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식이와 미생물사이의 상호작용과 이를 활용한 개인맞춤형 영양
식이와 미생물사이의 상호작용과 이를 활용한 개인맞춤형 영양 저자 이재은 (경북대학교)
등록일 2020.03.03
자료번호 BRIC VIEW 2020-R07
조회 1558  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
요약문
식이 섭취에 대한 개인마다 다른 반응들은 유전적 요인과 마이크로바이옴 특성에 의해 결정될 수 있다는 최근의 연구를 통해, ‘One size does not fit all!’의 개념으로 개인맞춤형 식이의 접근법에 대한 관심이 높아지고 있다. 마이크로바이옴뿐만 아니라 숙주 유래의 다양한 인자들이 식이 조절에 대한 반응에 영향을 미치지만, 마이크로바이옴은 보다 쉽게 조절이 가능하며, 식이의 소화, 흡수, 대사, 면역 조절에 관여함으로써 인간의 생리를 조절할 수 있다. 식이와 미생물 사이의 상호작용, 장내 미생물총 구성에 따른 식이 반응의 차이와 함께 이러한 현재의 지식이 개인의 건강 향상을 위한 최적의 맞춤형 영양 디자인을 위해 어떻게 활용될 수 있는지를 논의한다.
키워드: Gut microbiome, personalized-diet, host-microbe interaction, machine learning
분야: Bioinformatics, Chemical Biology, Microbiology

본 자료는 Diet–microbiota inter-actions and personalized nutrition, Nat Rev Microbiol. 17, 742–753 (2019). 의 논문을 한글로 번역, 요약한 자료입니다.

목 차

1. 서론
2. 식이가 미생물총에 미치는 영향
  2.1. 환경에 따른 식이의 변화가 장내 미생물총에 미치는 영향
  2.2. 식이성분에 대한 개인화된 미생물총의 반응
    2.2.1. 지방
    2.2.2. 단백질
    2.2.3. 탄수화물
    2.2.4. 기타 첨가제
  2.3. 식이에 대한 개인화된 숙주의 반응
  2.4. 식이 섭취의 시기와 장내 미생물총 및 숙주 사이의 상호작용
3. 미생물이 숙주의 생리에 미치는 영향
  3.1. 식품 성분의 소화
  3.2. 생리활성 화합물의 대사 및 생리 조절
  3.3. 음식 성분의 흡수 및 생리 조절
  3.4. 숙주의 대사 조절
  3.5. 숙주의 면역 조절
4. 미생물총 기반의 개인맞춤형 영양
5. 전망


1. 서론

미생물총(microbiota)은 인간의 다양한 질병의 발병과 진행 그리고 치료를 조절한다. 유아기부터 형성되는 장내 미생물총의 구성은 출산 방법, 수유 유형 등에 의해 크게 영향을 받으며, 이후에도 다양한 환경적 요인들에 의해 조절될 수 있다. 그중 식이(diet)는 미생물총 구성을 결정하는 핵심적인 요인이며, 특정 식이의 섭취가 인간에게 미치는 영향은 개인마다 다르게 나타날 수 있다. 식이, 미생물총, 숙주의 생리 및 대사는 상호 연결 적으로 영향을 주어 식이에 대한 개개인의 반응을 결정한다 (그림 1).
 

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그림 1. 개인의 식이 반응을 결정하는 요인


개인맞춤형 영양은 숙주-미생물총 상호작용을 통해 질병을 조절하고 예방할 수 있는 새로운 치료 방법이다. 이러한 접근법은 식품 구성요소에 대한 반응을 예측할 수 있는 마이크로바이옴(microbiome) 특징을 규명하는 것을 목표로 하며, 결과적으로 목적에 맞는 유용한 식이를 디자인할 수 있다. 개인맞춤형 영양의 주된 과제는 식이에 대한 반응에 있어서 숙주와 마이크로바이옴 그리고 식이 섭취가 어떻게 작용하는지를 규명하는 것이다.

이 리뷰논문에서는, 어떻게 식이가 미생물총을 조절하고, 식이와 마이크로바이옴의 상호작용이 질병에 영향을 미치는지를 서술하고, 이러한 정보들이 어떻게 식이의 디자인에 활용될 수 있는지를 검토한다. 또한 음식에 대한 개인마다 다른 반응에서 복잡한 요인들의 상관관계를 해석하는 데 있어 한계점과 도전 과제들을 정리한다.

2. 식이가 미생물총에 미치는 영향

2.1. 환경에 따른 식이의 변화가 장내 미생물총에 미치는 영향

환경에 따른 식이의 변화로 대표적인 예는 계절이다. 특정 집단에서 확인된 장내 미생물총의 주기적인 변화의 일부는 식이의 계절적 변화로 설명될 수 있다. 탄자니아의 수렵 채집인 공동체인 Hadza 족 사람들은 건기에는 주로 사냥을 통해 식이를 섭취하고, 우기에는 과일 및 꿀의 섭취가 많다. 우기 동안 Hadza 족 사람들의 장내 마이크로바이옴은 건기에 비해 식물, 동물 및 뮤신 탄수화물 활성 효소들(carbohydrate-active enzymes, CAZymes)을 암호화는 유전자의 비율이 낮았다. 또 다른 예로, 북아메리카의 공동체 생활 인구인 Hutterites 족은 여름에는 복합 탄수화물 소화자인 Bacteroidetes 문(phylum)이 더 풍부하며, 이는 여름 동안 더 많은 채소와 과일을 섭취하고 겨울에는 통조림 식품을 더 많이 섭취하는 식이 습관과 관련이 있을 수 있다. 계절에 따른 식이 변화에 의한 장내 미생물총의 주기적인 변화는 식이가 얼마나 강력하게 미생물총의 형성에 영향을 주는지 보여주는 예이다.

식이 변화와 그에 따른 마이크로바이옴을 유도하는 또 다른 환경적 요인은 도시화에 의한 식이의 변화이다. 도시화는 장내 미생물총의 구성 변화, 다양성의 감소, Treponema와 같은 특정 미생물종(species)의 감소와 관련이 있다. Hadza 족 사람들과 같이 주로 날 것으로 식이를 소비하는 비서구화 인구는 더 다양성이 높은 미생물총을 가진다. 시골의 식이는 PrevotellaXylanibacter 속(genus)을 포함한 Bacteroidetes를 풍부하게 하여 섬유질로부터 에너지 섭취를 최대화할 수 있게 돕는다. 또 한 가지 중요한 특징은, 비교적 단순하고 획일화된 식이를 섭취하는 시골과 달리 도시환경에서는 매우 다양한 음식을 섭취하므로, 개개인 간의 장내 마이크로바이옴 차이가 크다. 또한 도시화는 식이의 변화뿐만 아니라 항생제 사용, 오염물질에 노출, 향상된 위생 등이 장내 미생물총 변화에 추가로 기여할 수 있다.

2.2. 식이성분에 대한 개인화된 미생물총의 반응

탄수화물, 단백질, 지방과 같은 다량 영양소들의 변화는 인간 장내 미생물총의 구성을 크게 변화시킬 수 있다 (표 1). 완전한 동물 기반 식이를 섭취한 사람들과 식물 기반 식이를 섭취한 사람들은 식이 섭취 후 4일 이내에 장내 마이크로바이옴의 차이를 보였고, 또 다른 연구는 섭취하는 식이섬유와 지방 함량을 변화시켰을 때 2주 이내에 장내 마이크로바이옴에 변화가 있음을 확인했다. 이러한 연구들은 식이에 의한 장내 미생물 군집의 변화가 빠르게 나타나며 재현 가능하다는 것을 보여준다. 그러나 식이 외에도 나이, 성별, 약물 복용 및 민족성 등의 개인마다 다르고, 그 외 많은 개별적인 특징들 또한 장내 미생물총 구성에 영향을 미칠 수 있기 때문에, 식이에 의한 미생물총의 반응을 평가하는 것은 매우 복잡하다.
 

표 1. 식이 성분에 따른 미생물총의 반응
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2.2.1. 지방

식품 속 지방은 장내 미생물총의 구성 및 기능에 영향을 미치며, 결과적으로 숙주의 대사에도 영향을 미친다. 실험쥐 모델에서 고 포화지방/ 저 섬유질 식이는 Bacteroidetes를 감소시키는 반면 Firmicutes 및 Proteobacteria 문을 증가시킨다. 또한 고지방 식이를 섭취한 실험쥐의 체지방율이 증가할수록 Lactococcus Allobaculum 종(species)이 많았으나 Akkermansia 종은 적었다. 인간 대상의 장내 미생물총 연구에서는 지방의 섭취가 많으면 성인과 영아 모두에서 미생물의 개체 수와 다양성을 감소시킨다는 것을 확인하였으며, 건강한 성인의 고지방 식이 섭취는 AlistipesBacteroides 종의 증가와 Faecalibacterium 종의 감소를 유도하였다. 다불포화지방산 오메가3의 섭취는 건강한 사람에서 낙산염(butyrate)을 생성하는 몇몇 박테리아를 증가시키며, 이러한 미생물총의 변화가 기존에 알려져 왔던 오메가3의 항암 및 항염증 효능과 연관이 있을 것이라고 예상할 수 있다. 그러나, 섭취된 지방과 장내 마이크로바이옴의 변화에 관한 영향력은 개인마다 차이가 있으며, 장내 미생물의 구성이 다양할수록 장내 미생물총의 변화량은 적게 나타났다.

2.2.2. 단백질

지방과 마찬가지로, 식품의 단백질도 장내 미생물총 구성 및 풍부도에 영향을 미치며 개인 간의 변동이 크다. 육류 유래 단백질 식이와 비육류 유래의 단백질 식이를 섭취한 동물 모델에서 장내 박테리아 프로파일의 유의적인 차이를 확인하였으며, 이는 단백질 공급원에 따라 장내 미생물총이 변할 수 있음을 보여준다. 동물 유래 단백질이 다량 함유된 식이를 섭취한 인간의 장내에서 담즙 내성 박테리아인 Alistipes, Bilophila, Bacteroides 종의 개체 수는 증가하고 당 분해와 관련된 Roseburia 종, Eubacterium rectale, Ruminococcus bromii의 개체 수는 감소한다. 이와 반대로, 식물 단백질인 당화된 완두 단백질의 섭취는 젖산균 및 비피도박테리아의 양을 증가시키고, 단쇄지방산(short-chain fatty acid; SCFA)의 생산을 증가시킨다는 결과를 보여 주었다.

그러나 각각 다른 단백질 공급원에 의한 미생물총 구성 변화의 정도는 개개인의 α-다양성(단일 군집의 종의 수)에 의해 예측될 수 있으며, 집단 수준에서는 미생물총의 변화가 크지 않더라도 집단 내 개개인 사이에서 그 변화가 매우 다양하게 나타날 수 있다.

2.2.3. 탄수화물

탄수화물은 구성 물질에 따른 유형과 양에 따라 복잡하게 장내 미생물총을 변화시킨다. 집단 수준에서의 탄수화물 섭취에 의한 장내 미생물총 변화는 다음과 같다. 복합 탄수화물의 장기간 섭취는 인간 장내 Prevotella 속을 증가시키고, 식이섬유의 섭취는 Bacteroidetes의 개체 수를 증가시킨다. 밀 등의 곡물에 존재하는 아라비노자일란(arabinoxylan)을 선택적으로 분해하는 비피토박테리아는 밀의 섭취가 낮은 성인에서 적다. 비소화성 탄수화물이 많은 식단은 RuminococciRoseburia 종, Eubacterium rectale를 포함한 Firmicute 문에 속하는 박테리아들의 개체 수를 유의적으로 증가시킨다. 반대로, 비소화성 탄수화물이 낮은 식이의 섭취는 낙산염을 생산하는 Firmicute의 개체 수를 감소시키고, 결과적으로 대변 내 낙산염의 양이 낮게 검출된다. 식이섬유와는 달리, 단순 당의 섭취는 실험쥐 장 내의 Bacteroides thetaiotaomicron의 군집 형성을 저해하고 비만을 촉진한다.

식이섬유의 경우 미생물총의 반응은 집단 내에서 공통적인 반응을 보여주기도 하지만, 식이섬유, 저항 전분, 프리바이오틱스(prebiotics)를 포함한 탄수화물에서도 개인에 따라 다른 미생물총의 변화를 나타낼 수 있다. 비소화성 탄수화물의 섭취가 일반적으로는 대변 내 낙산염의 양을 증가시키지만, 이 또한 개인마다 광범위하게 다르게 나타날 수 있다. 지방 및 단백질과 마찬가지로 미생물 다양성으로 탄수화물에 대한 개개인의 마이크로바이옴 변화를 예측할 수 있다. 그리고 탄수화물 식이 조절 이전의 섭취 습관 또한 장내 미생물총 변화에 잠재적으로 영향을 줄 수 있다. 그 예로, 이눌린형 프럭탄 섭취 시, 기존의 식이섬유 섭취가 많았던 사람은 적었던 사람에 비해 장내 미생물총의 더 많은 변화를 보였다. 즉, 식이 조절을 통해 장내 미생물총을 변화시키기 위해서는 기존의 장내 마이크로바이옴 및 탄수화물의 섭취 습관을 고려하는 것이 중요하다.

2.2.4. 기타 첨가제

실험쥐에서 유화제의 첨가는 Bacteroidales를 감소시키고, Ruminococcus gnavus 및 다른 뮤신 분해 박테리아의 개체 수를 증가시키는 결과를 보여주었다. 유화제 첨가로 인한 미생물총 변화는 해당 실험쥐의 분변을 무균상태의 실험쥐에 이식(faecal microbiota transplantation; FMT) 하였을 때 대사증후군을 유발했다. 이외에도, 인공감미료의 섭취도 동물 및 인간 모두에서 장내 미생물총 조성에 영향을 주는 것으로 확인되었다. 인간 대상의 연구에서 인공감미료에 대한 개개인에 따른 개별적인 미생물총 변화가 관찰된 바 있으나, 이러한 개인별 차이가 장내 미생물총의 차이에 의한 것인지에 대해서는 추가적인 검증이 필요하다. 프로바이오틱스라고 흔히 말하는 살아있는 박테리아의 섭취는 장내 마이크로바이옴의 변화를 나타낼 수 있으나, 그 효능에 대한 모순된 결과들이 보고되고 있다. Lactobacillus 종의 섭취는 일부 사람들에게서만 대변 미생물총을 조절하는 것으로 확인되며, 이는 섭취 전 개개인의 미생물총 및 숙주의 특성에 의해 달라질 수 있다. 일반적으로 Bifidobacterium longum AH1206를 섭취하여 장내에서 지속적인 군집 형성을 하는 비율은 섭취한 개체의 30% 미만이다. 이러한 차이는 섭취 이전의 장내 B.longum의 양에 의해 예측될 수 있다. 그러나, 장내 마이크로바이옴의 조절에 대한 프로바이오틱스의 효능은 추가적인 조사가 필요하며, 개별화된 접근법이 필요하다.

2.3. 식이에 대한 개인화된 숙주의 반응

식이 섭취 조절에 의한 숙주의 대사 또한 사람마다 다르며, 이러한 차이는 숙주의 생리학적 특성 및 미생물총의 특성에 의해 나타날 수 있다 (그림 2).
 

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그림 2. 식이에 의한 개별적 미생물총 및 숙주의 반응


몇몇 특정 박테리아 종이 많고 적음에 따라, 특정 식이에 대한 숙주의 반응을 예측할 수 있다. 보리 알갱이로 만들어진 빵(저항 전분 및 전분이 아닌 다당류 함량이 높음)의 섭취에 의해 포도당 대사가 개선된 사람들은 장내 미생물총에서 Prevotella 종이 많았고, 이는 보리 알갱이 빵 섭취에 의한 해당 효능에서 Prevotella가 중요한 역할을 할 수 있다는 것을 의미한다. 홀 그레인(whole grain)의 섭취는 개개인에 따라 염증 및 혈당 수준을 다르게 변화시켰다. 홀 그레인 섭취로 염증 인자인 인터루킨-6가 개선된 사람들은 대변 시료에서 더 많은 Dialister와 더 낮은 Coriobacteriaceae 종을 가지고 있었고, Eubacterium rectale의 개체 수에 따라 혈당 반응이 다르게 나타났다.

소아 염증성 장 증후군(inflammatory bowel syndrome, IBS)환자에서 저 포드맵(fermentable oligosaccharides, disaccharides, monosaccharides and polyols; FODMAP: 장에서 잘 흡수되지 않고 남아서 발효되어 가스 생성을 유발하는 탄수화물) 식이에 효과가 있는 환자들은 Bacteroidaceae, Erysipilotrichaceae, Clostridiale 종의 비율이 높은 반면에, 저 포드맵 식이에 반응하지 않는 환자들은 Turicibacter 속에 속하는 박테리아들이 많다.

마이크로바이옴 특성은 다른 개별적 특성과 통합하여 보다 정확하게 특정 식이에 대한 반응 및 미 반응자를 예측할 수 있다. 이스라엘의 한 연구에 따르면, 동일한 음식에 대한 식후 혈당 반응에서 개개인 간의 차이는 장내 마이크로바이옴, 식습관, 혈액 매개변수에 의한 머신러닝 접근법을 이용하여 예측되었다. 또 다른 대규모의 쌍둥이 연구는 유전적으로 비슷한 쌍둥이 사이에서도 식이에 대한 식후 반응의 차이가 높았다는 것을 보여주며, 이는 유전적인 요인보다 장내 마이크로바이옴, 숙주 대사, 식이의 차이, 운동 등의 비유전적 요인들이 음식에 대한 반응을 결정하는 데 중요한 역할을 한다는 것을 의미한다. 이러한 결과들은 각각의 사람들의 장내 마이크로바이옴을 최적화하고 식이에 대한 반응을 향상하기 위한 ‘맞춤 영양 접근법’ 개발의 필요성을 보여준다.

2.4. 식이 섭취의 시기와 장내 미생물총 및 숙주 사이의 상호작용

생체 일주기(circadian)에 따른 식이 패턴 또는 간헐적 단식과 같은 식이 요법의 시기 또한 장내 미생물총 및 숙주의 생리에 영향을 줄 수 있다. 실험쥐 및 인간 대상의 실험에서 식이 섭취는 숙주의 생체 일주기 시계(circadian clock)와 연관이 있으며, 미생물총 조성과 기능에서도 생체 일주기에 따른 파동을 형성한다. 식이 섭취의 조절은 이러한 미생물총의 생체 일주기 리듬성을 조절할 수 있으며, 결과적으로 숙주의 생리를 조절할 수 있다는 것을 보여 준다. 그 예로, 고지방 식이를 섭취한 실험쥐는 낮 동안의 미생물의 변동을 약화시킴으로써 숙주의 생체시계 기능 및 대사에 영향을 미친다.

간헐적 단식 요법 또한 장내 미생물총에 영향을 주어 숙주의 대사 건강을 증진하는 것으로 예측돼 왔다. 간헐적 단식은 실험쥐의 장내 미생물총의 조성을 바꾸고, 아세테이트(acetate) 및 젖산을 증가시키며, 결과적으로 지방조직에 영향을 미쳐 비만을 억제한다. 또한 간헐적 단식에 의해 변화된 마이크로바이옴은 실험쥐 및 환자들을 다발성 경화증으로부터 보호한다. 다른 질병에 대한 간헐적 단식의 유익한 효과에 있어서 장내 미생물총의 역할과 생체 조절에 대한 개별적인 반응은 추가로 연구되어야 한다.

3. 미생물이 숙주의 생리에 미치는 영향

섭취된 음식은 소화되어 흡수되기 전에 박테리아와 접촉하게 된다. 이러한 과정에서 박테리아는 음식의 소화과정을 돕고, 숙주에 의해 생산되지 않는 대사산물들을 생성 할 수 있다. 이렇게 발생하는 대사산물들은 숙주의 생리에 영향을 줄 수 있기 때문에, 유익한 박테리아 대사산물의 전구체를 섭취하거나, 독성 또는 유해한 대사산물의 전구체의 섭취를 피함으로써 개인 맞춤형 식이를 디자인 할 수 있다.

3.1. 식품 성분의 소화

장내 미생물총은 숙주가 섭취한 식품의 소화에 관여할 수 있다. 특히 식물 세포벽 유래의 다당류 및 저장 탄수화물과 같이 숙주가 소화할 수 없는 복합 탄수화물을 분해한다. 몇몇 탄수화물은 장내 미생물총 구성에 따라 어떤 사람에서는 소화되어 이로운 영향을 줄 수 있지만, 또 다른 사람들은 소화하지 못하여 생리활성에 영향을 줄 수 없을 수 있기 때문에, 섬유소와 관련한 개인 맞춤형 식이 요법에서 각각의 사람들의 장내 마이크로바이옴 대사 능력에 대한 이해가 필요하다. 예를 들어, 해조류 섭취가 많은 일본 사람들은 장내 박테리아에 의해 생성된 porphyranase와 agarase를 통해 해조류 탄수화물을 소화할 수 있으나, 유럽인들은 이들 효소를 생산하는 박테리아가 부족하여 소화하기 어렵다.

특정 박테리아가 유전자를 보유한다는 것이 유전자가 발현되는 것을 의미하지는 않으며, 환경적 요인에 따라 유전자 발현이 달라질 수 있기 때문에, 개개인의 장내 탄수화물 소화효소를 식별하기 위해서는 알려진 효소들의 서열 정보를 이용한 메타게놈(metagenome) 분석과 함께 새로운 효소군을 식별할 수 있는 표현형 분석법이 병행되어야 한다.

3.2. 생리활성 화합물의 대사 및 생리 조절
 

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그림 3. 미생물에 의한 대사산물이 숙주의 생리에 미치는 영향


탄수화물 소화 과정에서 박테리아는 프로피오네이트(propionate), 낙산염, 아세테이트를 포함하는 SCFAs를 생산하며, 이 SCFA들은 장 상피세포의 에너지원 및 신호전달 물질 등으로 사용되어 여러 가지 유익한 영향을 미친다 (그림 3a). SCFA는 장내 미생물에 의해 생산되는 화합물 중 하나일 뿐이며, 미생물에 의해 생성되는 광범위한 화합물들은 숙주의 생리에 다양한 영향을 미친다. 장내 미생물총 구성에 따라 생리활성 화합물의 합성 및 분해 능력이 다르기 때문에, 특정 기질을 제거하거나 공급하는 식이 조절과 함께 장내 미생물총 조절을 고려하여 숙주의 생리를 조절할 수 있다.

비타민은 숙주에 의해 합성되지 않기 때문에 식이를 통해 섭취가 되어야 하지만, 장내 박테리아에 의해 체내에서 합성될 수 있다. 그러나 미생물총에 의해 생성되는 비타민은 그 양이 충분하지 않을 뿐만 아니라, 일일 섭취량에 대한 기여도는 비타민의 종류마다 다를 수 있고, 나이에 따라 비타민을 생산하는 미생물총의 능력이 달라질 수 있다. 또한 미생물총마다 비타민 합성 가능성이 달라지기 때문에 부족한 비타민을 충족시키기 위한 섭취량은 사람마다 다르다.

박테리아는 유해한 분자의 해독 및 제거에도 관여할 수 있다. Oxalobacter formigenes, Enterococcus faecalis 및 일부 비피도박테리아 종은 신장 결석 유발의 주요 위험인자인 옥살레이트를 분해한다 (그림 3b). 따라서, 신장결석 환자는 옥살레이트를 많이 함유하는 음식을 피하는 것과 함께 옥살레이트 분해 종이 증가하도록 미생물총을 조절하여 보다 효과적으로 옥살레이트 조절을 할 수 있다.

또 다른 박테리아는 L-카르니틴, 콜린, 포스파티딜콜린을 트리에틸아민 N-옥사이드(trimethylamine N-oxide; TMAO)로 전환시킬 수 있다. 이러한 전환에 관여하는 효소를 생성하는 박테리아는 주로 채식주의자 보다 잡식을 하는 집단에서 더 풍부하게 존재한다. TMAO는 심혈관 질환의 발달에 관여하기 때문에, 낮은 L-카르니틴, 콜린, 포스파티딜콜린을 함유하는 식이 섭취와 함께 낮은 TMAO 생성 박테리아를 가지는 장내 미생물총이 TMAO를 조절하여 심혈관 질환을 조절할 수 있는지 확인하는 연구가 진행되고 있다 (그림 3c). 또 다른 몇몇 미생물총의 구성원은 식이 에탄올을 독성의 아세트 알데하이드로 전환시킬 수 있고, 페닐 알라닌으로부터 페닐 아세테이트를 생산하여 비알콜성 지방간염에 영향을 줄 수 있다 (그림 3d).

3.3. 음식 성분의 흡수 및 생리 조절

일부 박테리아는 담즙산을 조절함으로써 숙주의 생리와 음식 성분의 흡수에 영향을 미친다. 간세포에서 생성되어 장으로 방출된 일차 담즙산은 장내 미생물에 의해 타우린과 글라이신을 이용하여 2차 담즙산으로 전환된다. 결과적으로 지질, 지용성 비타민, 소수성 화합물 등의 지방 소화 및 흡수를 돕고, 더 나아가 파네소이드 X 수용체(farnesoid X receptor; FXR)를 통해 신호를 전달하여 포도당 및 글루코스-6-포스페이트 흡수를 조절한다.

3.4. 숙주의 대사 조절

체중 조절은 식이 요법의 주요 목표이다. 현재 이러한 목표를 위해 보편적으로 저칼로리, 고섬유질, 저혈당 지수 음식의 섭취가 제안되지만, 해당 식이 요법이 항상 효과적이지는 않다. 마른 사람과 비만인 사람의 미생물총을 각각 실험쥐에 이식하였을 때, 비만인 사람의 미생물총을 이식받은 실험쥐가 마른 사람의 미생물총을 이식받은 실험쥐에 비해 체중이 증가하였다는 연구 결과는 체중 증가에 있어 마이크로바이옴의 역할을 보여준다. 또한, 수직 밴드 위 성형술 또는 위 우회술과 같은 수술을 받은 환자의 장내 미생물총이 급격히 변하는데, 이는 위 시술을 통한 체중 감량 효과가 적어도 부분적으로는 미생물총의 변화에 의한 것이라고 주장 할 수 있다. 이러한 몇몇 연구의 결과들은 식이 조절과 더불어 미생물총이 체중을 조절하는 핵심 요소임을 시사한다. 최근의 몇몇 연구들은 Akkermansia muciniphila가 비만과 관련된 대사를 조절한다는 증거들을 보여준다. A. muciniphila는 체질량 지수, 피하 지방세포 크기와 상관관계가 있었고, 고지방식이로 유도된 체중증가를 개선했다.

3.5. 숙주의 면역 조절

미생물총에 의한 숙주의 생리 조절에서 많이 연구된 분야 중 하나는 장의 면역 시스템, 장벽기능, 염증성 장 질환과 같은 염증성 질환 및 대사 질환이다. Faecalibacterium prausnitzi 와 같은 몇몇 미생물에 의해 생성된 SCFA는 장 상피 세포에 영양을 공급하고, 장내 장벽 기능을 향상시켜 항염증 효능을 나타낸다 (그림 3a). 장 장벽 기능의 손실은 그람음성균 세포벽 구성성분인 지질다당질(lipopolysaccharide; LPS)의 체 순환계 침투를 증가 시켜 염증을 유발하고, 간문맥으로 침투한 LPS는 TLR4 (Toll-like receptor 4) 신호전달을 통해 면역세포에 작용한다. 지방 조직에서 이러한 신호전달을 통한 면역반응은 대사장애를 유발할 수 있다.

4. 미생물총 기반의 개인맞춤형 영양

개인맞춤형 영양은 장내 대사 질환 및 면역질환부터 암에 이르기까지, 다양한 질병의 조절 및 예방과 필요에 따른 생리학적 목표 달성을 위한 주요 또는 보조 요법으로 사용될 수 있다. 먼저, 특정 마이크로바이옴 시그니처 및 해당 미생물과 관련된 대사적 특성을 식별한 다음, 마이크로바이옴과 원하는 생리 반응에 유익한 음식을 식별한다. 예를 들어, 죽상동맥경화증의 가족력이 있는 경우, 먼저 마이크로바이옴 분석을 통해 심혈관 질환 위험인자인 TMAO 생성 박테리아 및 효소의 수준을 확인하고, 혈액 내 TMAO 수준을 확인한 다음, 이러한 결과들을 바탕으로 TMAO 생성 박테리아의 개체 수 및 혈중 TMAO가 높은 사람들에게 TMAO 전구체가 낮은 식이요법을 설계해준다. 이것은 하나의 단순한 예시일 뿐이며, 복잡한 특성을 고려하여 맞춤 식이를 디자인하기 위해서는 특정 식이의 생리학적 반응과 마이크로바이옴의 임상적 특성에 대한 다량의 데이터들에 대한 머신러닝 훈련이 필요하다.
 

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그림 4. 미생물총 기반의 맞춤형 식이 디자인


5. 전망

현재 미생물 기반의 영양은 개인에 따라 달라지기 쉬운 임상적 결과를 예측하거나, 대사 증후군 및 위장 장애에서 개인 맞춤형 치료 요법을 제안하기 위해 활용되기 시작했다. 혈당 조절에서 개인맞춤형 식이의 성공적 사례는 다른 질병의 조절 및 치료에서의 꾸준한 발전을 기대하게 한다. 더 나아가 이러한 접근법은 환자에게뿐만 아니라 건강한 사람들에 대해서도 질병 예방 및 체중 조절의 한 방법으로써 이용될 수 있다.

프로바이오틱스와 프리바이오틱스는 식이와 미생물총을 조절하는 접근법으로, 미생물총 조성을 변경하여 개인맞춤형 식이요법의 더 나은 결과를 이끌 수 있다. 그러나, 현재 식사 조절과 마이크로바이옴, 숙주의 생리 사이의 상호작용과 관련된 대부분의 연구들은 단순한 상관관계에 그치며, 이 세 가지 요인들이 서로에게 작용하는 메커니즘은 일부만 밝혀져 있다. 또한 이러한 상호작용의 메커니즘 연구는 일반적으로 인간 대상이 아닌 실험쥐에서 수행된 실험에 근거한다. 인간 대상 연구들은 개개인에 따른 방대한 차이, 마이크로바이옴 조성 조절의 부족, 식이요법 준수에 대한 어려움이 있다. 이러한 문제들을 극복하기 위해서 많은 참가자들이 필요하며, 일부 대사에서의 장기간 실험이 요구되지만, 이 또한 비현실적이다. 마이크로바이옴 분석에서는 아직까지 샘플링, 라이브러리 준비, 데이터 분석 등 표준화가 부족하다. 또한 마이크로바이옴에서 확인된 유전자의 일부만 그 기능을 알고 있으며, 대부분 서열의 유사성에 기초하여 기능을 예측하는 데 그친다. 특히 배양하기 어려운 박테리아의 기능은 확인하기 쉽지가 않으며, 박테리아의 기능적 연구는 일반적으로 실제 장내 환경을 재현할 수 없는 in vitro 단일 배양에서 진행이 되어 장내 미생물과 숙주 사이의 교차 반응에 의한 영향을 반영하지 못하는 한계가 있다.

이러한 복잡성을 극복하기 위해서, 다양한 컴퓨터 도구들이 사용되고 있으며, 식이 성분, 마이크로바이옴 구성, 숙주의 생리가 원하는 결과에 미치는 영향들에 대한 우수한 데이터 세트가 예측 훈련에 적용되면, 알고리즘이 주요한 매개변수를 식별하여 생리학적 반응을 예측할 수 있다. 하지만, 개인 맞춤 영양에 대한 연구가 아직까지는 서양 인구에서 수행되어 주로 서양 음식 문화를 반영하기 때문에, 이들 결과들을 다른 음식 문화의 사람들에게 적용하기 어렵다. 마지막으로, 최적의 식이를 디자인하는 것이 숙주의 생리를 조절하기 위한 유일한 방법은 아니며, 높은 비용으로 진행되어야 하는 포괄적인 방식이 그 정도의 충분한 가치가 있는 것인지 평가되어야 한다.

개인맞춤형 식이의 메커니즘에 대한 이해와 대상에 대한 스케일 업을 가능하게 하는 접근법을 필요로 하지만, 이러한 한계에도 불구하고 개인맞춤형 식이 접근법은 인간의 질병을 예방하고 치료할 때 영양을 보다 합리적으로 이용할 수 있는 길을 열어 줄 것이다.

 

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이재은(2020). 식이와 미생물사이의 상호작용과 이를 활용한 개인맞춤형 영양. BRIC View 2020-R07. Available from https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=3442 (Mar 03, 2020)
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