[기고]분변 장내세균총 분석과 프로바이오틱스 개발

• 이동완 박사(생명공학 전문가)

분변은 70~80%가 수분이며 나머지는 장에서 흡수되고 남은 찌꺼기(대사산물)와 장내 세균 등으로 구성된다. 분변은 소화기관 건강 상태를 반영한다. 음식물은 식도, 위, 십이지장, 소장, 대장, 직장을 거치면서 분변으로 배설되며 각 소화기관 기능에 이상이 생기면 색깔, 모양, 냄새가 변한다. 소화기관 이상은 장내세균총 변화가 그 원인이 될 수 있다.

장내 미생물 수는 인간 세포의 2배 이상, 인간 유전자의 100배 이상 많은 것으로 알려져 있다. 장내에 존재하는 세균은 단순히 소화에만 영향을 줄 뿐 아니라 비만과 장염, 면역조절, 암 등 다양한 질병과 연관돼 있다. 최근에는 정신 건강과도 밀접한 관련이 있다는 연구 결과들이 많이 발표된다. 현재까지 사람의 장내세균 분석 연구 대부분 분변(stool)에서 DNA를 추출하며 차세대염기서열(NGS, next generation sequencing) 분석을 통해 분리 배양이 어려운 편성 혐기성 세균의 분포까지도 확인할 수 있다.

그렇다면 과연 분변에 존재하는 미생물이 장내미생물을 적절하게 반영하고 있는 것인가.

최근 인체 장 환경에서 장내미생물 군집에 따른 영양분의 대사작용 기작 규명과 다양한 질병에 이해, 신규 치료제 개발을 위한 단서 등을 확인하려는 연구들이 활발하게 진행되고 있다. 또한, 마우스 동물을 통한 생체 장 환경에서 장내미생물 특성을 규명하는 연구도 다수 있다.

다른 한편으로 인비트로(In vitro) 장 생태계 대체 모델 시스템을 개발하고자 하는 노력들도 꾸준히 전개되고 있다. 대표적으로 장 환경을 모사하는 SHIME(Simulator of the Human Intestinal Microbial Ecosystem) 기술이 개발돼 발효조를 이용해 다양한 환경적 요인이 조절되는 실험실에서 장내세균총과 이들의 생태계 분석이 가능해졌다(그림 1).

하지만 SHIME 시스템은 통성 혐기성 미생물이나 호기성 미생물에 제한적으로 적용되고 있다. 80% 이상의 편성 혐기성 미생물로 이루어진 장내 미생물 배양 조건을 완벽하게 재현할 수 없기에 실제 인체 장 환경의 생태계를 직접적으로 나타내지는 못 했다.

그림 1. 장모사 SHIME 모델 (출처: BMC Microbiology 14(1):133, The HMI (TM) module: a new tool to study the Host-Microbiota Interaction in the human gastrointestinal tract in vitro)

최근에는 3D 프린터를 이용한 결장 상류의 장내 다른 위치에 비 침습적으로 샘플링이 가능한 삼투성 알약이 개발돼 내장 생체 내 샘플링과 결장 상류의 미생물 군집을 분석하려는 연구가 진행됐다(그림 2). 이 연구에서는 돼지와 원숭이를 모델로 분변과 각 기관에서 분리된 샘플과의 장내세균총 분석 비교를 진행했다. 장내세균총의 주요 요인 분석(PCA, Principal coordinate analysis)을 통해 샘플링 지점마다 장내세균총이 다양하게 나타날 수 있다는 것을 확인했다.

그림 2. 삼투성 알약 샘플러의 작동 원리 (출처: Ingestible Osmotic Pill for In Vivo Sampling of Gut Microbiomes: Nejad et al. 2019. Advanced Intelligent Systems)

시퀀싱(sequencing, 염기서열분석) 기술이 발달함에 따라 장내세균총 분석이 가능해졌다. 식이와 장내세균총 및 그 대사산물과의 관계, 다양한 질병과 상호작용, 더 나아가서는 인체와의 상호작용 분석을 통해 질병 치료를 비롯한 사람의 건강상태를 확인할 수 있는 길이 열리고 있다.

또한, 장내 세균의 분리·배양 기술 연구를 통해 예전에 배양하기 힘들었던 편성 혐기성 세균들의 분리 배양 조건들을 구축하고 있다. 장내 세균이나 대사산물들을 이용해 유용한 프로바이오틱스 개발이나 마이크로바이옴 기반 치료제를 개발하고 있다. 이러한 연구들은 건강한 사람과 환자들의 분변의 있는 장내세균총 비교 분석을 통해서 이루어지고 있다.

특정한 인체 내부기관 조직을 분리해서 장내세균총을 분석하는 것은 임상적인 접근이 아니면 어려운 것이 현실이다. 분변은 장내세균 전부를 나타내지는 않지만 분변에서 확인할 수 있는 전체적인 장내세균총 분석을 통해 질병과의 상관관계를 연구하는 데 큰 도움을 주고 있다.

*참고문헌 1. BMC Microbiology 14(1):133, 2014, The HMI (TM) module: a new tool to study the Host-Microbiota Interaction in the human gastrointestinal tract in vitro. 2. Advanced Intelligent Systems. 2019, Ingestible Osmotic Pill for In Vivo Sampling of Gut Microbiomes.

이동완 박사 약력

▲제주대학교 생물교육과 학사 ▲제주대학교 생물교육학 석사 ▲고려대학교 바이오시스템공학 이학박사 ▲고려대학교 BK21Plus 에코리더양성사업단 연구교수 ▲현 바이오일레븐 기업부설연구소 책임연구원