May 21,2018

세계 표본 집약 ‘장 프로젝트’

'장내미생물 GPS' 1만5천여 명 정보 활용

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전문가와 아마추어가 참여하는 글로벌 시민 과학활동의 하나인 대규모 ‘미국 장 프로젝트’(American Gut Project)의 첫 번째 주요 결과가 발표됐다.

미국 캘리포니아 샌디에이고(UC Sandiego)의대 연구진은 미국 미생물학회 기관지인 ‘엠시스템스’(mSystems) 15일자에 향후의 미생물 연구에 도움을 줄 수 있는 인체 장내 미생물군에 대한 최대 규모의 참고용 데이터베이스를 공개했다.

‘미국 장 프로젝트’는 우리 몸에 서식하는 고유한 미생물 군집인 장내 미생물군에 대해 지금까지 수행된 연구 가운데 가장 큰 규모다.

이 대학의 ‘미국 장 프로젝트’ 과학 감독인 대니얼 맥도널드(Daniel McDonald) 박사는 “우리는 이전의 소규모 연구에서 발견된 것보다 훨씬 더 많은 인구집단에서 미생물 다양성을 관찰했으며, 이는 인체 미생물군의 경계를 정의하는데 중요하다”고 말했다.

세계 최대의 크라우드소싱(crowdsourced) 시민 과학 프로젝트인 ‘미국 장 프로젝트’.  CREDIT: UC San Diego Health

세계 최대의 크라우드소싱(crowdsourced) 시민 과학 프로젝트인 ‘미국 장 프로젝트’. CREDIT: UC San Diego Health

‘미국 장 프로젝트’는 2012년 11월 로브 나이트(Rob Knight), 제프 리치(Jeff Leach), 잭 길버트(Jack Gilbert) 박사가 공동으로 제안해 결성됐다. 프로젝트의 목표는 인체 미생물들이 어디에 얼마나 서식하고 있고, 인간의 식사와 생활습관, 질병에 어떤 영향을 미치는지를 더 잘 이해하자는 것이다. 이를 위해 시민 과학자들은 99달러를 기부하고 받은 키트에 대변과 구강 및 피부 조직을 수집한 뒤 이 키트를 연구본부로 송부했다.

각 참가자들은 표본 수집과 함께 일반 건강상태, 병력, 생활습관 및 식이에 관한 자발적인 조사에 응했다. 참가자들은 또 자신의 라이프 스타일에 기반한 지식과 이해를 공유하는 ‘장 본능’(Gut Instinct)이라는 온라인 포럼에도 참여할 수 있다. 표본이 처리된 다음에는 참가자들의 장이나 다른 신체 부위에 서식하는 미생물들에 대한 자세한 보고서를 받게 된다.

2017년 중반 현재 이 프로젝트 데이터에는 1차적으로 미국과 영국, 호주를 비롯한 42개 국가 및 지역 거주자 1만1336명이 제공한 1만5096개 표본에서 확보한 미생물 서열이 포함돼 있다. 프로젝트 본부와 제휴사인 브리티쉬 거트(British Gut)는 대중공모 사이트인 펀드레이저(FundRazr)와 인디에고고(Indiegogo)를 통해 250만 달러의 개별 기부를 받았다.

UC샌디에고 의대 및 공대 교수이자 이 대학 장내 미생물 혁신센터장인 나이트 교수는 “연구실에서 일하든 박사 학위를 가지고 있든, 연구에 참여하기를 원하는 1만명 이상의 사람들이 자신들의 정보를 우리 연구실로 보내 장내 미생물군에 어떤 차이가 있는가를 발견할 수 있다는 것은 실로 놀라운 일”이라고 밝혔다.참가자들의 표본에 서식하고 있는 박테리아의 정체성을 알아내기 위해 연구팀은 박테리아와 오랜 옛날부터 살았던 고세균에 고유한 유전자 마크를 분석했다. 16S rRNA라고 불리는 분자는 이런 미생물에 대해 일종의 바코드 역할을 한다. 연구팀은 또 수 천개의 표본에 대해 대사체학 방법을 사용해 무생물 분자와 화학물질을 식별해 내고, 메타유전자학 방법으로 모든 유전자를 판독했다.

인체 결장 안에서 인돌과 인돌 유도체에 대한 트립토판의 대사를 보여주는 그림.  Credit: Wikimedia Commons / User:Slashme, Zhang LS, Davies SS

인체 결장 안에서 인돌과 인돌 유도체에 대한 트립토판의 대사를 보여주는 그림. Credit: Wikimedia Commons / User:Slashme, Zhang LS, Davies SS

나타난 경향성

미국 장 프로젝트에서 수집한 모든 데이터는 참가자의 식별 정보 없이 공개적으로 이용할 수 있다. 이 개방형 접근방식을 통해 전세계의 연구자들은 식이요법, 운동, 생활습관, 미생물 배열과 건강 사이의 의미있는 연관성에 대한 데이터를 조사할 수 있다. 지금까지 나타난 몇 가지 관찰 결과를 보면 다음과 같다.

-   식이 : 섭취하는 식물 유형의 수가 그 사람의 장내 미생물군 다양성에 영향을 미친다. 섭취하는 식물 유형의 수에 따라 서식하는 장내 박테리아의 종류 수가 다르다. 채식주의자 여부에 상관 없이 주당 30가지 이상의 식물 유형을 먹은 참가자(41명)는 일주일에 10가지 이하 유형의 식물을 먹는 사람들(44명)보다 장내 미생물군이 더 다양했다. 이 두 집단의 장 표본에서는 존재하는 분자 유형도 달랐다.

-   항생제 : 지난 달에 항생제를 복용했다고 보고한 참가자(139명)의 장내 미생물군은 예측한 대로 지난 해 항생제를 복용하지 않았다고 보고한 참가자(117명)보다 다양성이 떨어졌다. 그러나 역설적으로 최근 항생제를 복용한 사럼들은 지난 해 항생제를 복용하지 않은 사람들보다 장 표본에 포함된 화학물질 종류가 훨씬 다양했다.

일주일에 30 종류 이상의 채식을 한 참가자는 10종류 이하의 채식을 한 사람보다 장내 미생물에 항생제 내성 유전자가 적었다. 즉, 채식 애호가의 장에 사는 박레리아는 항생제를 피하는데 도움이 되는 분자펌프를 부호화하는 유전자가 더 적었다. 이번 연구에서는 왜 그렇게 되는지에 대해 언급하지 않았으나 연구자들은 채식을 적게 하는 사람들은 항생제로 처리한 가축의 고기나, 항생제를 보존제로 처리한 가공식품을 많이 먹을 수 있고 이것이 항생제 내성 박테리아의 생존을 돕기 때문일 것으로 생각하고 있다.

 -  정신건강 : 연구원들은 우울증과 정신분열증, 외상후 스트레스장애(PTSD) 또는 양극성 장애와 같은 정신질환을 앓고 있다고 보고한 125명의 장내 미생물군을 조사했다. 조사를 위해 이 참가자들을 정신질환을 갖고 있지 않으면서 국가나 연령, 성별 및 체질량지수 등의 주요 요인이 같은 사람들과 대조해 봤다. 그 결과 정신질환이 있는 사람들은 다른 건강한 사람들보다 장내 미생물군 구성에 더 많은 공통점이 있는 것으로 나타났다. 이 관찰은 미국과 영국의 남성과 여성 및 연령 그룹에서 모두 똑 같은 것으로 확인됐다. 아울러 우울증 환자에게는 특정 박테리아아 유형이 더 흔할 가능성이 있다는 징후를 발견했다.

인체의 장에 서식하는 박테리아 중 하나인 E.coli. Credit: Rocky Mountain Laboratories, NIAID, NIH

인체의 장에 서식하는 박테리아 중 하나인 E.coli. Credit: Rocky Mountain Laboratories, NIAID, NIH

대장암 수술 전후, 엄청난 변화

미국 장 프로젝트 참가자 중 한 명인 래리 스마(Larry Smarr) 박사는 대장암 수술을 받기 직전과 직후 여러 차례에 걸쳐 장내 미생물군 표본을 제출했다.

맥도널드 박사는 “우리는 그의 수술 전후 미생물 구성상태를 관찰하고 깜짝 놀랐다”고 말했다. 그는 “프로젝트 참가자들의 미생물 다양성 범위를 크게 초과했고, 수술 후 스마 박사의 표본은 중환자실 환자의 표본과 가장 유사했다”며, “사실상 그의 표본을 지도 올려놓았을 때 수술 직전과 직후의 거리는 해양 퇴적물과 육상 식물이 서식하는 토양 사이 만큼이나 차이가 났다”고 설명했다.

맥도널드 교수는 극단적인 식이를 하는 경우에도 그같이 극적인 상태 변화는 관찰되지 않았다고 말했다.

장내 미생물군 다양성 높이기 주의 필요

미국 장 프로젝트는 진단 회사용이 아니라 학술연구 조사다. 참가자들은 어떤 목적을 위해  미생물을 ‘테스트’하지 않았으며, 참가자들의 신체 서식하는 미생물을 근거로 해서 참가자들의 라이프 스타일을 어떻게 바꾸라는 조언을 제공하지 않는다. 궁극적인 목표는 정보를 제공해 장내 미생물 연구가 인간의 건강을 향상시키는데 적용될 수 있도록 이끄는 것이다. 이전의 연구들을 보면 인체 미생물군이 매우 역동적이며 수많은 요소가 이 미생물군에 영향을 미치는 것으로 나타났다.

때로는 같은 요인이 서로 다른 사람에게 정반대의 영향을 미치기도 하므로 장내 미생물군을 돕기 위해 어떻게 하라는 충고는 조심스럽게 다뤄야 한다. 나이트 교수는, 예를 들면 염증성 장질환(IBD)이 있는 사람은 일반적으로 건강에 좋은 것으로 알려진 식이섬유조차 해로울 수 있다고 조언했다.

인체 장내 미생물군 종류. Credit: Wikimedia Commons

인체 장내 미생물군 종류. Credit: Wikimedia Commons

지금까지 미국 장 프로젝트에서 나온 대부분의 연구 결과는 단순히 관찰이나 연관성을 살펴본 것이며, 많은 경우 연구자들은 아직 인체 건강에 미치는 궁극적인 결과를 추정할 수 없다. 예를 들면, 채식을 많이 하는 사람들은 그렇지 않은 사람들보다 더 많은 장내 미생물군을 가지고 있는 것으로 관찰됐으나, (그렇지 않은 사람들이) 현재 수준에서 미생물 다양성을 증진시키는 것이 건강에 직접 좋은 영향을 미치는지는 아직 알 수 없다.

여러 연구과 비교 조사 예정

나이트 교수는 “인체 미생물은 복잡하지만 우리가 얻은 표본이 많을수록 미생물군이 갖는 여러 가지 건강과 질병 상태와의 연관성을 빨리 발견하는데 도움을 준다”고 말했다. 미국 장 프로젝트는 매일매일 세계 여러 곳에서 표본이 도착하면서 역동적인 분석과 연구가 계속되고 있다고 한다. 나이트 교수는 “이 논문에 제시된 분석은 단순하게 훑어보는 정도이나 궁극적으로는 장내 미생물군 지도를 넘어 미생물군 GPS를 제작함으로써 내가 현재 지도상에 어느 위치에 있다는 것뿐 아니라 식이와 라이프 스타일 및 치료 측면에서 어디로 가고 무엇을 해야 할 지를 알려주게 될 것”이라고 전망했다.

맥도널드 교수에 따르면 미국 장 프로젝트와 같은 생동하는 데이터 세트는 여행 증가와 수명 연장, 같은 식단과 항생제를 포함한 같은 치료법 적용으로 증대되는 세계 균질화를 느리지만 꾸준하게 분석 보고하는데 도움을 줄 수 있다. 연구팀은 앞으로 대변 이식 연구와 유아 미생물 시계열을 포함한 다른 연구들에서 수집한 분변 표본을 미국 장 프로젝트 참여자들의 것과 비교해 볼 예정이다.

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