면역기능과 노화에 영향 미치는 장내 미생물 & 장내세균이 ‘건강 나이’ 결정

[요약] 스위스 로잔연방공과대학(EPFL) 과학자들은 면역계의 기능장애가 어떻게 장내 세균의 과부하를 유발시키는지 발견했다. 세균은 과도한 젖산을 만들어내고 세포 손상과 노화관련 질환을 유발시키는 활성산소 생성을 유발시키게 된다. (2018.11)

장내 세균이 오늘날 생물학과 의학 연구에서 가장 중요한 테마가 된 것은 분명하다. 최근 일련의 연구결과에 따르면 장에 서식하는 여러 종류의 세균들이 면역 시스템을 비롯한 다양한 신체 기능에 영향을 미친다는 것을 알게 됐다.

장내 미생물의 서로 다른 개체군들은 거의 모든 동물에 존재하면서 ‘공생’이라고 불리는 특정 기능적 균형을 이루면서 살고 있다. 질병이나 항생제 같은 약물을 과다복용할 경우 오히려 질병 감염 위험이 커지고 수명이 줄어드는 등 ‘공생 장애’ 상태가 발생한다. 이런 지식에도 불구하고 장내 세균이 건강에 어떻게 도움을 주는지 또는 그 반대의 경우는 어떤지에 대해서 명확히 알려지지 않았다.

스위스 로잔연방공과대(EPFL) 글로벌보건연구소 브루노 르마이뜨 교수팀의 이고르 이아첸코 박사는 면역계의 문제가 공생 장애를 유발시키고 노화 관련 증상을 촉진시키는 메커니즘을 발견했다.

연구팀은 장내 세균 생물학을 연구하는데 자주 쓰이는 초파리를 이용했다. 연구팀은 장내 세균과 면역계 사이의 상호작용을 탐구하기 위해 PGRP-SD라고 불리는 수용체 단백질에 주목했다.  이 단백질은 패턴인식 수용체의 한 종류로 이고르 이아첸코 박사는 2016년에 PGRP-SD가 외부의 세균성 병원균을 포착하고 이것에 대항해 파리의 면역계를 작동시킨다는 사실을 확인한 바 있다.

이번 연구에서 과학자들은 우선 PGRP-SD 유전자를 차단해 면역 시스템이 파괴된 파리를 만들었다. 이 돌연변이 파리는 일반 파리보다 수명이 짧았고 장내 세균 중 젖산을 만들어 내는 박테리아가 비정상적으로 많아져 있다는 것을 발견했다.

이 같은 생물학적 영향을 조사한 결과 과학자들은 박테리아도 과도한 젖산을 만들어 낼 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 차례로 세포에 손상을 입히고 세포 조직 노화를 촉진시키는 활성산소 종 생성을 촉발시켰다. 반대로 과학자들이 PGRP-SD 유전자를 활성화시켰을 때는 공생장애가 나타나지 않았으며 심지어 파리의 수명이 늘어나기까지 했다.

브루노 르마이뜨 교수는 “공생균과 숙주 사이 대사작용을 관찰한 결과 젖산균이 과도하게 만들어질 경우 상피 손상을 촉진시키는 활성산소가 과량으로 생산된다는 사실을 확인할 수 있었다”며 “사람을 비롯한 포유류의 장에서도 유사한 메커니즘으로 작동하고 있을 것으로 생각된다”고 말했다.

이고르 아이첸코 박사는 “이번 연구는 숙주생물에서 노화에 영향을 줄 수 있는 특정 장내미생물 성분과 대사산물을 확인할 수 있었다”라며 “나이와 관련된 질병을 막을 수 있는 병리학적 전략 개발에 도움이 될 것”이라고 설명했다.

우리 몸 소화 기관에는 수십억 마리의 장 박테리아(gut bacteria)가 살고 있다.

이 박테리아들은 음식을 소화시키는 일부터 면역 기능에 이르기까지 우리 몸의 건강을 유지하는데 있어서 매우 중요한 일들을 하고 있다.

그럼에도 불구하고 과학자들은 마이크로바이옴(microbiome)이라 불리는 이 미생물군유전체에 대해 많은 사실을 알지 못하고 있었다.

그러나 최근 인공지능(AI)을 동원한 첨단 연구방식을 통해 이전에 몰랐던 새로운 사실이 밝혀지고 있다.

건강한 사람일수록 착한 장내세균 보유 

12일 ‘사이언스’ 지에 따르면 미국의 스타트업 ‘인실리코 메디슨(Insilico Medicine)’의 과학자들은 전 세계에 거주하고 있는 수천 명의 장 박테리아를 연구해왔다.

그리고 이들 미생물 군이 매우 정교한 생체시계(biological clock) 기능을 수행하고 있으며, 이 기능을 분석할 경우 지구상에 살고 있는 모든 사람들의 생물학적 연령(biological age) 추정이 가능하다는 연구 결과를 발표했다.

‘인실리코 메디슨’에서는 현재 이 분석 방식을 실용화해 의료기관을 비롯, 일반 대중이 활용할 수 있는 방안을 찾고 있는 것을 알려졌다.

장 박테리아는 소화기관에 살고 있는 복잡한 구조의 미생물 집단을 말한다.

사람 안에 살고 있는 미생물 군집체 중 가장 많은 수의 박테리아와 가장 많은 수의 종을 가지고 있어 인체 건강에 가장 큰 영향을 미치고 있다.

연구를 이끈 알렉스 자보론코브(Alex Zhavoronkov) 박사에 따르면 이전의 장 박테리아 연구는 다이어트와 관련된 건강 상태, 또는 특정한 유전자와 관련된 질병 등 부분적인 연구에 국한돼왔다.

자브론코브 박사는 이런 상황에서 ‘인실리코 메디슨’ 연구팀이 이전과 다른 새로운 시도를 수행했다고 설명했다.

지구상에 살고 있는 다양한 인종을 대상으로 장 박테리아 표본을 분석해 생체시계와의 연관 관계를 밝히고, 또한 생물학적 연령을 추정해내는데 성공했다는 것.

연구 결과는 생물학 분야 논문을 온라인으로 공개하는 ‘bioRxiv’에 게재됐다. 논문 제목은 ‘Human microbiome aging clocks based on deep learning and tandem of permutation feature importance and accumulated local effects’이다.

인실리코 메디슨, 장 박테리아 플랫폼 구축 

인체 내부에는 일종의 시계 같은 것이 있어서 시간의 따른 인체의 생체리듬을 주관하는데, 이를 생체시계라 한다. 낮과 밤의 시간 변화에 따라 수면 패턴이 달라지고, 체온이 조절되며, 혈압에 변화가 일어나고 있는 것 등을 말한다.

장 박테리아가 생체시계와 관련이 있다고 본 연구팀은 시간에 따라 장 박테리아가 어떻게 변화하는지 분석하기 위해 세계 전역에 거주하는 1165명의 사람들로부터 3600여 표본(sample)을 추출했다.

그리고 표본 분석을 통해 장내 박테리아의 유형 중 3분의 1은 20~39세 나이에, 3분의 1은 40~59세 나이에, 마지막 3분의 1은 60~90세 나이에 해당한다는 사실을 알아냈다.

이는 장 박테리아의 유형이 나이와 밀접한 관계가 있다는 사실을 의미한다.

새로운 사실을 접한 연구팀은 인공지능인 머신러닝(machine learning)을 투입해 다르게 나타나고 있는 장 박테리아의 특징이 무엇인지 정밀 분석을 시도했다.

그리고 90%의 장 박테리아 표본이 95개의 다른 종(種)들로 구성돼 있으며 이 중 39종은 나이를 추정하는데 매우 중요한 종들이라는 사실을 발견했다.

연구팀은 나머지 10%에 대해서도 분석을 시도했다. 그리고 또 다른 특징들을 분석해 3.94년의 오차 범위 안에서 실제 나이 추정이 가능하다는 사실을 확인할 수 있었다. 자브론코브 박사는 3.94년의 오차가 인공지능의 교차검증에 따른 결과라고 밝혔다.

자보론코브 박사 연구팀이 밝혀낸 것은 일부 장 박테리아가 특정 연령의 사람에게 많이 분포돼 있다는 것이다.

장내 신진대사에 중요한 역할을 하는 것으로 알려진 ‘유박테리움 할리(Eubacterium hallii)’, 염증을 일으키는 것으로 알려진 ‘박테로이데스 불가투스(Bacteroides vulgatus)’의 경우가 대표적인 사례다. 연령에 따라 그 수에 큰 차이가 있었다.

다이어트를 하고 있다든지 잠자는 습관, 그리고 육체적인 활동량 등도 장 박테리아 종(種) 분포도에 영향을 미치고 있는 것으로 나타났다.

자보론코브 박사는 “장 박테리아 활동량을 분석해 생체 리듬을 측정할 수 있으며, 나이와의 연관관계를 추정해나가면서 개인별 건강상태를 추정할 수 있어 개인 간 건강상태를 비교해나갈 수 있다.”고 설명했다.

박사는 “이번 연구 결과로 지구상에 살고 있는 다양한 인종을 대상으로 생체시계를 측정하고, 또한 생물학적 나이를 추정하는 일이 가능해졌다.”고 말했다.

그는 또 “생명공학 기업인 ‘인실리코 메디슨’을 통해 개인별로 서로 다르게 나타나는 장 박테리아 상황을 모델화해 세계적으로 누구나 참여할 수 있는 건강 연령 해석이 가능한 플랫폼을 구축하겠다.”고 밝혔다.

“이 플랫폼을 통해 제시되는 데이터는 95종의 장 박테리아 관련 데이터를 통해 구축된 최초의 생체지표(biomarkers)가 될 것”이라고 말했다.