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마이크로바이옴
마이크로바이옴(Microbiome)이란 미생물을 뜻하는 마이크로브(Microbe)와 생태계를 의미하는 바이옴(Biome)의 합성어이다. 인간의 몸에 서식하며 공생하는 미생물인 마이크로바이오타(Microbiota)와 게놈(Genome)의 합성어이기도 하다. 특정 환경에 존재하고 있는 미생물들의 총체적 유전정보를 말하며, 쉽게 말해 우리 몸에 살고 있는 모든 미생물의 유전체이다. 인체 마이크로바이옴 수는 순수한 인체의 세포 수보다 두 배 이상 많고 유전자 수는 100배 이상 많아 미생물을 빼놓고 인간의 유전자를 논할 수 없을 정도이기 때문에 제2의 유전체라고 불린다. 현재는 넓은 범위로 해석하여 인간뿐만 아니라 동물과 식물의 세균, 바이러스, 곰팡이 등 특정 환경에 존재하는 미생물을 포괄하고 있다.
개념[편집]
마이크로바이옴의 개념은 생물체와 그 환경 사이의 복잡한 상호작용을 이해하는 핵심 개념 중 하나로 간주된다. 마이크로바이옴은 주로 미생물로 구성된 생물학적 집합체로, 호스트 생물체의 외부 및 내부 생태계에 존재한다. 이러한 미생물은 박테리아, 바이러스, 곰팡이, 원생 동물 및 기타 작은 생물들로 구성되어 있다.
마이크로바이옴은 다양한 생태학적 역할을 수행한다. 예를 들어, 소화기관, 피부, 입자, 그리고 환경에 서식하는 다양한 미생물들은 호스트 생물체의 건강에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 미생물 군집은 다양한 유익한 기능을 수행하여 호스트 생물체의 영양소 흡수, 면역 체계 조절, 병원균의 성장 억제 등을 도와준다.
마이크로바이옴은 생물학적으로 매우 다양하다. 다양한 종류의 미생물들이 서로 다른 환경에서 발견되며, 이들의 구성과 기능은 호스트 생물체의 종류, 생활 방식, 건강 상태 등에 따라 다를 수 있다. 따라서 마이크로바이옴은 각 개체의 고유한 특성을 반영하며, 이를 이해함으로써 개별 생물체의 건강과 생태계의 안정성을 향상시키는 것이 중요하다.
마이크로바이옴 연구는 최근 몇십 년 동안 급속히 발전해왔으며, 이는 혁신적인 분자 생물학 기술과 바이오인포매틱스의 발전에 기인한다. 이러한 연구는 우리가 마이크로바이옴과 호스트 사이의 복잡한 상호작용을 더 잘 이해하고, 이를 통해 새로운 치료법과 질병 예방 전략을 개발하는 데 도움이 된다.
역사[편집]
2006년, 마이크로바이옴은 미국 워싱턴 대학의 제프리 고든 박사의 연구 발표에서부터 주목받기 시작했다. 제프리 고든 박사의 연구팀은 비만 쥐와 마른 쥐의 분변을 각자 무균 쥐에 투입했고, 그 결과 비만 쥐의 분변을 주입한 무균 쥐가 마른 쥐의 분변을 투입한 무균 쥐보다 더 빨리 비만이 되는 것을 확인했다. 그 후 비만인 사람의 분변을 무균 쥐에 투입한 결과 마른 사람의 분변을 주입받은 쥐보다 빨리 지방이 증가하여 비만이 되는 것을 확인, 2013년 사이언스지에 발표되었다. 이러한 결과는 장내 마이크로바이옴이 비만과 밀접한 관계를 맺고 있다는 것을 알게 해 주었고, 사람들에게 큰 반향을 일으켰다.
미생물 다양성[편집]
미생물 다양성은 지구상에서 발견되는 다양한 종류의 미생물들의 풍부성과 다양성을 의미한다. 이는 박테리아, 바이러스, 곰팡이, 원생 동물, 원생 식물 등 다양한 유기체를 포함한다. 미생물 다양성은 지표층부터 깊은 해양까지 다양한 환경에서 발견되며, 이러한 환경은 땅24, 물, 공기4, 동물과 식물의 표면, 내부 등 다양하다.
미생물 다양성은 생물학적으로 매우 중요하며, 지구 생태계의 균형을 유지하는 데 결정적인 역할을 한다. 박테리아와 같은 미생물은 지구상의 모든 생물에 영향을 미치며, 양성균은 토양의 생산성을 향상시키고, 해양 세균은 탄소 순환을 조절한다. 또한, 바이러스는 해양에서 박테리아를 제어하고, 곰팡이는 유기물 분해와 생분해 과정에 기여한다.
미생물 다양성은 유전적으로도 매우 다양하다. 한 환경에서 발견되는 미생물들은 유전자 수와 기능적 다양성 면에서 큰 차이를 보일 수 있다. 이러한 다양성은 미생물 군집이 다양한 생태학적 역할을 수행할 수 있도록 해주며, 환경 변화에 대한 적응성을 제공한다.
미생물 다양성 연구는 현대 생물학의 중요한 분야 중 하나로 간주된다. 이는 환경 보전, 식물 병해충 관리, 식품 안전성, 의료 및 바이오기술 분야에서 다양한 응용 가능성을 가지고 있기 때문이다. 또한, 미생물 다양성 연구는 생물다양성 보전과 지속 가능한 자원 이용을 위한 중요한 정보를 제공한다.
미생물의 역할[편집]
미생물은 지구상의 모든 생물체와 높은 상호작용을 가지며 다양한 생태계에서 중요한 역할을 수행한다. 이러한 역할은 환경에서의 생물학적, 생화학적, 그리고 생태학적 프로세스에 관련되어 있다. 주요한 미생물의 역할은 다음과 같다' 1. 분해: 미생물은 유기물을 분해하여 각종 생물학적 화합물로 변환한다. 이는 죽은 동물과 식물의 분해 과정부터, 오염물질의 분해 및 자연 환경의 정화에 이르기까지 다양한 환경에서 발생한다.
2. 주요 영양소 순환: 박테리아 및 곰팡이와 같은 미생물은 질소, 탄소, 황 등의 주요 화학 요소의 순환을 조절한다. 질소 순환은 대기와 토양, 수중에서 발생하며, 미생물이 질소 고정 및 건식 산화 등의 과정을 통해 이루어진다.
3. 분자 변환: 미생물은 화학적으로 복잡한 화합물을 단순하고 유용한 화합물로 변환하는데 중요한 역할을 한다. 이러한 변환은 바이오리파이너리 프로세스, 발효, 그리고 생물학적 수처리와 같은 공정에 사용더;ㄴ다.
4. 병원균 제어: 일부 미생물은 병원균의 성장과 번식을 억제하는 데 중요한 역할을 한다. 이러한 미생물은 생태학적으로 중요한 균형을 유지하고, 병원성 균주의 증식을 방지하여 생태계의 안정성을 유지한다.
5. 면역 체계 조절: 일부 미생물은 호스트 생물체의 면역 체계를 조절하고 조절하는 데 도움을 준다. 이는 자가 면역 질환 및 알레르기 반응을 조절하는 데 중요한 역할을 한다.
6. 생태계 안정성: 미생물은 생태계의 구조와 기능을 유지하는 데 중요한 역할을 한다. 이는 생태계 내의 다양한 종 간의 상호작용을 조절하고, 생물 다양성을 지원함으로써 식물 생육 및 종의 유지를 돕는다.
마이크로바이옴의 역할[편집]
그렇다면 인체에서 미생물은 어디에 있을까? 바로 입 안, 피부 표면, 질 내부, 위장관 속 등에 살고 있는데 그 수가 무려 약 38조 개(몸무게 70kg 성인 기준)로 우리 몸을 구성하는 세포 수 30조 개보다 더 많다. 그 중 전체 미생물의 95 %는 대장을 포함한 소화기관에 존재하고 있어 장내미생물에 더욱 더 많은 관심이 쏠리고 있다. 건강한 장내 마이크로바이옴은 소화를 원활히 하는 데 도움을 주며, 질병을 일으키는 박테리아가 장벽에 달라붙지 않게 방지 역할을 한다.
메니칼업저버의 한 기사에 따르면 2010년 미국 에모리대 Matam Vijay-Kumar 교수팀은 장내 세균이 대사에 영향을 끼치는 것을 밝혀냈다고 한다. 연구진은 비만 유전변이가 있고 폭식하는 쥐의 대변을 채취해 유전변이가 없는 쥐에 투입했고 그 결과, 대변을 이식받은 쥐는 비만 쥐와 같이 많이 먹고 살이 쪘다고 밝혔다.(Science. 2010 Apr 9; 328(5975): 228~231).
이외에도 심장 질환을 유발할 수 있는 콜레스테롤 수치를 낮추고, 혈당 조절, 뇌 신경 전달 물질 생성에도 도움을 준다. 이렇듯 마이크로 바이옴은 소화, 면역, 뇌 건강 등 다양한 측면에서 중요한 역할을 하고 있다. 기존 마이크로바이옴 시장은 건강기능식품에 국한되었다면 최근에는 제약, 식품, 화장품 업계가 마이크로바이옴을 활용하고 있다.
- ① 장내 마이크로바이옴 (Gut Microbiome)
장내 마이크로바이옴은 현재 가장 활발히 연구되고 있는 분야로, 수천 종의 박테리아가 장 속에서 우리의 소화, 영양소 흡수뿐만 아니라 면역 조절에 중요한 역할을 합니다. 이 미생물들은 우리가 소화할 수 없는 탄수화물이나 섬유질을 발효시켜 단쇄 지방산(SCFA)을 생성하며, 이를 통해 장내 염증을 줄이고 대사 활동을 촉진합니다.
* ② 피부 마이크로바이옴 (Skin Microbiome) 피부에 서식하는 미생물은 피부 장벽을 보호하고, 면역 반응과 감염 방어에 중요한 역할을 합니다. 피부 마이크로바이옴의 불균형은 여드름, 습진, 건선 같은 피부 질환을 일으킬 수 있습니다.
- ③ 구강 마이크로바이옴 (Oral Microbiome)
구강 내 미생물은 치아와 잇몸 건강을 유지하는 데 필수적입니다. 구강 내 박테리아의 불균형은 충치나 잇몸 질환을 유발할 수 있기 때문에, 구강 마이크로바이옴 관리가 매우 중요합니다.
장내 마이크로바이옴[편집]
마이크로바이옴은 인체의 항상성을 유지하는 다양한 역할을 수행한다는 연구 결과가 드러나며, 연구에 대한 중요성 또한 커지고 있다. 특히 장내 마이크로바이옴에 관한 연구가 가장 많이 이뤄지고 있다. 인간의 장 유형은 식습관에 따라 크게 3가지 장 유형으로 나뉜다.
- 박테로이스(Bacteroides) 타입 : 식이섬유를 많이 섭취하지 않고 고지방식을 하는 사람들에게서 주로 나타나는 타입으로, 탄수화물 소화효소를 잘 만들 수 있어 탄수화물 소화를 잘 시킬 수 있다. 비타민 B7을 생산하며 우울증을 예방한다.
- 프리보텔라(Prevotella) 타입 : 식이섬유를 많이 섭취하고 지방을 적게 먹는 사람, 주로 채식주의자에서 많이 나타난다. 비타민 B1을 생산하여 각기병을 예방하고, 뮤신을 생산하여 장내 점액을 분해한다.
- 루미노코크스(Ruminococcus) 타입 : 고지방식이를 하는 사람에게서 많이 나타나며, 이 타이 타입의 경우 당분 흡수가 잘 이루어져 비만이 되기 쉽다.
이처럼 장내마이크로바이옴은 인간이 분해할 수 없는 영양소의 분해를 도와 흡수할 수 있도록 도와주는 역할을 하고 있으며, 물질대사나 면역체계에도 관련된 것으로 보고되고 있다. 또 2016년 장내마이크로바이옴과 식이섬유와 관련이 있다는 연구보고가 발표되었는데 이 논문에서는 식이섬유와 장내미생물균총, 그리고 장내 점막 장벽 간의 기능적 상호 작용을 설명하고 장내마이크로바이옴이 장에서 병원체에 대한 일차 방어 역할을 한다고 보고했다. 식이섬유 적게 섭취하면 식이섬유를 먹이로 이용하는 미생물종들이 줄어들고, 이어서 식이섬유 분해물질을 이용하는 미생물종도 줄어들게 된다. 이 결과로 장내 점액을 분해하는 미생물종이 늘어나게 되며, 장내 점막장벽이 무너지게 되어 병원균들이 쉽게 침입할 수 있어 장 건강이 악화하게 된다.
이렇게 마이크로바이옴은 장을 비롯한 소화계뿐만 아니라, 인체 내 심혈관계, 면역계, 심지어 뇌질환까지도 연계되어 있다는 보고가 나오면서 장내마이크로바이옴과 인간의 건강과의 밀접한 관계에 대해 관심도가 높아지고 있다. 마이크로바이옴 기술을 통해 기존에 알려진 균주를 다양한 적응증과 관련해 연구할 수 있게 되고, 다양한 적응증과 관련해 미생물 군집 분석을 함으로써 기존의 배변활동에 대한 도움 등 장 관련한 효능 외에 고혈압, 면역과민피부, 비알콜성 지방간, 비만 및 제2형 당뇨병, 최근에는 우울증 및 치매까지 다양한 적응증과 관련한 임상연구들이 진행될 수 있기 때문이다. 이렇게 마이크로바이옴의 영역은 면역, 항암, 신경으로까지 확대되면서 그 기능과 효능은 건강 증진에서 질병 예방 및 개선으로까지 이루어질 것으로 기대되고 있다. 연구계 또한 마이크로바이옴이 신약 개발 및 난치병 치료법 연구에 폭 넓게 활용될 수 있다는 점에서, 그 가능성에 더욱 주목하고 있다.
마이크로바이옴의 의학적 활용[편집]
마이크로바이옴 연구는 질병 예방 및 치료에 많은 가능성을 제시하고 있다. 특히, 정밀 의학(Precision Medicine)에서는 마이크로바이옴을 활용하여 환자의 개인 맞춤형 치료를 제공할 수 있다. 사람마다 각기 다른 미생물 군집을 분석하여, 질병의 원인을 파악하고 치료 반응을 예측하는 데 도움을 준다.
- ① 프로바이오틱스와 프리바이오틱스
프로바이오틱스는 유익한 미생물을 제공하여 장내 환경을 개선하는 방식으로, 소화불량, 장염, 과민성 대장 증후군(IBS) 등의 치료에 쓰인다. 프리바이오틱스는 유익균의 성장을 촉진하는 영양소로, 장내 건강을 유지하는 데 중요한 역할을 한다. ;② 항생제 후 치료 항생제를 복용하면 장내 미생물 균형이 깨질 수 있다. 이러한 균형을 회복하기 위해 마이크로바이옴을 활용한 치료가 효과적이다. 항생제 내성 문제를 해결하기 위한 연구도 활발히 진행되고 있다.
- ③ 암 면역 치료와 마이크로바이옴
최근 연구에 따르면 마이크로바이옴은 면역 치료 반응성에도 영향을 미친다. 장내 미생물 균형이 좋을수록 면역항암제에 대한 반응이 높아질 수 있어, 면역 치료의 성공률을 높이는 중요한 요소로 주목받고 있다.
- ④ 정신 건강과 장-뇌 축 (Gut-Brain Axis)
마이크로바이옴이 장-뇌 축(Gut-Brain Axis)을 통해 뇌 기능에 영향을 미친다는 연구도 많아졌다. 우울증, 불안증 등의 정신 질환이 장내 미생물과 연관이 있을 수 있으며, 장내 미생물을 조절함으로써 정신 건강 문제를 완화할 가능성이 제시되고 있다.
참고자료[편집]
- 〈마이크로바이옴〉, 《한경 경제용어사전》
- BioIN, 〈인체에 서식하는 공생 미생물, 마이크로바이옴은 무엇일까?〉, 《네이버 블로그》, 2020-09-16
- 행, 〈[Microbiology 마이크로바이옴(microbiome)의 작은 세계: 미생물학 소개]〉, 《네이버 블로그》, 2024-05-13
- 바요, 〈제2의 유전체라 불리는 마이크로바이옴이란?〉, 《네이버 블로그》, 2021-11-04
- 메디리프, 〈생명과학 세특 주제 추천 - 마이크로 바이옴(microbiome)〉, 《네이버블로그》, 2024-09-29
같이 보기[편집]
