과학기술/기타

Nikkei Science_2017.2 특집(p34-43)

● 특집: 장내 세균
신(新)시대를 맞이한 장내상재균에 관한 연구
성과를 국민의 건강관리 및 질병예방을 위해
Yoshimi Benno (理化學硏究所)

인간의 장내상재균과 연령과 성별, 생활습관과의 관계가 해명되었다. 또한, 장내상재균의 장내ㆍ장내 대사물에 미치는 영향에 대하여 포괄적인 해석이 이루어져, 장내 상재균이 숙주의 건강에 미치는 영향이 밝혀지기 시작했다. 21세기는 장내상재균의 구조와 기능이 전면적으로 해명되어, 그것을 건강진단에 응용할 수 있는 시대가 될 것이다.

우리의 장에는 무게가 1.5킬로에 달하는 세균이 살고 있다. 이 장내상재균에는 인체에 유익한 것(선옥균; 善玉菌)과 유해한 것(악옥균; 惡玉菌) 외에, 장내의 환경에 따라, 어느 쪽이든 바뀔 수 있는 일화견균(日和見菌)도 있다. 선옥균과 악옥균은 항상 똑같은 역할을 하는 것이 아니라, 조건에 따라서 변한다. 또한, 사람의 장내상재균의 구성은, 연령이나 생활습관 등의 차이에 따라, 개인마다 상당한 차이가 있다. 장내상재균은 음식의 소화ㆍ흡수뿐만 아니라, 면역계 및 신경계의 활동과도 밀접한 관계가 있기 때문에, 이와 같은 개인 차이에 관한 유용한 정보를 얻을 수만 있다면, 건강을 유지하는데 중요한 단서가 될 수 있다.

최근, 사람의 장내상재균과 생활특성(연령, 성별, BMI(신체질량지수), 식생활, 운동습관 등)과의 관계가 해명되고 있다. 또한, 장내상재균의 장내ㆍ뇌내 대사물에 미치는 영향에 관하여 포괄적인 분석이 진행되어, 장내상재균이 숙주 안에서 활동하는 역할이 명확해지고 있다.

-- 장내상재균을 파악 --
장내상재균은 1,000종류 이상이라고 하며, 일설에 의하면, 1만7,000여종이라는 데이터도 있다. 1960년대부터 시작된 장내상재균의 총합적인 연구에 의해, 그 검색ㆍ분리ㆍ배양이 가능해졌으며, 장내 혐기성균의 분류 및 동정(同定)도 적극적으로 이루어지고 있다. 그 결과, 장내상재균의 대부분이 산소가 있는 환경에서 살 수 없는 편성(偏性) 혐기성균이라는 것이 밝혀져, 지금까지의 대장균 및 장구균이 가장 우세하다라는 오래된 식견을 완전히 갈아치웠다. 장내상재균의 해석에는 고도의 혐기 배양법 및 뛰어난 발육 지지력을 가진 배지를 채택하여, 장내용의 채취 직후부터 배양이 끝날 때까지 공기와의 접촉으로 인하여 사멸되지 않도록 조심하지 않으면 안됐다.

현재, 인간의 장내에 상주하는 배양 가능한 세균의 종류는 그 수가 약 400종에 가깝다고 한다. 건강한 일본인 성인을 대상으로 한 30건의 사례에서, 대변으로부터 분리ㆍ균종 동정(同定)된 장내상재균 중, 많은 균 수와 높은 빈도로 출현하는 균 종을 다음 페이지에 표로 정리하였다.

또한, 저(低)빈도지만, 고(高)균수로 검출되는 균종도 장 속에 상당히 많이 상재하고 있다. 이렇게 균종(菌腫) 단계에서 분석한 결과, 지금까지는 균군(菌群) 단계로 밖에 해명하지 못했던 장내상재균의 생태 메커니즘을 한 층 더 자세히 파악할 수 있게 되었다.

한편, 배양과정을 거치지 않는 방법이 발전함에 따라, 장내상재균의 다양성 해석은 비약적으로 진전했다. 그 중에서도, 리보솜(Ribosome) RNA(rRNA)는 생물에게 보편적으로 존재하는 보존성이 높은 핵산분자이며, 세균의 진화계통 연구에 가장 유효한 분자 메이커로써, 빈번하게 사용되고 있다.

1990년대 이후, 16S rRNA 유전자의 염기성배열을 기반으로 한, 균종 단계에서의 계통분류법이 확립되어, 여러 가지 종류의 세포유전자 배열 데이터가 축적되어, 누구나 쉽게 미생물 연구에 이용할 수 있게 되었다. 이 데이터를 기반으로, 16SrRNA 유전자의 특정배열을 표적으로 한, 균종의 특이적 프라이머를 사용한 PCR (중합효소 연쇄 반응)법이 확립되어, 다양한 종류의 세균종이 혼재하는 시료에서 특정의 균종을 검출ㆍ동정할 수 있게 되었다.

[ Key concepts ]
예방의료의 선두주자로
▶ 인간의 장내상재균의 메커니즘은 지극히 개인차가 크다고 할 수 있다. 장내상재균은 소화관의 구조 및 기능에 영향을 주며, 영양과 생리기능, 약효, 노화, 발암, 면역, 감염 둥에 크게 영향을 끼친다.
▶ 비만이나 뇌내 물질과의 관계도 주목을 받게 되어, 비만의 메커니즘의 해명, 기능성 식품의 개발, 뇌의 발달과 학습, 기억, 행동 등, 다방면에서의 연구가 이루어지고 있다.
▶ 향후에는 장내상재균의 해석결과를 기준으로, 상세한 데이터베이스를 만들어, 개인의 생활습관 및 몸 상태에 맞춘 건강유지 및 질병예방의 플랜을 세울 수 있을 것으로 내다보고 있다.

-- 보이기 시작한 생활특성과의 관계 --
장내상재균의 해석을 위해, 많은 샘플을 분석하기 위해서는 기존의 배양법 만으로는 어렵다. 따라서, 이번 연구에서는 배양과정을 거치지 않는 분자생물학적 방법의 하나인,「T-RFLP법」(Terminal restriction fragment length polymorphism)을 사용한 장내상재균의 다양성 해석을 실행하였다.

이 방법은, 대변에서 장내상재균의 16S rRNA유전자를 채취하여, 5’ 말단에 형광색소를 칠해, PCR에 의한 유전자를 증폭시켜, 특정의 제한효소로 특위부위(유전자 배열)을 절단하여, DNA 배열해독장치(sequencer)로 해석한다. 무엇보다, 각자의 장내상재균의 유사성을 관찰함으로써, 그룹으로 나눌 수 있게 되었다. 이 새로운 방법은 24시간만에 다수 샘플의 장내상재균을 분석하는 것을 가능케 했으며, 저가격으로 해석할 수 있는 이점을 가지고 있다.

이 방법에 의한 해석으로, 고령자와 건강한 성인의 장내상재균의 구성 패턴의 차이 및, 연령과 성별, 주거지역과 식생활, 운동습관, 건강상태와의 관계가 명확해졌다. 2011년부터 2013년까지의 시행으로, 현대일본인 3,220인의 장내상재균의 구성과 143항목에 달하는 속성(연령, 성별 등) 및 식생할, 생활습관 등을 앙케이트로 조사하여, 장내상재균과 식생활ㆍ식습관과의 관계를 검색한 결과, 인간의 장내상재균의 패턴을, 식생할 및 생활습관 등에 대응시킬 수 있었다.

또한, 필자의 연구팀은 장내상재균의 구성 패턴과 심리적ㆍ정신적 상태에 관한 40항목의 앙케이트 조사를 통해, 장내상재균의 구성군을 8개의 그룹으로 분류했다. 예를 들어,「1개월간, 신체적으로 좋지 않은 60세 이상의 여성집단」「심리적ㆍ정신적으로 상태가 나쁜 59세 이하의 여성집단」 「심리적ㆍ정신적으로 영향이 없다고 인정받는 집단」등으로 구분하여, 그것에 따라, 주요 장내상재균의 구성 패턴을 분류하였다.

향후, 몇 만명에 이르는 사람들의 장내상재균을 한층 더 분석하여, 다양한 패턴으로 나눌 수 있다면, 건강한 장내상재균의 패턴과. 질병에 취약한 장내상재균 패턴을 알 수 있게 되리라고 생각한다.

급속한 고령사회 및 포식에 의한 생활습관병 환자집단의 확산에 따라, 국민의료비는 이미 42조엔을 넘어섰으며, 국가재정상 중요한 과제가 되고 있다. 여기서, 국민생활의 QOL(생활의 질)을 크게 해치지 않는 예방의학적 방법의 개발이 절실하지만, 아직까지 구체적인 돌파구는 보이지 않고 있다. 그래서 장내상재균 해석의 성적과 생활특성과의 관련성을 해명하여, 완성된 장내상재균-생활특성 데이터 베이스를 구사해 나간다면, 생활습관의 예측 및 이환(罹患)예측과 현재 상태를 비교할 수 있을 것으로 확신한다. 다시 말해, 개인마다 장내상재균의 패턴을 아는 것이, 건강유지ㆍ증진 및 질환 위험의 경감으로 이어져, 결국에는 건강 QOL의 향상과 직결된다. 이런 시도는 건강예방효과를 촉진시켜, 계속해서 늘어나는 국민의료비의 대폭적인 절감에 기여할 것으로 보인다.

-- 고령화에 의한 변화 --
에이징(Aging)은「나이가 듦에 따른 생리학적 퇴보」로 정의되고 있다. 생체방어기능의 저하라고 이해해도 좋을 듯 하다. 에이징에 의한 장관운동(腸管運動)의 저하는 배변이나 변비에도 영향을 끼쳐, 식사성분의 장내체류시간의 장기화로 이어진다.

이탈리아의 볼로냐(Bologna) 대학의 비아지(Elena Biagi) 팀의 2010년 보고에 따르면, 건강한 성인, 70세노인, 백세 이상 사람의 장내상재균의 다양성에 대하여, 배양을 거치지 않는 방법으로 해석한 결과, 건강성인 및 70세 노인의 장내상재균의 구성의   다양성은 백세이상 사람의 것과 다르며, 그것에는 이유가 있다는 것을 알게 되었다.

백세 이상 사람의 장 속에는 페르미쿠테스(Firmicutes)의 구성이 변화하는 특징이 있으며, 장점막의 염증상태의 악화와 관계가 있다고 한다. 특히, 페칼리박테리움 프라우스니치이균(Faecalibacterium prausnitzii) 및 그 관련 균 종의 뚜렷한 감소를 동반한 장내상재균의 변동이 지목되고 있다. 특히, 유박테리움 리모잠(Eubacterium limosum)과 그 관련 균 종이 건강성인 및 70세 노인에 비해, 100세 이상의 사람 장 속에 10배 정도 증가되고 있었다. 건강한 정상인이라면, 장내상재균의 메커니즘에 의한 항상성(恒常性)이 유지되어, 생체방어기능이 가동된다.

--“장수균”을 찾아라 --
필자는「수명, 성별과 장내상재균에 관한 연구」를 1980년대부터 계속해 왔다. 현재, 일본의 평균수명은 세계1위로 86.83세이며, 남성은 3위로 80.5세이다. 둘 다 과거 최고를 갱신했다라는 것을 후생노동성의 조사 결과로 알 수 있다. 여성은 3년 연속 세계1위. 남성은 작년의 4위에서 3위로 올라갔으며, 세계적인 장수국가임을 다시 한번 확인할 수 있었다.

왜 일본인의 평균수명은 높을까? 또한, 왜 남성보다 여성의 평균수명이 높은 것일까? 장내상재균에 그 해답이 숨어있다고 한다. 실은, 수컷보다 암컷의 수명이 긴 것은 동물에게 일반적으로 적용된다. (특히, 무균동물과 일반동물의 평균수명을 비교해보면, 무균동물은 일반동물의 약 1.5배 오래 사는 것으로 되어있다). 이렇듯, 성별이 장내상재균의 구성에 영향을 끼치고 있다고 볼 수 있다. 그렇다면 인간의 경우, 3,220명의 장내상재균 해석과 개인속성(성별, 연령, BMI등)ㆍ생활특성과의 상관성을 조사한 연구를 앞에서 설명했던 바와 같이, 장내상재균이 명확하게 성별에 의존하고 있다는 것이 판명되었다. 지금까지 확실하지 않았던 성별의 차이가 장내상재균의 구성에 커다란 영향을 주고 있었다. 또한, 연령과 장내상재균 구성간에 밀접한 관계가 있다는 것도 판명됐다.

한편, 장수하는 사람이 많은 지역에서의 고령자 장내상재균을 판독한 결과, 지금까지 건강증진에 중요시되어 온,「비피더스 균」(비피드박테리아 소속) 이외에, 페칼리박테리움 프라우스니치이균을 대표하는 부티르산(酪酸) 생산균이 고(高)균수ㆍ고밀도로 분리되는 것으로 판명됐다. 부티르산의 기능에는 암세포를 억제, 장점막을 정상화, 정장(整腸)작용 등이 있다.  

1974년, 미국 버지니아 공학대학의 혐기성균 연구소 소속이었던 홀드먼(L.V.Holdman)과 무어(L. E. C. Moore)는 하와이 주재의 일본계 1세대를 대장암 리스크가 낮은 사람들로 설정하여, 그들의 대변을 이용하여 장내상재균을 배양법에 의해 해석했다. 그 결과, 구성 균종 중, 1위로 박테로이데스 불가투스(Bacteroides vulgatus), 그리고 2위로 Fb. 프라우니치이균이 검출된 것을 보고하여, 부티르산을 생산하는 우월한 장내상재균으로써 새로운 소속의 코프로코쿠스(Coprococcus)를 제창했던 것이다. 필자는 페칼리박테리움(Faecalibacterium)을 “대변간(桿)균”, 코프로코쿠스는 “대변구(球)균”으로 호칭을 붙였다.

초산을 생성하여 장내를 항상 산성화로 만드는 유용균(有用菌)으로써의 비피더스균과 부르티산 생성균인 대변간균과 대변구균의 그룹을 “장수균”으로 정의하였다. 이 “장수균“이야 말로, 건강장수를 유지하기 위해서 필요 불가결한 장내상재균 임에 틀림없다.

-- 비만에 특징적인 균 --
장내상주균의 다양성 분석의 발전은, 숙주에게 존재하는 장내상재균의 역할, 특히 생체방어기능의 해명에 커다란 공헌을 하고 있다. 장내상재균이 얼마나 생체방어기능을 컨트롤 하고 있는지, 현대적 과제인 비만을 장내상재균이라는 시점에서 분석하려고 한다.

비만은 지방조직에 있어서 과다한 지방의 축적으로 정의되어, 만성 염증질환이나 고혈압, 지질이상증, 당뇨병의 위험요인이 되고 있다. BMI에 따라 비만의 분류가 이루어지며, 세계보건기구(WHO)에 의한 국제기준은 BMI 25이상의 과체중, 30이상의 비만으로 정해져 있다. 그러나 아시아인의 역학조사에 따르면, 인종에 따라서 질환의 위험이 높아지는 BMI의 컷오프 수치가 달랐던 것을 고려했을 때, 아시아 국가에서는 필요에 따라서 국제기준과 다른 기준을 사용해도 된다고 되어 있다.

게다가, 생체의 비만이라는 변화는 장내상재균의 구성에도 영향을 주는 하나의 생체방어이다. 2006년, 미국의 턴버그(P. J. Turnbaugh) 팀은,「비만형」과「마른형」에 특징적인 인간의 장내상재균 밸런스가 존재한다는 것과, 유전적 비만 생쥐의 똥을 무균 생쥐에게 섭취하게 했더니, 그 생쥐의 총 지방량이 증가되는 것을 밝히고 있다. 다시 말해, 무균 생쥐에게 비만 생쥐와 마른 생쥐의 똥을 각각 먹였더니, 전자는 체지방이 47% 증가한 것에 비해, 후자는 27% 증가에 멈춰버려, 비만을 촉진시키는 장내상재균의 존재를 시사하게 되었다.

그들은 장내상재균을 크게 2가지 그룹인,「박테로이데테스류(類)와 파미큐테스류로 나누어, 유전적 비만증 생쥐에게는 파미큐테스류가 많으며, 박테로이데테스류가 적은 경향이 있으며, 인간도 비만형일수록 박테로이데테스류가 적다는 것이 인정되었다. 이 연구의 결론으로,「마른형」과「비만형」에는 각각의 특징적인 장내상재균이 존재한다고 서술하고 있다.

최근에는 비만과 마른 쌍둥이의 인간 장내상재균을 무균생쥐에게 이식함으로써, 같은 표현형이 유도되는 것이 밝혀졌으며, 특히 박테로이데스 소속(Bacteroides)의 몇 가지 균종이 비만진행을 막는데 커다란 공헌을 한고 있을 가능성을 시사했다. 그러나 그것들의 경향이 일치하지 않다는 보고도 있어, 금후 중요한 연구 과제가 될 것이다.

비만의 원인은 과식과 운동부족이라고 전해지고 있지만, 위에서의 결론에서 볼 때, 본래 있어야 할 항상성이 무너져버린 요인이 장내상재균의 변동과도 관계가 있다고 말 할 수 있다. 이것은 비만을 방지할 수 있는 가능성을 열어 주고 있다.

-- 장내 대사물질이 건강에 관여

-- 연결되는 장과 뇌 --
장과 뇌의 쌍방향의 시그널은 생체의 항상성 유지에 중요하며, 신경, 호르몬, 면역레벨에 있어서고 제어되고 있다. 이 시스템의 교란은 스트레스반응 및 행동에 따른 변화에도 직결되고 있다. 또한, 죄의 발달과 행동에도 장내상재균이 관여하고 있다는 사실이 보고되고 있다.

2013년, 우리는 장내 대사물 해석과 같은 방법으로 CF 및 SPE의 양쪽 군(群)의 생쥐로부터 뇌 내용물을 회수하여, 뇌 안의 대사물을 포괄적으로 측정하였다.

장내상재균이 뇌 안의 대사물의 생성촉진ㆍ감퇴에 관여하고 있다는 것을 알게 되었다. GF생쥐가 많았던 성분에는, 대뇌피질의 에너지 대사에 관계되는 물질을 포함하고 있으며, GF생쥐 쪽이 CV생쥐보다 대뇌 에너지의 소비가 확실하게 크다고 판단된다.

이 경과만으로는, 뇌의 활성화 및 뇌의 질병과 관련된 신경전달물질 및 장내상재균의 자세한 관계에 대해서는 아직 알지 못하지만, 뇌의 건강과 질병, 발달과 쇠퇴, 학습과 기억, 행동 등의 연구를 진행하는 것에 있어서, 커다란 의의가 있다고 말할 수 있다. 장내 대사물질과 마찬가지로, 노트비오트(gnotobiote) 동물을 구사하여, 다양한 죄 안의 대사물질이 끼치는 균종ㆍ균주 레벨에서의 해명이 요망된다.     

-- 배양을 거치지 않는 해석의 성과

-- 배양법 활용으로 새로운 해석기능도

● 이것이 알고 싶다! -- 장내상재균 Q & A --

대변은 음식물 찌꺼기인가?
→ 보통, 대변에는 80%의 수분이 포함되어 있다. 수분을 제거한 고형성분 중, 음식물 찌꺼기가 3분의1. 필요 없어진 장벽이 떨어져 내린 것이 20%, 나머지는 장내세균이다. 대변 1그램당 600~1,000조(兆)개의 장내세균이 포함되어 있다.

요구르트를 먹으면 체내에 선옥균(善玉菌)이 증가하는가?
→ 입을 통해 들어 간 선옥균은 수 일만에 변으로 배출되어 버리며,「저장균」은 아니다. 그러나, 장내 환경을 호전시켜, 원래 장에 있는 비피더스균 등을 활성화 시키는 효과가 있다.

쾌변의 포인트는?
→ 대변은 「만드는 힘」 「키우는 힘」 「내보내는 힘」의 3가지가 중요하다. 「만드는 힘」은 식사 밸런스가 포인트. 육류를 먹으면 야채는 그 3배가 기본이다. 「키우는 힘」에는 장내의 선옥균을 늘릴 필요가 있다. 비피더스균의 영양이 되는 올리고당 이나 부티르산 생성균이 좋아하는 식물섬유를 섭취하는 것이 효과적이다. 「내보내는 힘」은 운동에 의한 근육 만들기로, 하루 9,000보를 목표로, 신체를 돌리거나, 다리 벌리기, 옆으로 누워 다리 올리기 등, 장 주위의 근육을 키우는 운동을 실행한다. 배변 후에는 바로 물을 내리지 말고, 잘 관찰하는 습관을 가진다.

장내세균총과 장내 플로라는 같은 것인가?
→ 둘 다 장내상재균의 집단을 가리키는 명칭이다.

최근 CF 등에서 나오는 프로바이오틱스는 무엇인가?
→ 「장내상재균의 밸런스를 바꾸는 것으로, 숙주의 건강효과를 주는 살아있는 미생물」을 가리키는 용어로써, 1986년에 영국의 미생물 연구자 풀러(R. Fuller)가 정의하여, 그 후,「숙주에 건강효과를 나타내는 살아 있는 미생물, 또는 그것들을 포함한 식품」의 의미로 사용되었다. 효과는 잘 알려진 바와 같이 정장(整腸)작용 외에, 발암 위험 저감, 알레르기를 저감, 면역기능 조절, 혈압 조절 등의 다양한 작용이 주목 받고 있다.

 -- 끝 --