How Gut Bacteria Tell Their Hosts What to Eat

장내미생물 숙주에게 무엇을 먹어야 할 지 알려주는 방법

수십 년 동안 과학자들은 우리가 섭취하는 것에 따라 소화관 내 미생물의 균형을 변화시킬 수 있다는 사실을 알고 있었다. 점심식사로 BLT 샌드위치(베이컨(bacon), 상추(lettuce), 토마토(tomato)를 넣은 샌드위치)나 요구르트 파르페를 선택할 경우 일부 유형의 미생물은 증가하고 다른 유형은 감소시킬 수 있다. 또한 이들의 상대적인 수치가 바뀌면서 서로 다른 물질을 분비하고 서로 다른 유전자가 활성화되며 다양한 영양소를 흡수할 수 있다.

이러한 식품 선택은 양 방향으로 나누어질 수 있다. 장내미생물은 식이요법 뿐만 아니라 불안, 우울증, 고혈압 및 기타 여러 가지 상태에도 영향을 미치는 것으로 나타났다. 그러나 이러한 미생물군집이 우리 입으로 들어가는 식품들을 선택하는데 어떠한 영향을 미치는지는 미스터리로 남아있다.

최근 신경과학자들은 특정 유형의 장내세균총이 그들의 숙주가 섭취한 식품에서 부족한 영양소를 감지하고 필요로 하는 영양소를 얼마나 섭취해야 하는지 정교하게 조절하는데 도움이 된다는 것을 발견했다. 연구저자인 Carlos Ribeiro는 "미생물이 식욕을 돋구기 위해 하는 일은 마치 자동차가 연료를 더 추가하지 않고도 얼마나 오래 달릴 수 있는지를 최적화하는 것과 비슷하다"고 말했다.

PLoS Biology 학술지에 발표된 논문에서 Ribeiro와 연구진은 장내미생물이 어떻게 초파리의 영양 결정에 영향을 주는지 보여주었다. 연구진은 첫번째 그룹의 초파리에게는 필요한 모든 아미노산이 함유된 자당용액을 먹였다. 또 다른 그룹은 단백질 생성에 필요한 일부 아미노산은 있지만 체내에서 스스로 합성할 수 없는 필수아미노산이 결핍된 혼합물을 먹였다. 세번째 그룹에는 미생물에 의해 검출되는 것이 무엇인지 알아보기 위해 음식물에 있는 필수아미노산을 하나씩 제거하여 제공했다. 

72시간 동안 다양한 식이요법을 적용한 뒤 세 그룹 모두에게 단백질이 풍부한 효모와 당분을 제공했다. 연구진은 특정 단일 필수아미노산이 결핍된 식이요법을 한 두 그룹의 초파리들이 부족한 영양분을 충족하기 위한 효모를 갈망하고 있다는 것을 발견했다. 그러나 연구진이 초파리의 소화관에서 발견된 5가지 유형의 미생물(Lactobacillus plantarum, L. brevis, Acetobacter pomorum, Commensalibacter intestini and Enterococcus faecalis)를 증가시켰을 때 초파리들은 더 많은 단백질을 섭취하고자 하는 충동을 완전히 잃은 것으로 나타났다.

연구진은 박테리아가 아미노산 자체를 생성함으로써 초파리에게 부족한 영양소를 대체하지 못할 정도로 아미노산 수치가 여전히 낮다는 사실을 확인했다. 대신 미생물들이 아미노산 없이 숙주에 운반할 수 있다고 여겨지는 대사산물로 작용하여 새로운 화학물질로 변한 음식물을 변형시켰다. Ribeiro는 이러한 미생물 트릭의 결과로 초파리의 아미노산 결핍이 세포 성장과 재생을 방해해서 번식을 계속할 수 있는 것이라고 설명했다.

초산균과 유산균(Acetobacter and Lactobacillus) 두 종류의 박테리아가 초파리의 식욕에 영향을 미치는데 특히 효과적이었다. 두 가지 모두 증가시켰을 때 단백질 섭취 욕구를 억제하고 당분에 대한 욕구를 높였다. 이 두 박테리아는 또한 초파리 번식능력을 회복시켰으며, 이는 신체가 영양결핍일때 일반적으로 제한되는 정상 기능이 작동하고 있다는 것을 나타낸다. Ribeiro는 "뇌가 영양정보를 교환하는 방법은 매우 흥미롭다. 우리가 진행한 연구에 따르면 장내미생물이 동물에게 무엇을 해야 하는지 알려주는 중요한 역할을 한다"고 말했다.

다음으로 연구진은 초파리에게서 아미노산 티로신을 처리하는데 필요한 효소를 제거하여  다른 필수아미노산처럼 그들의 음식을 통해 티로신을 얻을 수 있도록 했다. 놀랍게도 그들은 초산균과 유산균이 변형된 초파리들에게서 티로신에 대한 욕구를 억제시킬 수 없다는 것을 발견했다. Ribeiro는 "이는 장내미생물이 정상적인 필수아미노산 섭취만 적정화하도록 진화했다는 것을 보여준다"고 설명했다.

이번 연구는 미생물과 숙주의 공동진화에 대한 새로운 관점을 제시한다. 온타리오 주 맥마스터 대학의 신경과학자인 Jane Foster는 "연구결과는 동물과 동물의 장내에 있는 박테리아 사이에 공동진화하는 독특한 경로가 있음을 보여주며, 식이에 관하여 상향식(bottom-up)의 의사소통이 있다"고 말했다.

비록 이 연구가 의사소통 메커니즘을 구체적으로 밝혀내지는 못했지만 Ribeiro는 이것이 다른 형태를 취할 수 있다고 보았다. 이 연구의 강력한 증거는 미생물에 의해 유도된 대사산물이 장에서 뇌로 정보를 전달하여 숙주에게 특정종류의 음식이 필요한지 여부를 알려주고 있음을 보여준다. Ribeiro는 "진화론의 미스터리 중 하나는 우리가 왜 필수아미노산을 생산하는 능력을 잃어버렸는가 하는 것이다. 아마도 이러한 대사물질은 동물들에게 이러한 영양소와는 독립적이며 가끔씩 그들을 다룰 수 있는 여유를 더 많이 주었을 것이다"고 설명했다.

그는 미생물에 뇌와의 의사소통을 위한 진화론적 이유가 있을 수 있다고 덧붙였다. 우선 미생물은 숙주인 동물이 섭취하는 것은 무엇이든 먹는다는 것이다. 따라서 미생물은 개체 전체에 퍼질 수 있도록 숙주가 사회성을 가질 필요가 있다. 이 데이터는 지금까지 동물 모델에 국한되었지만 Ribeiro는 장-뇌 커뮤니케이션이 미래에 인간의 치료법을 개발하는데 적절한 기반을 제공할 수 있다고 추정했다. 그는 "언젠가 식이요법 관련 행동을 향상시키는데 활용할 수 있는 흥미로운 치료법이 될 것"이라고 말했다.



출처: SCIENTIFIC AMERICAN
https://www.scientificamerican.com/article/how-gut-bacteria-tell-their-hosts-what-to-eat/