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오지환
오지환(Jee-Hwan Oh) 저자 이메일 보기
University of Wisconsin-Madison
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Dietary Fructose and Microbiota-Derived Short-Chain Fatty Acids Promote Bacteriophage Production in the Gut Symbiont Lactobacillus reuteri

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

최근 10년간 오믹스 (Omics), 특히 마이크로바이옴 (Microbiome) 과 같은 단어들을 과학 저널에서뿐만 아니라 뉴스에서도 한번 정도는 들어보셨으리라 생각됩니다. 장내미생물과 우리 건강과의 유의성에 대한 연구는 2000년도 들어 본격적으로 진행되어 여러가지 질병과 장내미생물 분포의 연관성에 대한 증거 자료들이 빅 데이터화되어 분석 및 질병 모델 연구에 활용되고 있습니다. 이러한 기법을 토대로 장내미생물과 비만, 제2형 당뇨, 그리고 지방간 같은 여러 가지 대사장애 그리고 자폐증, 우울증과 같은 뇌 와 중추신경과의 상호작용에도 영향을 미친다는 사실들이 발견되고 있습니다. 장내미생물 분포는 특히 특정 음식물 섭취로 인해 큰 변화가 생기는데 여기에는 장내에서 발생되는 여러 가지 직·간접적인 인자들이 서로 영향을 주고있습니다. 음식물 중 당/식이섬유/지방/단백질 분포, 장내 미생물로부터 생성된 수많은 박테리오신을 포함한 1·2차 대사산물들, 그리고 장내 면역 시스템 활성화 등이 주 원인으로 지목되고 있고 이의 상관관계를 규명하기 위해 최근에 많은 관련 연구들이 수행되고 있습니다.

저는 장내 미생물 다양성과 분포에 이들 인자들보다 더 직접적으로 영향을 주는 가장 중요한 요소는 바로 장내미생물 중 가장 중요한 위치에 있는 장내세균 유래 박테리오페이지 (Bacteriophage)에 있다고 생각합니다. 대부분의 세균은 유전체의 일부분으로서 한 개 이상의 프로페이지 (Prophage) 지놈 (Genome) 정보를 가지고 있습니다. 프로페이지는 세균 외부의 여러 가지 자극 (예를 들면, Temperature, UV, Oxidative stress, 각종 대사산물 등) 에 민감하게 반응하여 쉽게 활성화되며 숙주 세포를 깨고 외부로 방출되며 새로운 숙주를 찾는 주기를 반복하여 장내 세균 분포에 영향을 미칠 것이라 생각됩니다. 물론 현재 밝혀진 연관관계는 없습니다. 앞으로 우리가 밝혀내야 할 가정 중 하나로 연구 가치가 매우 높다고 볼 수 있습니다.  

제가 최근 Cell Host&Microbe에 발표한 박테리오페이지 연구 중 중요한 에피소드가 하나 있었는데요, 원래는 발표된 연구주제가 아닌 "박테리오페이지 활성화가 숙주 유산균의 장내 안정성 및 프로바이오틱스 효과에 미치는 영향"을 연구하는 중 이었습니다. 연구를 보조해주던 학부생이 실수로 유산균 배양액에 들어가는 acetate 기준 함량을 5배 이상 줄여 넣은 것을 제가 연구에 사용을 했고 이상할 정도로 기존 연구 결과와 비교해서 제로에 가까운 월등히 낮은 수치의 박테리오페이지 생성이 확인 되었습니다. 다행이 제가 학부생이 옮겨 적은 조성에 acetate 함량이 너무 적게 기입이 되어 있는 것을 발견하고 기존에 사용되었던 모델 배양액과 반복적인 비교분석을 통해 우리 소화 기관, 특히 대장 내에서 발견되는 주요 SCFA인 acetic acid가 유산균의 박테리오페이지를 활성화한다는 사실을 발견했습니다. 이후에 electron acceptor로 작용하는 과당 (fructose) 이 유산균의 redox balance에 영향을 줘 acetic acid 생산을 하는 점을 확인하였고 식용 과당이 유산균의 박테리오페이지 생산을 유도한다는 메커니즘을 처음으로 규명하게 된 것입니다. 옆에서 실험을 도와주었던 학생, Echo Pan, 진심으로 고마워요! 

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다.

저희 van Pijkeren Lab은 University of Wisconsin-Madison, Department of Food Science 소속으로 식품, 생명공학, 의료 산업에 중요한 유산균에 초점을 맞춰 여러가지 연구를 진행하고있습니다. 2013년 말에 저와 van Pijkeren 박사와 같이 오픈한 신생 연구실이라 외부에 잘 알려져 있지는 않지만 다양한 유산균에 적용 가능한 고효율 유전자 조작 도구를 자체적으로 개발해 전세계에 공급하고 있는 연구실입니다. 현재 70여개 이상의 세계적인 연구 기관들과 유산균/스타터를 생산하는 회사들에 저희가 개발한 유전자 조작 도구를 제공하고있으며 유산균의 지놈을 고효율로 편집할 수 있는 세계적으로 몇 안되는 연구실로 발돋움하고 있다고 생각됩니다.

현재 저는 대학원생 3명의 멘토로서 유전자 조작 도구 개발, 유산균을 이용한 치료제 전달체 개발 및 프로바이오틱스와 호스트의 상호 작용 이해에 관한 프로젝트를 운영하고 있습니다. 그리고 현재 최신 유전자 조작 기법을 통해 박테리오페이지 연구에 필요한 플랫폼을 구축하여 우리가 섭취하는 음식을 구성하는 성분이 박테리오페이지 활성화에 어떻게 영향을 미치는지 그리고 이러한 현상이 인간의 박테리옴 (Bacteriome) 및 페이지옴 (Phageome) 조성 변화 및 다양한 질병과 어떠한 상관관계가 있는지에 대한 기본 적인 정보를 수집하고 있습니다. 저희 연구실은 향후 마이크로바이옴 연구에 박테리오페이지 관련 데이터가 상당한 영향을 미칠 것이라 예상하고 있으며 향후 심장병, 비만, 제2형당뇨, 지방간 등의 대사증후군 예방 및 치료에 효과가 있는 유산균 기반 혹은 마이크로바이옴 기반 치료제 개발에도 도움이 될 것으로 기대하고 있습니다.         

3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

인정하긴 싫지만 모든 연구활동은 정신적으로나 육체적으로 엄청난 스트레스를 줄 수밖에 없어요, 하지만 이를 상쇄하고도 남을 만큼의 무언가가 있으니 끈기 있게 도전하는 겁니다. 저도 마찬가지로 여러 프로젝트를 운영하다 보면 뜻하지않은 연구계획 변경, 연구 지연, 연구비 관리, 학생들과 지도교수 사이에서 발생하는 미묘한 감정적인 문제 조율 등 여러가지 신경 써야할 부분이 많습니다. 하지만 제가 계획한 연구가 진행되고 여기서 얻은 눈에 보이지 않는 몇몇 결과물이 타 연구자로부터 인정을 받고 그들의 연구에 도움이 되었을 때 가장 자부심을 느끼며 뭐랄까 보상받는 느낌이 듭니다.

특히 2013년도 실험실을 처음 오픈했을 때 조금 힘들었지만 해마다 연구실이 확장되고 저희만의 연구 영역이 확립되어 나가는 걸 보고 있으면 아주 뿌듯합니다. 마지막으로, 제가 가을학기 마다 공동으로 강의하고 있는 Food Microbiology 수업 마지막 주에 현지 학생들과 김장을 하고 있고요, 수업 중간에 김치 속에 숨어있는 미생물과 발효과정을 쉽게 설명해주면서 신선한 채소, 허브, 등을 섞어 저온 발효를 통해 풍미가 생성되는 과정을 직접 체험 해보는 기회를 마련하고 있습니다. 해마다 김치 담그는 실력이 느는데 실험이라고 생각하고 임해서 일까요? 아무튼 학생들의 호응이 너무 좋아 참 보람을 느끼고 있습니다. 앞으로 건강한 한국 유산균 발효식품 문화가 세계적으로 더 널리 전파되었으면 합니다.

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4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

정말 기대했던 질문입니다. 딱히 제가 연구하는 분야를 하나로 소개해야 한다면  "차세대 프로바이오틱스" 라고 해야할 것 같습니다. 한국에서 요즘에 유산균, 비피도박테리움 등을 지칭하는 프로바이오틱스 제품을 광고나 마켓에서 많이 접해 보셨을 텐데요, 15년 넘게 이 분야에 있는 저는 과연 인간의 건강에 조금이라도 도움이 되는 프로바이오틱스 제품이 전 세계적으로 몇개나 있을지 항상 궁금합니다. 현재 발효식품이나 장내에서 분리된 여러가지 다른 프로바이오틱스 후보 균주들을 가지고 수 많은 연구가 실험실에서 이루어지고 있고 여러가지 질병 모델에서 효과가 있는 균주들이 많이 알려지고있지만, 왜 그런 효과가 나오는지 메커니즘을 규명하는 연구 및 임상 실험의 수는 극소수에 불과합니다. 물론 프로바이오틱스는 발효식품이나 건강한 장에서 유래된 균이기에 인체에 무해한 것은 사실이지만 어떻게 인체에 유익한지에 대한 타당성있는 증거자료는 부족하기에 프로바이오틱스의 건강 증진 효과는 실제로 소비자에게 어필할 수 없는 미지의 영역입니다. 이는 소비자입장에서는 부정적이겠지만 저는 이 부분에 있어서 후학 연구자분들께는 금맥이 될 수 있다고 생각합니다.

앞으로 이 분야로 관심이 있는 연구자분들 은 대표적으로 아시아에선 일본, 싱가폴, 유럽에서는 북유럽 국가들 (스웨덴, 노르웨이, 덴마크), 스위스, 독일, 프랑스, 네덜란드, 영국, 그리고 북미에서는 미국과 캐나다 등이 유산균과 마이크로바이옴 연구 지원 (연구비/PI) 및 연구 질적 수준 (publications, quality commercial products) 이 다른 나라에 비해 좋다고 객관적으로 평가되고 있습니다. 워낙 급성장한 분야라 딱 정의할 만한 이 분야의 대가는 없으며 대부분 연구에 있어 협력적 경쟁관계를 가지고 수평적인 위치에 있습니다. 워낙 다양한 학문이 밀집된 연구 분야라 요즘 마이크로바이옴 허브를 만들어 수십에서 백여명의 교수진과 천여명 이상의 연구진이 포진한 수퍼 클러스터 형태로 연구기관을 만들어 운영하고있고요 제가 방문한 곳 중 개인적으로 추천 드릴만한 연구기관은 미시건 대학내 운영 중인 "Microbiome and Metabolomics Core" 그리고 위스콘신대학-매디슨의 "The Microbiome Hub" 입니다. 도움이 되었으면 합니다.   
       
5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

저는 프로바이오틱스 그리고 마이크로바이옴 관련 기술 개발의 궁극적 목표는 상용화에 있다고 봅니다. 이는 신약개발 기준보다는 안전한 기능성 식품으로서의 기준에 맞춰 다수의 일반인이 저비용으로 건강 증진 혜택을 볼 수 있는 기술로 거듭나야 한다고 생각합니다. 현재 앞으로의 계획은 지금하고 있는 프로바이오틱스 기초 연구결과를 기반으로 우리 실생활에 도움이 될만한 응용 연구를 접목시키고 싶습니다. 추후에 여건이 조성된다면 한국이나 미국에서 저비용으로 비만, 2형 당뇨. 고 콜레스테롤, 지방간 등의 대사질환 예방에 처방전 없이 사용될 수 있는 프로바이오틱스나 마이크로바이옴 관련 제품화 기술 개발에 시간과 자금을 투자해 더욱 많은 소비자가 혜택을 보았으면 하는 바램이 있습니다. 
      
6. 다른 하시고 싶은 이야기들....

국민대학교 이인형 교수님의 추천으로 미국에서 첫 연구경험을 쌓을 수 있어 지금의 위치로 도약 가능했습니다. 특별히 감사드리고 싶습니다. 아마 현재 유학중인 다른 분들도 저와 같은 생각 일거라 생각됩니다. 동반 가족이 고생 많이 합니다. 유학 중 타국살이로 고생이 많았던 우리 가족, 특히 아내 (홍미령씨) 에게 고생했다고 전하고 싶네요 (앞으로 더 고생해줘, 미안~).   


 등록일 2019-01-31
Category: Microbiology
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