장내 미생물과 건강

장내 미생물과 건강 

[학술기획] 장내 미생물의 역할과 기능을 중심으로  
 
원우들 중 변비 증상을 전혀 경험해 본 적이 없거나 비만에 한번쯤 관심가져 보지 않은 사람은 드물 것이다. 우리가 잘 알지 못했던 미생물이 위와 같은 증상과 관계가 있다는 연구 결과가 나왔다. 이번 코너에서는 우리가 평소에 실생활에서 접하기 힘들었던 의학 분야에서 건강과 밀접하게 연관되어 있는 미생물에 대해 알아보는 시간을 갖고자 본 기사를 기획했다. (편집자주)

장내 미생물의 다양성

미생물은 지구상의 모든 환경에 적응을 하면서 다른 생명체에 비해 복잡한 다양성을 보이고 특히, 장내 미생물의 경우 인류가 발생하면서 사람과 공생 관계를 이루며 진화해 왔기 때문에 숙주의 장기처럼 필수적인 존재로 인식될 정도이다. 소화기관에 서식하는 장내 미생물은 무려 100조 개로 추정되어 인체의 총 세포 수보다 약 10배가 더 많으며 소화기관 외에도 다른 신체부위 (호흡기, 귓속, 위, 피부 등)에도 수많은 미생물들이 살고 있다. 인체에 서식하는 미생물을 다 합치면 그 무게가 1㎏에 해당되며, 사람의 건강을 간접적으로 확인할 수 있는 대변에서 수분을 빼면 무려 40%에 해당하는 것이 미생물일 정도로 많은 부분을 차지하고 있다.

기존의 일반적인 장내 미생물 분포와 기능 분석법 외에 최근 들어 16S rRNA의 염기서열 분석과 같은 분자생물학적 방법들이 도입되면서 장내 미생물이 단순히 소화를 돕는 정도의 역할을 한다는 종래의 일반적 추측과는 달리, 동반자(commensal)로서의 기능과 밀접한 상호관계(mutualism)를 통해 인간의 건강에 영향을 주는 존재로서 인식되고 있다.

주요 미생물의 유전체 염기서열과 소화기관내 환경에 대한 metagenomics 분석을 통한 인간의 장내 미생물 군집 (human gut microbiome)의 구조와 기능에 대한 연구를 통해 기존에 알려진 100~500여 종의 장내 미생물을 벗어나 무려 1,000여 종에 달하는 미생물들이 존재하며 이들의 역동적인 생태와 그들이 인간의 건강에 미치는 영향이 알려지기 시작했다.

성인을 대상으로 한 16S rRNA 염기서열 분석을 통해 밝혀진 인간의 장내 미생물 군집은 Firmicutes, Bacteroidetes, Actinobacteria, Fusobacteria, Proteobacteria, Verrucomicrobia, Cyanobacteria, Spirochaeates, VadinBE97의 총 9문(division)의 미생물들로 구성되어 있다. 그 중 Fermicutes와 Bacteroidetes 문에 속하는 미생물들이 전체의 98% 이상을 차지하여 토양이나 해양환경의 미생물 다양성에 비해 상당히 단순한 미생물 다양성 모습을 보여주고 있다.

장내 미생물 군집과 질병

인체에 서식하는 미생물 중에서도 사람의 건강과 특히 밀접한 관련이 있는 것은 장내 세균총(intestinal flora)으로서 인체에 큰 변화가 없는 정상적인 상태에서는 유해한 균과 유익한 균이 적절하게 균형을 이루어 사람이 건강한 상태를 유지하도록 하고 있다. 소화관에 서식하는 장내 세균총은 일단 유입되어 정착을 하게 되면 큰 변화 없이 계속 장내에 서식하는 상주균과 장내 유입 후 2~3일 내에 정착하지 않고 자취를 감추는 통과균 등이 혼재되어 있다.

사람의 장내에는 Bacteroides, Bifidobacterium, Eubacterium, Anaerobic Streptococcus 대장균, 장구균 등이 정착하고 있으며, 통과균은 음식물과 함께 장내에 들어와도 생체의 감염방어력 또는 상주균에 의해 정착하지 못하고 밖으로 배설되고 만다. 이와 같이 숙주와 장내 미생물의 관계는 숙주의 장내에서 물리적, 화학적, 영양적, 면역적 반응 등과 같은 여러 가지 환경인자들과 평형을 이루면서 형성되어 정상 장내 세균총(normal intestinal flora)을 이루게 된다. 이러한 정상 장내 세균총은 일시적으로 외부의 요소에 의해 균형을 잃을 수 있으나, 일반적으로는 곧 원래의 장내 세균총으로 회복되어 정상적인 상태를 유지하나 장기간 균형이 깨어지는 특별한 경우에는 만성 질환을 일으키는 것으로 알려졌다.

현재까지 다양한 질병들이 미생물 군집의 변이와 관계가 있는 것으로 보고되어 있다. 장내 미생물을 기능과 분포를 볼 때 유산균과 부패균, 병원성균과 비병원성균 등으로 분류할 수 있으며 또한 우리 몸에 여러 가지 이익을 주는 유익균과 정상적인 기능을 방해하는 유해균으로도 분류할 수 있다.

유익한 균주는 Streptococcus thermophils, Lactobacillus, Leuconostoc mesenteroides, Bifidobacterium 등이 많이 알려져 있으며 기능적으로는 음식물에 함유되어 있는 탄수화물로부터 산 또는 유산을 다량 생산하여 장내에 존재하는 유해한 균을 제거하기도 한다. 반면에 Bacteroides, Clostridium, Beillonella, E. coli, Pseudomonas, Vibrio 균주 등과 같은 유해한 균주는 단백질을 분해하고 암모니아, 황화수소, amine, indole, phenol 등을 생산하여 우리 몸에서 악취를 내는 주범으로 알려져, 이러한 균주가 우세할 경우 장 유래(gut-caused)의 입 냄새(구취)를 발생할 가능성이 높으므로, 정상적인 장내 환경을 유지하여 입 냄새를 방지할 수 있다.

또한 장내 미생물들은 노화, 질병 등과 밀접한 관계가 있어 장내에 서식하는 부패균이 독소를 생산하여 노화와 질병을 촉진하게 된다. 유산균의 경우, 부패균의 작용을 억제하여 질병과 노화를 예방할 수 있는 대표적인 유익균으로 알려져 있으며 유산균과 같이 우리 몸에 유익한 미생물이 사람의 장내에 서식해야만 장수할 수 있다고 주장하기도 했다.

사람이 스트레스를 받으면 장 운동의 리듬이 깨지고 위산과 장액의 분비에 변화가 생기며, 간경변, 만성 신장염, 암, 만성변비, 감기, 백신접종 및 골반강의 방사선 조사 등의 경우에도 장내 세균총의 이상이 초래되는 것으로 알려져 있다. 이런 경우, 대부분 Bifidobacterium이 감소하고 대장균, 장구균, Clostridium 균주가 증가하는 경향을 보인다. 그 밖에 음식물 및 음식물내 특정 성분, 음식습관, 연령 및 약물 복용 등에도 영향을 받아 특히, 항생물질을 복용했을 경우 심할 경우 장내 미생물의 균교대증이 나타날 수 있다. 한편 미생물들은 사람마다 구성이 조금씩 다르고 시간이 흐름에 따라 변화되며 미생물들에 대한 반응에 개인별 차이가 있다고 알려져 있다.

비만을 결정하는 장내 미생물군

현대인의 질환 중에서도 전 인류에게 가장 많은 관심을 가지게 하는 것이 비만이며, 이러한 질환은 인체의 영양학적 대사의 불균형으로 발생하는 것으로 알려진 것이 일반적인 통념이다. 그러나 최근 들어 비만에 대한 미생물학적 접근, 특히 장내 미생물에 대한 기능 분석에 대한 구체적인 연구를 통해 ‘물만 먹어도 살이 찐다’ 또는 ‘아무리 먹어도 살이 찌지 않는다’는 일반적인 속설들에 대한 원인이 밝혀졌다.

미국 Washington 대학의 제프리 고든 박사 연구팀은 비만과 관련된 원인 중의 하나가 사람의 장 속에서 서식하는 장내 미생물군이며, 장내 미생물의 종류가 달라짐에 따라 비만으로 진행되는 여부가 결정된다고 발표하였다. 사람의 소화기관에는 세균, 곰팡이, 원생동물 등 다양한 미생물이 살고 있는데, 이들이 외부로부터 유입되는 음식물을 여러 가지 효소나 성분을 이용하여 분해하고 필요한 영양성분을 얻거나 구성 성분의 합성 또는 분해에 필요한 에너지를 얻고 난 뒤, 남아있는 분해산물이나 에너지 형태를 나중에 필요한 시기에 사용할 수 있도록 비만세포에 저장하는 것을 돕는 것으로 밝혀져 우리 몸을 살찌게 되거나 마르게 되는 것이 이들 장내 미생물에 의해 일어난다는 것이다.

12명의 비만 환자들을 대상으로 1년간 저지방, 저탄수화물 음식을 식이하도록 하면서 장내 미생물 군집의 대다수를 차지하는 Firmicutes와 Bacteroidetes의 비율을 서로 비교한 결과, Bacteroidetes의 증가세가 체중감소와 연관이 있음을 규명한 것이다. 비만 환자들의 장에 서식하는 미생물의 90% 이상이 Bacillus, Clostirium, Lactobacillus, Streptococcus, Staphyllococcus 등의 미생물이 속하는 Fermicutes이고 Bacteroidales. fragilis, B. thetaiotaomicron, B. acidifaciens, B. distasonis 등이 속하는 Bacteroidetes는 5%에 단지 불과하였으나, 반면에 1년 동안 저지방, 저탄수화물 음식을 식이한 비만 환자의 경우 체중이 줄면서 장에 서식하는 Bacteroidetes 속이 점점 늘어나 20%에 달하여 정상 체중인 사람에서는 나타나는 Bacteroidetes 분포와 유사하여 날씬한 사람들의 장내 세균총과 비슷하게 변한 것으로 밝혀졌다.

또 다른 연구를 통해, 돌연변이 비만 생쥐 실험을 통해 장내 미생물 종류의 변화만으로도 체중이 증가한다는 사실이 재차 확인되었다. 이 비만 생쥐는 전분이나 복잡한 구조의 당을 분해하여 장에서 흡수가 잘 되는 저분자의 당과 지방산을 만드는 유전자를 더 많이 갖고 있어 동일한 칼로리의 식이를 하더라도 정상 생쥐에 비해 비만이 될 확률이 훨씬 높은 것이다. 즉, 유전적으로 비만한 쥐들이 마른 쥐들에 비해 음식물로부터 에너지를 수확하는 능력이 뛰어나다는 것이다.

비만인 사람이 많이 가지고 있는 Frimicutes 속 미생물은 정상인에게는 소화가 잘 안되는 비소화성 음식을 잘게 분해시켜 소장에서 흡수되는 당과 지방산으로 변화시켜 소화시키게 하므로 비만을 조장하는 미생물이라 할 수 있다. 그러므로 비만인 사람이든 살이 찌지 않은 정상인이든 먹는 음식 종류가 같고 그 량이 같다 할지라도 장에서 다양한 당과 지방이 만들어지고 모두가 잘 흡수되어 살이 찌게 되는 것이다. 또한 이 세균은 타인에게 전염시켜 비만케 할 수 있다.

따라서 운동, 식이요법 등 갖은 수단을 동원해도 살이 잘 빠지지 않는 사람의 경우에는 몸속에 어떤 미생물이 살고 있는지를 먼저 검사하는 것이 바람직하며, 이와 같은 결과로부터 장내 미생물로부터 기인한 비만의 경우에는 이러한 장내 미생물을 목표로 하여 치료함으로써 비만 치료에 대한 바이오마커로 사용될 수 있다. 즉, Bacteroidetes가 사람을 날씬하게 하고 Fermicutes는 비만을 유도하는 것으로 밝혀져 어떤 음식을 얼마만큼 먹느냐 뿐 아니라 먹은 음식이 장에서 어떻게 소화되느냐가 체중 증가 및 비만에 영향을 주는 것으로 나타났기 때문에 비만인 사람의 장내 미생물만 바꾸어 줌으로써 비만 문제를 해결할 수 있다는 것이다.

건강 지킴이, 유산균

유산균은 페르시아 시대 이전의 유목민이 우유를 가죽 주머니에 담아서 장기간 보관 및 이동 중에 우유가 변화되어 발효유가 된 것을 발견하여 식용으로 사용한 것이 최초의 기원이며 우리나라의 경우, 김치류나 젓갈류의 형태로 상시 쉽게 섭취해 온 미생물이다. 러시아의 생물학자 메치니코프박사가 유산균이 노화를 이끄는 부패성 미생물들의 독소를 억제하기 때문에 불로장생의 영약이라는 이론을 발표하는 등 지금까지 수많은 연구가 이루어져 왔다. 유산균에는 수십 가지의 균종이 있으며 그 중 대표적인 것으로는 Lactobacillus 속에는 L. acidophilus, L. casei, L. bulgaricus 등이 있고, Streptococcus 속에는 S. thermophilus, S. lactis, S. casei 등이 있으며, 이밖에 Bifidobacterium longum, Bacillus subtilis 등이 많이 알려져 있다.

유산균은 육류, 우유, 채소, 과일 및 곡류를 포함한 다양한 발효식품의 제조에 관여하여 독특한 풍미를 부여할 뿐 아니라 저장성과 안전성을 갖게 한다. 유산균 균체와 유산균의 대사산물들의 생리활성으로 항세균 및 항진균 활성으로 유산균이 유해균을 비롯하여 다른 미생물의 생육을 저해하여 식품의 보존성을 증진시킨다는 것은 오래 전부터 알려져 왔으며, 이러한 유산균이 생산하는 항균성 물질로는 유산 등의 유기산 이외에 H2O2, diacetyl 및 박테리오신(bacteriocin) 등이 알려져 있다. 박테리오신과 같은 천연 항생제가 피부의 여드름균, 잡균을 억제하여 피부의 잡균, 여드름균의 제거에 도움이 된다.

유산균의 생리적인 효능으로는 장내에 정착해서 서식하는 유산균은 병원성 미생물이 소화관 점막에 부착하는 것을 방해하여 질병 발생을 막아주며, 유산균에 의해 생성된 항생물질이 설사를 일으키는 병원성 미생물이나 장내 유해균을 죽이거나 증식을 억제한다. 유산균은 면역을 담당하는 세포의 분열 및 증식을 촉진시켜서 면역기능을 활성화시키는 기능을 가지고 있다.

또한 유산균을 장기간 섭취하면 설사와 변비 증상을 개선시켜 준다. 유해균의 활동을 억제하여 장의 연동운동을 정상적으로 유지시켜 줌으로써 설사를 예방하는 효과가 있다. 그 외에도 대사과정에서 유기산을 생성하며 부산물로 amylase, cellulase, lipase, protease와 같은 소화 효소를 생성하여 음식의 소화 흡수를 도우며 발암물질을 생성하는 많은 장내 유해균의 생육억제 및 사멸을 유도하여 항암작용을 한다. 유산균 대사 과정 중 생성되는 대사물질 중 mydroxy methyl glutaric acid, orotic acid, uric acid 등의 유기산의 작용에 의해서 혈중 콜레스테롤이 감소되는 효과가 있으며 유산균의 섭취로 유익균을 인위적으로 보충해주면 노화가 지연된다는 주장도 있다.

새로운 치료법, 박테리오테라피(bacteriotherapy)

건강한 상태의 장내 미생물 군집들의 공통점을 파악하여 건강상의 문제를 일으키거나 도움을 줄 수 있는 구조와 기능의 차이를 알게 된다면 장내 미생물 군집의 구조를 건강한 방향으로 변화하도록 유도하는 쪽의 연구가 많이 수행되고 있다. 최근 장내 미생물에 대한 연구가 활발해지면서 장내 유익균과 유해균의 균형을 맞추고 유익균에 힘을 실어주어 질병까지 치료할 수 있는 bacteriotherapy가 21세기의 건강 화두로 떠오르면서 많은 사례가 보고되고 있다.

미국국립공중보건원은 항생제 내성의 증가로 병원균과 싸우는 새 방법을 찾지 않으면 안된다며 유익한 미생물로 병원체를 몰아내는 bacteriotherapy가 새로운 대안이 될 것이라고 강조했다. 무균 쥐에게 Lactobacillus를 먹인 결과, 소장의 융모세포가 빠르게 성장하면서 창자의 벽이 두꺼워져 소화관 형태가 정상적으로 바뀌었으며 Streptococcus를 어린이의 코에 스프레이처럼 뿌려 중이염 치료에 큰 효과를 거둔 사례도 있다.

카테터를 삽입한 방광염 환자를 대상으로 무해한 대장균을 환자의 방광에 주입한 결과, 치명적인 병원균의 침입을 막아 카테타로 인한 감염을 막을 수 있었다는 연구 결과가 보고되었으며, 항생제 남용으로 장내 세균총의 생태계 균형이 무너져 장염에 걸린 환자의 장내 미생물을 주입하여 대장 생태계를 복원하여 치료하는 데 성공했다. 또한 아토피를 유산균 제제로 예방한 사례들도 보고되고 있다. 따라서 장내 미생물들은 다른 생태계에서와 마찬가지로 영양분, 에너지, 서식처를 놓고 병원균들과 경쟁하고 서로 견제하므로 이를 이용하여 유익한 미생물을 인체에 투입하여 병원균을 죽이거나, 병원균이 침입하지 못하게 하는 bacteriotherapy가 새로운 치료법으로 주목 받고 있다.

대변 가운데 미생물은 무려 40%를 차지할 정도로 많으므로 장내 미생물 생태계의 균형을 잘 유지하는 생활 습관이 건강을 유지하는데 아주 중요한 요인이다. 우리 몸속 생태계를 복원하는 가장 쉬운 방법으로 소개된 것으로는 장내 유익균의 수를 늘리는 것이다. 대표적인 유익균인 유산균의 수를 늘리는 가장 쉬운 방법으로 유산균 발효유를 직접 마시는 것과 유산균의 에너지원을 섭취하는 식이요법이 있다.

우리 몸에 좋은 미생물들의 건강 촉진 효과를 나타내는 probiotics에 대한 연구가 매우 미진하지만 일부 유산균 등의 probiotics에 대한 연구는 많이 진전되어 있다. 외부에서 투입된 균들이 일단 정착에 성공하면 종래의 미생물 군집의 구조에 변형을 주고 이러한 구조적 변화는 소화나 인간의 장 점막의 생리에 영향을 끼칠 수도 있다.

또 다른 관점에서는 일반적으로 동물에 의해서는 소화되지 않으나 이로운 장내 미생물들의 성장을 선택적으로 촉진할 수 있는 prebiotics로는 inulin, oligofructose, galacto-oligosaccharides, lactulose 등이 잘 알려져 있다. 이들 중 일부는 Bifidobacteria와 Lactobacilli의 선택적 성장을 촉진하여 결과적으로 인간의 칼슘 흡수를 증진시킨다든지 면역 체계를 상승시키는 역할을 하는 것으로 알려져 있다.

결 론

인체에는 다양한 미생물이 서식하면서 사람이 스스로 해결할 수 없는 장내 환경의 현상들을 해결하면서 우리에게 도움을 주고 있다. 우리의 몸을 안팎으로 둘러싼 이런 장내 미생물과 함께 우리가 하나의 개체로서 성장하고 생존을 하고 있다. 숙주와 장내 미생물과의 공존 및 공생 관계에 대한 지식을 축적하고 장내 미생물의 구조와 기능을 꾸준히 관찰함으로써 우리의 건강 상태를 점검하고 문제점이 발생할 경우, 그들을 바람직한 형태로 회복 혹은 변형시킴으로써 우리의 건강을 지키고 비만이나 면역체계 이상 등 각종 질병을 예방 또는 치료할 수 있는 것이다. 또한 부패 과정에서 독소를 내는 지방과 단백질을 과식하지 말고 식이섬유가 많은 야채와 과일을 먹거나 항생제를 남용하지 말아야 하며 나이가 들수록 장내 유산균인 비피더스균이 줄어들게 되므로 유산균이 함유된 음료 등을 마시며 적절한 운동을 통해 장이 활발하게 움직이도록 하는 것이 권장되고 있다.