마이크로바이옴
미생물 유전체 전체를 뜻하는 말로,
특히 인간의 몸에 공존하고 있는 마이크로바이옴을 세컨드 게놈(Second genome)으로 부른다.
마이크로바이옴이란?
미생물 유전체 전체를 뜻하며, 미생물 군집 구조를 뜻하는 Microbiota 라는 용어도 종종 사용합니다.
특히 인간의 몸에 공존하고 있는 미생물의 유전정보 전체를 Human Microbiome이라고 하는데,
근래에 매년 마이크로바이옴에 대한 연구가 폭발적으로 늘어나면서, 미생물이 인체에 미치는 영향력이 매우 크다는 사실이 발혀졌기 때문에 이를 제2의 유전자, 즉 세컨드 게놈(second genome)으로도 부르고 있습니다.
한국인의 장내 마이크로바이옴 데이터를 분석해보면 현재의 즐겨먹는 식생활 패턴이 나옵니다.
이를 통해 ,질병의 예방을 위한 ,건강한 유익균을 탐색하고, 좋은 원료로 배양하여,
유익한 대사산물을 만들어 냄으로써, 인간에게 이로운 새로운 발효식품이 탄생하게 됩니다.
인체내 대사 시스템이 밸런스가 깨지거나, 대사 효소가 잘 작동하지 못하는 유전형일지라도,
유익균(세균)은 음식을 먹고 내놓는 생물 전환 작용을 통해 인간에게 이로운 물질로 바꾸어줄 수 있습니다.
농업회사법인 에피젠 주식회사는 이러한 생물전환 시스템을 통해, 대사산물을 제조하고 있습니다.
마이크로바이옴?
Microbiome Mechanism
마이크로바이옴 기전
“내 몸의 면역조절자 미생물”
인체 면역체계의 약 70~80%가 ‘장’의 영향을 받고 있는데 이것을 ‘장 면역 체계’라고 부른다.
장 면역 체계와 신진대사를 정상화 시키는 것으로 장내 세균 환경이 정상화되면
신경피부염, 심장 및 혈관질환, 알레르기 및 세균성 질환, 자가면역질환, 암 등과 같은
심각한 질병들도 호전되거나 치유된다.
마이크로바이옴과 면역과의 상관관계
인체 마이크로바이옴 역할
영양분 흡수
장내 세균은 주로 Firmicutes와 Actinobacteria에 속하지만 사람마다
장내 마이크로바이옴의 구조는 다릅니다.동일한 영양분을 섭취하더라도 개체에 따라
영양분 흡수 양상에 차이를 보이는 것은 유전적 차이라고만 여겨졌으나
최근에는 그 원인을 장내 마이크로바이옴 구조에서 찾기도 합니다.
마이크로바이옴은 장내강에서 단당류의 흡수에 관여하고
마이크로바이옴의 불균형은 지방간 생성에 영향을 주며 비만의 원인이 되기도 합니다.
약물 대사 조절
마이크로바이옴은 다양한 대사 작용 및 효소 작용을 바탕으로 체내에 유입된 약물이나
발암 물질로부터 인간을 보호하는 기능이 있습니다.
장내 마이크로바이옴에 의한 대사 작용(탈수산화, 탈카르복실화, 탈알킬화 그리고 탈아미노화)과 효소 작용 등이 보고되었고, 마이크로바이옴이 수산염(oxalate)의 대사에 영향을 끼치거나 지방대사 과정에서 사용되는 담즙산의 생성과정에 관여하는 것도 연구되었습니다.
면역 체계 조절
인체에는 많은 미생물이 공생하며 복잡한 시스템을 이루고 있기 때문에 면역 체계와
미생물이 상호작용을 통해 면역 시스템을 이루고 있다는 개념으로 확장되고 있습니다.
항체나 면역 세포가 미생물의 기작과 개체 수를 조절하기도하며, 반대로 마이크로바이옴이
비장이나 흉선과 같은 림프계의 발달에 중요한 역할을 하고 면역 세포의 기능에 영향을
주기도합니다. 따라서 신생아 시기에 장내에 마이크로바이옴이 제대로 형성되지 않으면
면역학적 관용이 정착되지 않아 알레르기가 발생할 가능성이 높다는 것이 밝혀졌습니다.
아토피 환자의 피부에서 Gammaproteobacteria의 다양성이 저하되면서 interleukin (IL)-10이 감소되지만, 그에 반해 건강인에서는 Acinetobacter의 비율이 높고 동시에IL-10의 생산량 높게 관찰된다고 보고되었습니다. 이는 아토피 환자의 면역관용과 마이크로바이옴의 상관성이 있다고 볼 수 있습니다.
뇌/행동 발달 조절
마이크로바이옴과 그생성물질은 뇌의 발달과 신경에 영향을 주기도 합니다.
동물 실험 결과, 무균 쥐에서는 포유류의 운동 통제 및 분노 조절과 관련된
뇌의 2차 전령경로(second messenger pathway) 유전자들의 발현이 달라지지만,
정상 마이크로바이옴에 노출된 이후에는 정상 생쥐와 유사한 발현을 보였습니다.
인간을 대상으로 한연구에서는 장내 유익균으로 알려진 Lactobacillus을 비롯한 여러
유산균을 장기간 섭취하였을 경우, 대조군에 비해 우울증과 분노의 정도가 상당수
줄어들었다고 보고되었습니다.
감염성 질환 예방
안정적으로 정착된 인체 마이크로바이옴은 외부 병원균의 침입에 대항해
방어막의 역할을 합니다.
신생아 시기 모유 수유는 신생아장내 Bifidobacterium bifidus의 비율을 높여
병원균으로부터 신생아를 보호하는 효과가 있습니다.
아프리카와 아시아의 영아에게 흔히 발생하는 설사증의 경우,
마이크로바이옴에 Lactobacillus ruminis이 존재하거나 그 비율이 높을 경우
설사증이 발병하지 않거나 발병하더라도 발병률과 심각도가 낮았습니다.
마이크로바이옴 관련질병
항생제의 장기 복용
장내미생물 균형을 파괴하고, Clostridium difficile과 같은 특정 병원균의 과다 성장을
유도하여 염증반응을 증가시킵니다. 마이크로바이옴의 불균형이 심해지면 장내 방어벽
기능이 약해지고, 장관 점막이 손상됩니다. 결국, 장관 내에 존재하던 병원균과 독소,
항원등이 혈류로 유입되어 면역체계를 자극함으로써, 감염성 질환이나
자가면역질환 등을 초래하게 됩니다.
아토피성피부염(Atopicdermatitis)
아토피환자의 경우 장내에 사는 균의 종류가 적을 뿐더러, 클로스트리듐 같은 유해균의
비율이 높은 것으로 알려져 있습니다.
또한 Faecalibacterium prausnitzii의 아종이 장 내에서 부쩍 늘어나서
장내 미생물내에 불균형을 초래하면 그결과로 장벽을 튼튼하게 유지하는데 필수적인
뷰티릭산과 프로피온산과 같은 물질들의 생산이 감소됩니다.
그 결과, 장벽에 염증과 균열이 만성적으로 발생하고, 균열틈새를 통해 미생물 유래물질들
과 음식물분자들이 들어가 혈관을 통해 온몸에 퍼져 피부에서 강한면역반응을 일으키는
것이 최근 밝혀진 아토피 피부염모델입니다.
과민성대장증후군(Irritablebowelsyndrome:IBS)
과민성대장증후군은 다양한 병인이있지만, 대장미생물군의 디스비오시스(dysbiosis와도
직접적인 연관이 있는 것으로 알려져있습니다.
장내 미생물 불균형은 병원균이 대장 벽에 침투하는 것을 막지 못합니다.
정상인과 비교했을 때 과민성 대장 증후군 환자의 미생물군은 Ruminococcus, Clostridium, Dorea 를 포함해 Firmicutes가 증가한 반면 Bifidobacterium과 Gaecalibacterium은 현저하게 감소하였으며, 일반적으로 Bacteroidetes에 대한 Firmicutes 비율이 높은 것이 특징입니다.
염증성장질환(InflammatoryBoweldisease)
궤양성대장염(Ulcerativecolitis)과 크론병(Crohn'sdisease)을 통들어
염증성장질환이라고 부르는데, 이들은 사실증상과 염증형태가 다른질병이지만
공통적으로 인간의 유전형질과 대장미생물군에 의해 발병됩니다.
단일병원성균 감염보다는 전체적인 장내미생물군 구조의 변형이 주원인으로
알려져있습니다. 대장미생물군은 점막병변(mucosallesions)을 일으키는
주요원인으로서, 장내 미생물의 수와 다양성 감소가 장염과 직접적인 연관이 있습니다.
예를들어, 크론병의 경우 Firmicutes감소와 Gammaproteobacter증가, 그리고 부착성
침습 E.coli(adherent invasive E.coli)와 Mycobacterium paratuberculosis의
회장점막(ilealmucosa)내 증가가 눈에띄는 미생물군 변형인 반면, 궤양성대장염 환자에
게서는 Enterobacteriacea가 크게증가하였으며, Faecalbacteriumprausnitzii 감소는
궤양성대장염, 크론병환자 모두에게서 관찰되었습니다.
추가적으로, 생체(biopsy)와 대변(stool)시료를 이용한 실험에서 염증성장질환의 상태에
따른 Enterobacteriacea, Ruminococcacea, Leuconostocaceae 분포의 변화가 관찰
되었는데, Clostridium은 병이 악화됨에 따라 증가한 반면, 대장내유익균으로 알려진
SCFA생산자, Roseburia와 Phascolarctobacterium은 궤양성대장염과 크론병환자
모두에게서 감소하였습니다.
대장암(Colorectal cancer)
일반적으로 대장암 환자의 경우 Firmicutes 와 Bacteroidetes 의 비율이 모두 낮아지는
것이 특징인데, Fusobacterium 증가가 대장암과 연관이 크다는 것이 형광동소보합법
(Flourescent in situhybridization)과 시퀀싱을 통해 알려졌습니다.
F. nucleatum, F. mortiferum, F. necrophorum 등은 종양에 집중적 분포하면서,
염증을 유발하고 악성 종양 형성을 유도하는 것으로 예측되는데, Fusobacterium은
대장암 뿐만 아니라 염증성 장 질환과 급성 충수염과도 연관되어 있습니다.
상피 세포가 허물어진 대장 종양 세포에는 미생물의 다양한 대사 물질들이 흡수되어
숙주의 면역 반응으로 인해 염증이 유발되고 종양 자체가 커지되는데, 숙주 면역계의
과도한 반응으로 인해 유익한 장내 미생물도 영향을 받아 미생물군의 다양성은 전반적으로
감소됩니다. 하지만 대장균(E.coli) 을 포함한 Proteobacteria 의 비율은 증가하는 것이
발견되었고, 대장균에서 분비되는 제노톡신(genotoxin)이 숙주의 유전자에 변형을 유발
하여 종양이 암으로 발전하도록 유도하는 것으로 예측됩니다.
비만 (Obesity)
비만은 지속적으로 이루어진 식습관과 영향 불균형으로 인한 것이지만
생활 습관만으로는 설명하기 어려운 부분이 있으며, 최근 연구에서 장내 미생물도
비만과 큰 관련성이 있는 것이 제기되었습니다.
모든 비만 환자에게서 발견되는 현상은 아니지만, 에너지 섭취 효율이 높은 미생물군의
증가는 비만을 유발하기도 하며, 장내 미생물군이 숙주의 체중 증가와 물질대사에 미치는
영향은 더 복잡하고 다양한 경로를 통해 이루어지고 있습니다.
유전적 변형과 고칼로리 식사를 주입한 마우스 실험에서는 대조군에 비해 Firmicutes의
비율은 증가하고 Bacteroidetes 는 낮아지는 것이 발견되었으며, 실제 사람을 이용한
실험에서도 체중이 감소함에 따라 Firmicutes : Bacteroidetes 비율이 감소되는 것이
관찰되었습니다.
제2형 당뇨 (Type 2 diabetes)
제2형 당뇨는 비만에서 기인한 인슐린 저항성으로 인한 문제이지만, 건강한 사람들과
비교했을 때 현저한 미생물군의 변형이 수반 되는 것으로 알려져 있습니다.
제2형 당뇨환자군에서는 건강한 대조군과 비교했을 때, Bacteroidetes와 Betaproteobacteria는 비율이 증가하는 반면, Clostridia를 포함한 Firmicutes의 비율
이 줄고, 낙산을 생산하는 Roseburia intestinalis 와 Faecalibacterium prausnitzii 비
율이 감소하여, 내독성(endotoxin)이 증가하여 대사적 염증 반응을 일으킵니다.