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제목 [뉴스포럼 3호] Focus on
작성자 관리자 작성일 2018-08-13 11:27:43 조회수 457
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마이크로바이옴 연구의 현재

박수제(제주대학교 생물학과)

 

지구 상의 가장 많은 생물량을 차지하는 미생물은 지구 생태계의 주요 구성원이다. 인류가 미생물을 인지한 이후, 매우 밀접한 관계가 확인되고 있다. 인류 역사에 기록된 최악의 범유행 질병인 흑사병을 포함하여, 현재 사스(SARS), 독감(influenza virus) 등 미생물의 역할은 단순히 생태계 내의 ‘물질순환’의 역할에서 벗어나 인류 경제, 산업 그리고 과학사에 큰 영향력을 행사하고 있다.
 

현재 미생물 연구는 단순히 개별 미생물에 대한 생리 생화학적 범위에서 벗어나, 온전히 미생물 전체, 미생물군 (microbiota)에 대한 이해도를 높이려 하고 있다.[1] 이러한 연구는, 초기의 염기서열 분석인 생거법(Frederick Sanger)를 시작으로, 차세대 염기서열 분석기법(Next-Generation Sequencing, NGS)의 발명으로 현재에 빅데이터 기반 연구에 이르고 있다.[2] 이러한 NGS기법을 통하여 인류는 미국 중심의 Human microbiome project (HMP)와 유럽 중심의 Metagenomics of the human intestinal tract (MetaHIT)를 수행하였고, 인간의 필수 장기 혹은 제2의 유전체로써, 당뇨, 비만, 자폐증 등과 미생물군의 연관성에 대한 중요 정보를 제공하고 있다.[3] 또한, 이들 연구를 바탕으로 과학수사에 새롭게 적용하고 있다.[4]
 

현재 마이크로바이옴(microbiome) 연구에 사용되는 두 용어인, microbiota와 microbiome은 서로 교차되어 사용되고 있다. 다만, 본 글에서는 마이크로바이옴(microbiome)은 microbiota가 지닌 유전체 정보를 포함하는 것으로 보다 넓은 범위를 포함하는 것으로 하고자 한다.[5] 일반적으로 다수 연구를 통하여 발표되는 주요 미생물에 대한 정보는 미생물이 지닌 16S ribosomal RNA 유전자, 즉 하나의 유전자에 대한 대용량 분석을 통하여 그들의 군집 구조가 밝혀져 있다. 하지만, 이들 정보는 사실 ‘존재 여부’로 단순한 정보를 제공한다고 할 수 있다. 이러한 이유로, 특정 미생물의 역할이 연구결과에 따라서 서로 다른 정보를 제공하기도 한다.[6,7] 이처럼 핵심적 역할을 수행하는 것으로 예측되는 미생물은, 배양을 통하여 그들의 생리 화학적 특성에 대한 연구가 보다 절실한 이유이기도 하다. 다만, 주요 미생물의 분리 및 배양은 매우 어려운 연구임이 분명하다.
 

이를 극복하기 위하여, 메타게놈(metagenome)이라는 다수의 미생물의 유전체를 배양을 통하지 않고 그들의 전체 유전자 정보를 온전히 분석하는 그들의 특성 연구(metabolic potential analysis)가 중요하다고 할 수 있다. 이런 접근을 통하여 우리는 ‘존재 여부’에서 벗어나, ‘주요 역할’의 정보를 확인할 수 있을 것이다. 질환을 지닌 환자의 장내에서 특정된 SCFA (short chain fatty acid)의 변화 양상을 관찰하여, 주요 미생물의 역할을 규명하거나, microbiota 연구를 통하여 주요 미생물을 특정하여 그 미생물을 분리, 배양 및 생리 생화학적 연구를 통하여 장내 환경에서 그 역할을 규명할 수도 있다.[8,9]

 

 

 Reproduced from Young et al (2017)

 

 

게다가 최근 연구결과에 따르면 미생물 특히 장내 미생물은 우울증이나 자폐증과 같은 정신질환에도 영향을 미치는 것으로 확인되고 있다. 미생물의 주요 대사 결과물이 신경세포에도 영향을 미치는 brain-microbiome-gut axis(뇌-미생물-장 축) 이론까지, 미생물은 장과 뇌의 주요 매개체의 역할까지 수행하고 있다.[10]

 

 

 


Reproduced from Yano et al (2015)
 [13]

 

 

물론 이런 연구에 있어서도 논란의 대상에 있기도 한다. 이는 실험대상에 대한 연구 결과에 의한 것으로 판단되고 있으나, 인간의 정신과 미생물 간의 상호작용에 대한 심도 있는 연구는 주요 후속 과제라 할 수 있다.[11] 주요 연구결과를 통하여, 인간에 존재하는 미생물의 수는 100조로 추정되어 인간 세포의 2배 이상 그리고 그 유전자 수는 100배 이상으로 알려져 왔으나, 최근 연구 결과에 따르면 인간 세포와 비슷한 수치를 보이고 있다.[12] 그럼에도 불구하고 앞서 언급한 것처럼 이처럼 인간에게 있어 미생물은 기생을 넘어서는 서로 떨어질 수 없는 주요 상호작용 관계를 지니고 있다. 물론 우리 몸 내부 (장기, 혈관) 등에서는 이러한 미생물이 발견되어서는 안 되는 역설적인 부분도 존재한다. 

 

지구 상(sphere)의 주요 지배자로서, 미생물은 인류의 삶과 그 역할에 깊숙이 관여하고 있으며, 동시에 공동 진화를 통하여 서로 간의 공생관계를 넘어서고 있다. 인류의 질병과 미생물의 관계는 코흐의 법칙이 복잡한 상호작용을 바탕으로 한 미생물 생태계가 존재하고 이들을 이해하는 연구로 그 패러다임이 급격히 변화하고 있다. 개별의 미생물 연구가 아닌 미생물군과 그들이 지닌 유전체 정보 더 나아가 대사적 특성(meta-omics analysis) 연구를 통하여 인류의 건강한 삶을 지속적으로 영위할 수 있는 기회를 얻을 수 있을 것이다.  

 

 

 

 

 

[참고문헌]

1. Ursell, L.K., Haiser, H.J., Van Treuren, W., Garg, N., Reddivari, L., Vanamala, J., Dorrestein, P.C., Turnbaugh, P.J., and Knight, R. (2014). The intestinal metabolome: an intersection between microbiota and host. Gastroenterology 146, 1470-1476.

2. Ursell, L.K., Metcalf, J.L., Parfrey, L.W., and Knight, R. (2012). Defining the human microbiome. Nutr Rev 70 Suppl 1, S38-44.

3. Cho, I., and Blaser, M.J. (2012). The human microbiome: at the interface of health and disease. Nat Rev Genet 13, 260-270.

4. Hampton-Marcell, J.T., Lopez, J.V., and Gilbert, J.A. (2017). The human microbiome: an emerging tool in forensics. Microb Biotechnol 10, 228-230.

5. de Vos, W.M., and Nieuwdorp, M. (2013). Genomics: A gut prediction. Nature 498, 48-49.

6. Kang, D.W., Park, J.G., Ilhan, Z.E., Wallstrom, G., Labaer, J., Adams, J.B., and Krajmalnik-Brown, R. (2013). Reduced incidence of Prevotella and other fermenters in intestinal microflora of autistic children. PLoS One 8, e68322.

7. Michail, S., Lin, M., Frey, M.R., Fanter, R., Paliy, O., Hilbush, B., and Reo, N.V. (2015). Altered gut microbial energy and metabolism in children with non-alcoholic fatty liver disease. FEMS Microbiol Ecol 91, 1-9.

8. Tyson, G.W., and Banfield, J.F. (2005). Cultivating the uncultivated: a community genomics perspective. Trends Microbiol 13, 411-415.

9. Furusawa, Y., Obata, Y., Fukuda, S., Endo, T.A., Nakato, G., Takahashi, D., Nakanishi, Y., Uetake, C., Kato, K., Kato, T., Takahashi, M., Fukuda, N.N., Murakami, S., Miyauchi, E., Hino, S., Atarashi, K., Onawa, S., Fujimura, Y., Lockett, T., Clarke, J.M., Topping, D.L., Tomita, M., Hori, S., Ohara, O., Morita, T., Koseki, H., Kikuchi, J., Honda, K., Hase, K., and Ohno, H. (2013). Commensal microbe-derived butyrate induces the differentiation of colonic regulatory T cells. Nature 504, 446-450.

10. Yano, J.M., Yu, K., Donaldson, G.P., Shastri, G.G., Ann, P., Ma, L., Nagler, C.R., Ismagilov, R.F., Mazmanian, S.K., and Hsiao, E.Y. (2015). Indigenous bacteria from the gut microbiota regulate host serotonin biosynthesis. Cell 161, 264-276.

11. Kleiman, S.C., Bulik-Sullivan, E.C., Glenny, E.M., Zerwas, S.C., Huh, E.Y., Tsilimigras, M.C., Fodor, A.A., Bulik, C.M., and Carroll, I.M. (2017). The Gut-Brain Axis in Healthy Females: Lack of Significant Association between Microbial Composition and Diversity with Psychiatric Measures. PLoS One 12, e0170208.

12. Sender, R., Fuchs, S., and Milo, R. (2016). Revised Estimates for the Number of Human and Bacteria Cells in the Body. PLoS Biol 14, e1002533.

13. Young, V.B. (2017). The role of the microbiome in human health and disease: an introduction for clinicians. BMJ 356, j831. 

 

 


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