▲ 사진=윤복근 교수

인간의 위장관(GI tract)은 1000여 종에 달하는 1014개의 박테리아에 의해 집락형성을 이루고 있으며이것은 장내 미생물이라고 한다.이 박테리아 집단은 인간의 효소에 의해 분해되는 탄수화물을 단쇄지방산(SCFAs, Short Chain Fatty Acids)으로 발효시켜 식이 영양분을 분해하고,에너지를 생성하는데 중요한 역할을 한다.

최근 연구는 장내 미생물도 면역체계의 발달,병원균에 대한 방어,위장관의 염증과 광범위한 기능에 영향을 주며,위장관 외에 장-뇌,장-폐,장-간과 관련이 있다는 것도 확인되어 장내 미생물군의 중요성을 강조하고 있다.

이는 장내 미생물이 건강을 좌우하는 인체 항상성과 매우 밀접한 관련이 있고,장내 미생물 불균형인 디스바이오시스(dysbiosis)로 인해 항상성이 무너지면서 유발될 수 있는 비만,당뇨,암,천식을 포함한 여러 질병과 연관이 있다.

따라서 이러한 질병을 유발시키는 장내 미생물의 불균형 상태를 회복하기 위해 포스트바이오틱스를 적용한 장내 미생물 기능을 강화시키는 새로운 접근방법에 대해 소개하고자 한다.

▲ 신개념 장내 미생물 개선방법
장내에 유익한 역할을 하는 특정 박테리아 집단의 성장과 활동을 촉진하는 프로바이오틱스을 주입하거나 프로바이오틱스의 먹이인 프리바이오틱스를추가하여 주입하는 것은 장내 미생물총에 영향을 주는 전통적인 방법이다.

그러나 고속처리 염기서열 분석(HTS, High-throughput Sequencing)과 대사학의 발전으로 미생물 기능을 직접 또는 구체적으로 조작할 수 있는 포스트바이오틱스가 출현하게 되었다.

이 연구의 일차적인 목적은 식이요법을 통해 장내 미생물학 조절에 대한 새로운 패러다임을 제시하는 것이다.

미생물군이 생성되면 식이요법 분자의 생리활성물질을 식별할 수 있고,생화학적인 다양성으로 인해 중대한 역할을 하며,생명공학으로 접근하여 표적 대사학이 새로운 포스트바이오틱스의 발견과 특징화할 수 있는 역할을 강조하고 있다.

급성 장내 미생물 불균형은 전형적으로 생명을 위협하는 증상과는 관련이 없으며,고위험성 약물로 치료가 필요없는 반면,만성 장내 미생물 불균형은 제2형 당뇨병 및 암과 같은 더 심각한 질병과 연관되어있다.

그러므로 급성 장내 미생물 불균형 완화에 중점을 두고,프리바이오틱스와 포스트바이오틱스 식품이 실질적인 치료방법으로 떠오르고 있다.

영유아가 설사를 할 때 항생제를 처방하는 것보다 프로바이오틱스를 이용한 치료가 장내 미생물 불균형의 회복에 도움이 되고,유익군의 대사를 회복하는 것으로 나타났다.

생쥐에 유산균 비피덤(B. bifidum)을 주입하면,과민성대장증후군(IBS, Irritable bowel syndrome) 증상이 완화되는 것을 볼 수 있는데. 마찬가지로만성 저단위 아스피린 치료와 함께 락토바실러스 카제이(Lactobacillus casei)를 함께 투여하면과민성대장증후군(IBS)환자들의 증상을 완화하고 회복하는데 있어서 효과적이다.

또한 프로바이오틱스는 스트레스로 인한 가벼운 행동변화를 위한 회복 가능성을 보여주고있다.락토바실러스 람노서스(Lactobacillus rhamnosus)의 주입은 생쥐의 감정적 행동과감마 아미노뷰티르산(GABA, γ-aminobutyric acid) 수용체를 조절하기 때문에,이 미생물이 잠재적인 프로바이오틱스라는 것을 명시하고 있다.

이러한 연구결과에도 불구하고, FDA는 프로바이오틱스의 특징을 명확하게 정의하지못하고,건강정보에 대한 요구를 승인하지 않고 있다.

프리바이오틱스 분자는 위장관에서 유익한 박테리아의 집락형성과 성장을 촉진하고 있으며,식이요법을 보충할 수 있는 유력한 후보자로 여겨져오고 있다.

고지방 식이요법에 관한 최근 연구는쥐에 석류에서 추출한 폴리페놀이 비피도박테리움(Bifidobacterium) 종의 세슘 부하를 증가시켰으며,대장과 내장지방조직의 염증을 현저히 감소시킨 결과를 보여주고 있다.

플리페놀을 함유한 차 추출물의 영향에 관련된 연구는 프로바이오틱스가 병원성 클로스트리디움(Clostridium) 변종의 성장을 억제하는 동시에,비병원성 클로스트리디움(Clostridium) 변종의 성장을 개선했다고 보고있다.

생쥐에게 주입한 프락토올리고당(fructooligosaccharide, FOS) 식품에서 항염증반응과 항알레르기 반응을 이끌어 냈고,스트레스 저항력도 향상시키는 결과를 보여주었다.

효과적인 프로바이오틱스 균주와 프리바이오틱스균주 개발의 주요 장애물은 인체 항상성과 질병의 상태와 관련하여 장내 미생물 집단의 불완전한 특성화다.

집단의 구성에서 종적 수준의 변화는 이미 연구가 많이 진행되어있지만, 특정 종 수준에서의 변화는 여전히 불명확하다.다양한 식품 첨가제 또는 보충제가 미생물의 구성을 변경하기위해 사용되어왔지만,미생물군에 대한 제한된 지식은 합리적으로 설계된 접근법 (즉,특정 그룹의 박테리아 또는 기능을 대상으로 함)의 개발을 방해하고 있기 때문이다.

또한,장내 미생물 집단에 대한 불완전한 정보는 집단 수준의 상호작용이 어떻게 프리바이오틱스 치료에 영향을 미칠지에 대한 이해의 한계를 드러내고 있다.

위장관 내 박테리아의 공관적 분포가 이질적이어서,서로 다른 위치에서 서로 다른 프리바이오틱스 활동이 일어나고 있다는 사실은 잘 확립되어있는 이론이다.

한 가지 박테리아 종에 의해 생성된 분자는 서식 환경 내의 다른 종에 의해 변형될 수 있기 때문에,집단 수준의 생체 내 변환 반응은 원하는 분자의 활성형태를 증가시키기위해 필요하다.협력적인 상호작용이 없다면프로바이오틱스균주는 유익한 효과를 만들어내지 못하거나,폴리페놀 케르세틴에서 입증된 것처럼프리바이오틱스의 생물 활성 형태는 의도한 표적 부위에 결코 도달하지 못할 수도 있다.

장내 미생물 집단을 특성화는데 있어 긍정적인 결과를 산출해냈지만,다양한 프로바이오틱스 치료에 대한 기계론적 이론을 얻고,따라서 효과적인 프로바이오틱스 균주와 프리바이오틱스를 개발하기위한 추가적인 연구가 필요할 것이라고 사료된다.

미생물군 투입:식이요법 유도 포스트바이오틱스

미생물군 강화에 대한 새로운 접근법은 우선 특정 질병에서 고갈된 분자를 파악하고,미생물 집단을 통해 생물활성 분자로 전환할 수 있는 감소된 분자 또는 전구체 분자를 파악한 후에는 식이요법으로 보충해줘야한다.

포스트바이오틱스는 인체 건강을 향상시키기 위해 미생물에 의해 사용되는 기능 분자들 중 하나이기 때문에매우 매력적인 접근방법이다.

최근 연구에서 밝혀진 내용은 위장관에서 식이요법으로 인해 파생된 포스트바이오틱스의 분포와질병과 관련된 미생물들이 대사 측면에 미치는 영향이다.

장내 미생물군에 의해 변형된 아미노산 유도체는 잠재적인 포스트바이오틱스로 한 종류의 화합물을 구성한다.

예를 들어,트립토판(tryptophan)으로부터 파생되는 인돌(indole)은 환자의 배설물 샘플에서 인돌의 농도가 장내 미생물 불균형과 연결되어 있어인돌(indole)은 장질환을 앓고 있는 환자의 고통을 덜어줄 수는 있지만 회복시키지는 못했다.

Bansal에 따르면 인돌은 장 상피세포에서 염증,염증전 전이인자 및 병원균 집락 형성의 지표를 감소시키는 동시에 소장내 미세융모간 밀착결합(tight junction)의 저항과 점액 중 단백질 생성을 증가시키므로인돌을 포스트바이오틱스 분자로 평가하고 있다.

단쇄 지방산(SCFAs)은장내 미생물군이 대사과정에서 생산하는 생물 활성 및 유익한 분자의 또 다른 종류이다.

아프리카 태생의 실험군을 대상으로 대장 미생물과 유익균의 대사산물에 따라 대장암에 미치는 위험도를 연구하였는데,단쇄지방산(SCFAs)의 생산 감소,박테리아 기원인 담즙산 대사산물의 증가,대장암의 위험 증가 사이에 상당한 상관관계가 있음을 밝혀냈다.

뷰티레이트산(butyric acid),아세테이트산(acetic acid),프로피온산(propionicacid)의 풍부한 변화도 노인 환자의 건강 악화와 상관관계가 있어,위장관 생리학에서 박테리아성 단쇄 지방산(SCFAs) 생산의 중요성을 더욱 강조하고 있다.

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