르기 등에 대한 감수성의 차이가 생겨난다. 다른 연구에서는 고령자의 마이크로 바이옴을 분석하였는데, 특히 시설에서 지내는 고령자에게서 dysbiosis를 볼 수 있음이 보고되었다. dysbiosis는 장관 장벽 기능을 저하시키기 때문에, 시설에서 지내는 고령자는 감염증 리스크가 높은 경향이 있다. 방글라데시나 아프리카의 기아ㆍ영양 부족도 장내 플로라를 크게 변화시키며, 이 경우에도 장내 장벽 기능이 저하되어 감염증 리스크가 매우 높아진다는 보고가 있다.

올바른 식사ㆍ식재료의 지원이 단순히 영양 문제를 해결하는 것뿐 아니라 장내 플로라의 정상화에 도움이 되어, 다양한 의미에서 좋은 영향을 미친다는 사실이 다시금 밝혀져, 사회적ㆍ공공 위생적으로도 매우 중요해졌다. 또한 Irish Travellers라 불리는 일반 사회에서 떨어져 캠프 생활을 하는 아일랜드 사람들을 대상으로 한 연구를 통해서도 생활 양식의 변화가 장내 플로라에 영향을 미친다는 사실이 밝혀졌다. 일본 국내에서도 예전의 생활 양식에서 벗어나고 있는 상황 속에서 일본의 지역 특성을 고려한 통합적인 연구를 진행함으로써, 향후 어떤 식품ㆍ식생활이 장내 플로라의 기능을 향상하고 건강ㆍ장수ㆍ질환 치료에 도움이 될지 서서히 밝혀질 것으로 생각된다.

현재 가장 일반적인 프로바이오틱스의 정의는 ‘적절한 양을 섭취함으로써 숙주에게 유용한 작용을 발휘하는 살아있는 미생물’이다. ‘유용한 작용’이란 정장작용(변비나 설사 감소 등), 감염증, 알레르기, 자가면역질환, 또는 다양한 생활 습관병의 예방 및 증상의 완화이다. 프로바이오틱스는 주로 그것을 함유한 식품이나 보조식품으로서 널리 전 세계의 일반인의 생활 속에 보급되어 왔다. 최근에는 장내 플로라와 건강에 관한 세계적인 관심이 고조되고 있어, 프로바이오틱스 시장이 더욱 확대되고 있다. 다양한 프로바이오틱스의 작용 및 그 작용 메커니즘은 대부분 제품에 사용되는 균주의 특이성에 따라 제시되며, 과학적 증거의 수준도 다르다. 따라서 프로바이오틱스의 유용성에 관한 통일적인 견해를 얻기는 어렵다. 언젠가는 비슷한 작용 메커니즘을 가지는 복수의 프로바이오틱스 균주의 카테고리를 나누게 되겠지만, 이를 달성하기 위한 과제는 많다.

장내 플로라는 장관(腸管)이라는 국소뿐 아니라 전신 장기에 영향을 미친다. 예를 들어, 원격 장기의 알레르기나 자가면역질환에 대한 감수성을 바꾼다는 사실이 알려져 있다. 천식, 아토피성 피부염, 류마티스 관절염, 다발성 경화증, 2형 당뇨병 등의 dysbiosis도 보고되고 있다. 영유아기에 항생 물질을 사용하거나 섭취했던 식사가 성인이 된 후의 장내 플로라에도 영향을 미침으로써, 면역 질환에 대한 감수성을 결정한다는 사실이 밝혀졌다.

면역계 외에도 지질대사 및 내당능 제어, 정신ㆍ뇌 기능 등 숙주의 생리 활동 및 건강 유지에 있어 널리 영향을 미친다는 사실이 밝혀지고 있다. 예를 들어 자폐증과 장내 플로라의 균형 이상이 관련이 있다는 보고가 있다. 이러한 장내 플로라가 전신에 미치는 영향과 관련해서는, 많은 경우 장내 플로라가 만들어내는 대사 물질이 중요한 작용을 한다. 장내 플로라에 의해 만들어지는 생리 활성을 가진 대사 물질을 밝히기 위해 차세대 시퀀서를 통한 메타게놈 분석과 질량 분석을 통한 메타볼롬 분석을 조합한, 이른바 통합 오믹스 접근방식을 통한 장내 플로라 유래 대사 물질의 망라적 분석이 사용되고 있다.

예를 들어 장내 플로라의 dysbiosis는 장 이외의 발암에도 영향을 미친다고 알려져 있는데, 하라(오사카 대학)는 고지방식과 그로 인한 비만이 장내 플로라를 변화시켜 이차 담즙산의 일종인 디옥시콜산의 산생능이 높은 세균종의 증식을 촉진시켜, 산생된 디옥시콜산이 간암을 유발한다는 사실을 보고하였다. 또한 오가와(교토 대학)와 무라타(도쿄 농공대학)는 식용유에 포함된 리놀산의 대사물인 13-hydroxy-9(Z), 15(Z)-octadecadienoic acid가 장내 세균 의존적으로 산생되어, 상피세균에서 발현하는 GPR40을 통해 장관 장벽을 증강하고, 염증성 장 질환을 개선한다고 말한다. 중요한 점은 기질이 되는 리놀산은 필수 지방산이지만 그 양은 식사에 의존하며, 아무리 대사 활성을 가진 장내 세균이 존재한다 해도 이 대사 물질의 생산량은 식사의 내용에 따라 다르다는 점이다. 반대로 아무리 리놀산을 많이 섭취해도 대사할 수 있는 장내 세균이 존재하지 않으면 이 대사 물질은 산생되지 않는다.

현재 메타볼롬 분석에서 사용하는 분석 기기의 성능이 향상되고 뛰어난 파이프라인이 존재하기 때문에 장내 플로라에서 산생되는 대사 물질의 카탈로그가 증가하고 있지만, 앞으로는 여기에 장내 플로라에서 유래한 정보뿐 아니라 대사 물질의 기질이 되는 식품의 정보 및 효소 활성 정보를 추가함으로써 ‘식품-장내 플로라 간 대사에 의한 대사 물질의 산생’을 연동시킨 정보를 수집하는 것이, 앞으로의 큰 주제가 될 것으로 생각된다.

질환과 관련된 장내 플로라 연구를 통해 구성 균종의 변화와 동시에 특히 상관하여 변동하는 균종과 유전자가 밝혀졌다. 염증성 장 질환에서는 건강한 사람에 비해 다양성이 현저히 감소한다는 특징이 있으며, Faecalibacterium prausnitzii 등 염증 억제에 관한 균종 및 Coprococcus comes 등 낙산(酪酸) 산생 유전자를 가진 균종의 감소를 볼 수 있다. 즉 단일균이 원인이 되는 것이 아니라 전체의 균총 구조 이상이 관여하는 것으로 생각된다. 따라서 앞으로는 ‘균과 균’ 간의 상호작용과 같은 분석도 중요하다. 2형 당뇨병에서는 균종의 다양성 감소가 크게 눈에 띄지는 않았지만, 균총 전체의 유전자에서 기능적인 dysbiosis가 일어난다는 사실이 밝혀졌다. 간경변에서는 Streptococcus나 Veillonella 등 일반적으로 구강에 정착하는 세균종이 장관 내에서 증가하고 있어, 막 수송계의 유전자 및 암모니아 산생에 관한 유전자의 증가를 볼 수 있다. 만성 류마티스 관절염에서는 Prevotella copri의 증가가 관찰된다. 이처럼 질환과 연동되어 증감하는 세균종 및 유전자는 질환 바이오 마커가 되기 때문에, 그 동정과 응용에 관한 연구가, 학술계에서는 물론 기업 수준에서도 정력적으로 이루어지고 있다. 또한 질환과 관련된 장내 플로라 연구는 해당 코호트의 크기가 클수록 정확해지기 때문에, 향후 더욱더 규모가 커질 것으로 생각된다.

숙주에 대해 특정한 기능을 가지는 인간 상재균종을 탐색하여 질환을 치료하는 데 활용하려는 연구도 존재한다. 예를 들어 지금까지 장관 점막에 국재하는 제어성 T세포의 분화 유도를 촉진하는 클로스트리듐목 균군이나 장관 출혈성 대장균 O157에서 유래하는 시가독소의 상피 장애 작용을 억제하는 비피더스균 등 숙주에게 유익한 것으로 여겨지는 균종이 동정되었다. 한편 대장암 점막에 특징적으로 존재하는 Fusobacterium nucleatum이나 Bacteroides fragilis 등 악영향을 미치는 세균종도 동정되었다. 더욱이 이러한 균을 제어함으로써 질환을 예방하거나 개선하려는 시도도 이루어지고 있다.

예를 들어 백신의 개념을 사용하여 비만 및 당뇨병과의 관련성이 있다고 여겨지는 장내 상재 세균(Clostridium ramosum)에 대한 면역 응답을 백신 접종을 통해 유도한 결과, 비만자(사람)의 분변을 정착시킨 노토바이오트 마우스에 고지질식을 줌으로써 유도된 비만 및 당뇨병 증상이 개선되었다.

이처럼 항생 물질로 변하는 특이성이 높은 장내 세균을 제어할 수 있는 가능성이 보이게 되었다. 기능 세균을 동정하는 데에는 노토바이오트 기술과 혐기성균 배양 기술을 조합한 분석 시스템이 효과적이다. 즉 메타게놈 분석 등 데이터 구동형 톱다운적 전략과 달리, 각각의 세균종을 단리 배양하고 마우스에 투여함으로써 그 실험 데이터를 하나씩 획득하는 바텀업 형식의 연구이다. 그러려면 일본이 잘하는 배양 기술의 고도화도 중요한 과제이다. 동정된 기능적 세균종ㆍ그 유전자ㆍ대사 물질은 질환과 세균총의 관계 및 발증 메커니즘의 해명, 더 나아가 질환의 예방 및 치료법 개발에 도움을 줄 것으로 기대된다.

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