하버드대 과학자들, 장내 박테리아와 면역시스템과 대화를 엿듣다

▲ 박테리아 그림(재고 이미지). 하버드의대 과학자들이 전 세계 최초로 장의 박테리아와 면역시스템과의 대화를 엿듣다. Credit: fotoliaxrender / Fotolia

미국 하버드의대(HMS)의 미생물학 및 면역생물학과(Department of Microbiology and Immunobiology)의 과학자들이 장의 박테리아와 면역시스템과의 대화(crosstalk)를 모니터링했다. 즉 엿듣는 것을 세계 최초로 성공해, <면역조절의 박테리아를 위해 인간 장에 서식하는 미생물상을 마이닝 하기(Mining the Human Gut Microbiota for Immunomodulatory Organisms)>라는 논문을 발표했다(Geva-Zatorsky et al., Cell, 16 Feb 2017). Science Daily - Scientists monitor crosstalk between intestinal microbes and immune system(16 Feb 2017)

이번 연구는 박테리아가 미치는 영향에 대한 최초의 범 시스템적(system-wide)인 분석으로, 박테리아가 면역시스템의 광범위한 영역과 장에서의 모든 유전자의 발현에 영향을 미치고 있다는 것이다.

하이라이트(Highlights)

인간 장 미생물상은 면역을 조절하는 박테리아들의 보고 수집으로 구성됨(Human gut microbiota comprises a treasure trove of immunomodulatory bacteria) 다양하고 풍부한 면역과 유전자의 전사 반응이 박테리아 종으로 이루어진 모노군체를 따름(Diverse and redundant immune and transcriptional responses follow monocolonization) 면역학적이고 전사의 변화는 미생물의 계통과는 무관(Immunologic and transcriptional changes are not related to microbial phylogeny) 모노군체를 따름은 하나의 종 내의 균주(변종)에 따라 면역 재조정이 다양하게 일어남을 의미(Following monocolonization, immune recalibration varies to strains within a species) 연구개요 우리의 장(Gut, 내장)에는 1,000조개가 넘는 미생물들(microorganisms), 즉 박테리아가 우글거리고 있다. 따라서 박테리아가 공존 공생하고 있는 것인데, 이를 에코시스템(ecosystem)이라고 한다. 더욱 놀라운 것은 우리 장에는 250종~500종의 종들이 살고 있다. 이 미생물들의 배열, 즉 집합적인 의미로 마이크로바이옴(microbiome, microbiota, 미생물군집)이라 하는데, 질병과 건강의 가장 강력한 조절자들이고, 장내 염증과 다양한 경화증(sclerosis)을 결정짓는 결정자들이라는 것이 최근에 과학적으로 밝혀지고 있다. 인간을 공격하면 세균이라 부르고 인간과 공존 공생하면 그냥 박테리아라고 부른다.

장에 서식하는 미생물들은 면역시스템과 매우 복잡하지만 안무적인 대화(an intricately choreographed conversation)를 한다. 하지만 미생물들을 자극하면 항만에 상륙한 공격자처럼 질병을 야기 시키는 세균이 되고, 반면 고삐를 잡아당기면 우리 몸의 건강을 유지시켜주는 공존자의 박테리아가 된다.

지금까지, 과학자들은 박테리아와 개별 면역 세포들 혹은 한줌의 유전자들과 대화하는 일련의 비트(bits and pieces)를 들을 수 있었다. 그러나 지금 세계 최초로, 하버드의대 과학자들이 개별 박테리아들과 전체 면역 세포들과 장에서 발현되는 유전자들과 대화하는 것을 엿듣게 되었다(Now, for the first time, scientists from Harvard Medical School have managed to "listen in" on the crosstalk between individual microbes and the entire cast of immune cells and genes expressed in the gut).

이들은 실험을 통해 질병과 건강에 영향을 끼치는 중요한 미생물들을 분류라고 찾아내는 청사진(blueprint)을 제공함으로써 과학자들로 하여금 정밀-표적 치료(precision-targeted treatments)를 개발할 수 있도록 했다.

하버드의대 팀은 특정 시간에 하나의 미생물(one microbe)이 거의 전체 면역 세포들과 장내의 유전자들에 끼치는 영향을 연구했는데, 이 방법은 개별 미생물들과 우리 몸 사이의 보다 정확한 상호작용(interplay)을 이해하는데 도움을 주고 있다. 더 나아가 연구팀이 사용한 방법은 분자 단위 혹은 균주(strains)까지 검색함으로써 특정 면역 반응에 대응하는 잘 정제된 치료법을 찾을 수 있을 것으로 기대하고 있다.

하버드의대 수석 연구원인 카스퍼(Dennis Kasper) 교수는 “우리는 선택적으로 또한 정확하게 면역시스템을 조절할 수 있는 맞춤식 약을 개발하고자 박테리아와 면역 시스템 사이의 상호작용(interactions)을 매핑했다”라고 말했다. 이러한 맞춤식 약은 몇 년 걸리겠지만 카스퍼 교수에 의하면 새로운 약의 발견 단계에 와 있다고 한다. 부작용(side effects)은 최소화시키되 최적의 약을 개발하겠다는 것이다.

하버드의대 미생물학 및 면역 생물학 교수인 매티스(Diane Mathis)는 “이번 연구결과의 핵심은 서로 다른 과들의 협업과 융합에 있다. 다른 개체의 꽃가루를 받아서 수정이 이루어지는 꽃가루받이의 작용인 타가수분(crosspollination)의 좋은 예다. 전문가들과 지식을 한데 모은 것으로, 미생물학과, 면역학과, 유전학과가 협업을 했다”라고 말했다.

연구팀은 인간 장에서 서식하는 53개의 박테리아 종들(53 common bacterial species)을 찾아냈고, 그 다음 한 번에 하나의 미생물씩(one microbe at a time) 균이 없는 쥐의 장(sterile mouse guts)에 이식했다. 2주일 후에, 연구팀은 인간 장의 53개의 박테리아 종들과 균이 완전히 제거된(microbe-free) 쥐에 이식한 종들의 면역과 게놈 분석을 비교 분석했다. 그랬더니 각각 미생물의 영향이 21개의 면역세포들에 끼쳤고, 소장 면역을 조절하는 전체 유전자의 활동에도 영향을 미쳤다.

스펙트럼 영향(Spectrum effect) 각각의 면역 세포들은 어느 정도 범위 내에서 박테리아의 영향을 받았는데, 몇몇 박테리아들은 강력한 영향을 발휘한 반면, 다른 박테리아들은 미묘한 영향을 미쳤고, 영향을 끼치지 않은 박테리아들은 거의 없었다. 몇몇 박테리아들은 특정 세포들의 활동을 부추겼고, 반면 다른 박테리아들은 같은 종류의 세포들의 활동을 둔화시켰다.

이와 같은 서로 다른 반대방향의 영향은, 연구자들은 해석하기를, 어느 싱글 박테리아가 면역시스템을 주도하지 못하도록 하는 견제와 균형 메커니즘(checks-and-balances mechanism)이라고 말한다.

비슷한 방식으로 몇몇 박테리아들은 특정 유전자의 발현을 촉진시켰고(upregulated), 반면 다른 박테리아들은 유전자의 발현을 억제 시켰는데(downregulated), 이는 박테리아들은 소장 유전자의 발현에 균형적인 영향을 미친다는 것을 의미한다.

카스퍼 교수는 “우리는 몇몇 박테리아들은 보다 우호적인 환경을 만들기 위해 특정 유전자들을 과다 발현시키고, 다른 박테리아들은 유해한 박테리아들을 위해 보다 적대적인 환경을 만들기 위해 특정 유전자들의 발현을 억제시킨다고 믿고 있다”라고 말햇다.

감염, 암이나 다른 병들에 반응하여 염증을 일으키는데 중요한 역할을 하는 신호분자인 사이토카인(cytokines)의 활동을 조절하는 유전자를 분석한 결과, 여기에서도 박테리아들은 견제와 균형 메커니즘(checks-and-balances mechanism)을 유지하고 있었다.

기타 연구의 결과(Redundancy) 53개의 박테리아들 중 1/4은, 면역 세포들 중 가장 강력한 T-세포의 숫자들을 증가시키고 있는 것으로 나타났다. 또 다른 흥미로운 발견은 잘 알려지지 않은 단일 박테리아인 ‘바륨(Fusobacterium varium)’은 면역 세포들에 가장 강력한 영향을 미치는 것으로 나타났는데, 이 때 영향이란 자연적으로 분비된 항균물질 혹은 항균제(naturally secreted antimicrobials)를 억제시키고, 염증을 촉진시키는 몇 개의 유전자들을 발현시키는 것이었다.

가장 영향을 많이 받은 면역세포로는, T-세포의 기능에 영향을 주고, 인체 내의 바이러스 감염・증식 억제 물질인 인터페론(interferons)의 분비에 영향을 주는, 항-염증에 관여하는 수지상세포(pDC, plasmacytoid dendritic cells)였다. 38%의 박테리아들이 이 수지상세포들의 수준을 증가시켰고, 반면 8% 만이 그 수준을 감소시켰다.

연구팀은 현재 보다 복잡한 맥락에서 미생물-면역의 상호작용을 연구하고 있으며, 한 번에 하나의 박테리아를 넘어 한 번에 여러 박테리아 종들의 추가적인 영향이 있는지, 있으면 그것이 무엇인지를 분석하고 있다.

기타 박테리아에 대한 여러 논문과 공존 공생하는 법에 대해서는 다음 사이트를 참조하라. ​1. 우리 몸 속의 선(善)과 악(惡)의 박테리아 1-1. 2005년에 불을 붙인 헬리코박터 파일로리 1-2. 장에는 400종, 위에는 128종의 미생물들이 서식 1-3. 유럽의 MetaHit 프로젝트 – 장에는 1,000~1,150종이 서식 1-4. 팔뚝에만 200종 서식 1-5. 손바닥에만 4,700종, 남성보다 여성 손에 박테리아가 많아

2. 선한 박테리아와 공존 공생하는 법 2-1. 장(Gut)의 박테리아들이 음식과 기분을 결정 2-2. 박테리아들이 두뇌로 신호를 보내 식욕을 조절 2-3. 선한 박테리아 집단들의 경쟁이 건강을 유지 2-4. 박테리아가 몸무게·비만·콜레스테롤 수준을 결정 2-5. 엄마의 젓이 최고, 선한 박테리아가 아기에 전달 2-6. 어릴 적 운동이 선한 박테리아의 집단을 촉진시켜 성장 2-7. 섬유소 섭취가 선한 박테리아들의 다양성을 유지

IT News - [건강유지의 비밀] 제2의 게놈 ‘마이크로바이옴’…선한 박테리아와 공존 공생하는 법(16 Jan 2016).

차원용 소장/교수/MBA/공학박사/미래학자

아스팩미래기술경영연구소(주) 대표, 국가과학기술심의회 ICT융합전문위원회 전문위원, 국토교통부 자율주행차 융복합미래포럼 비즈니스분과 위원, 전자정부 민관협력포럼 위원, 국제미래학회 과학기술위원장