프로바이오틱스와 군집의 생산성...랜디올리버(2)

[우성(旴成) 평택]

프로바이오틱스와 군집 생산성
랜디 올리버
ScientificBeekeeping.com

2016년 2월 ABJ에 최초 게재

프로바이오틱스
인간과 꿀벌을 포함한 많은 유기체의 체내 또는 체외에 존재하는 공생 미생물 군집에 대해 점점 더 많은 것을 알게 될수록 공생 미생물이 소화, 건강, 면역력, 심지어 기분에 미치는 영향에 대해 우리가 아는 것이 얼마나 적은지 알게 됩니다. 과학자들은 특정 공생 박테리아를 섭취함으로써 장내를 더 건강한 상태로 '재조정'하거나 가축의 경우 건강과 생산성을 개선할 수 있다는 사실을 밝혀냈습니다. 이러한 유익한 미생물을 사람이나 동물에게 투여하여 건강상의 이점을 부여하는 것을 "프로바이오틱스"라고 합니다.

또 다른 용어로는 "프리바이오틱스"가 있습니다. 프리바이오틱스는 동물의 장에서 유익한 미생물의 성장을 촉진하는 비소화성 식품 성분입니다.

양봉에 적용하기

앞서 자세히 설명했듯이 꿀벌은 장에 서식하는 "핵심" 박테리아 군집과 하인두샘과 벌집에 서식하는 다른 박테리아의 숙주입니다. 이러한 박테리아는 소화 및 질병 저항성에 관여하는 것으로 보이며, 꿀이나 꽃가루에서 발견되지 않는 중요한 영양소를 생산할 수 있습니다. 당연히 연구자들은 프로바이오틱스 접종을 통해 군집 건강을 개선할 수 있다고 제안했습니다.

신조어를 좋아하는 과학자들은 군집 '불균형'(미생물 불균형)을 해결하기 위해 미생물 자원 관리(MRM)와 공생체 자원 관리(SRM- "곤충 관련 문제를 관리하기 위해 미생물 공생체를 적용하는 것"으로 정의)라는 새로운 용어를 만들어냈습니다. 물론 기업가들은 양봉가들에게 새로운 것을 판매할 수 있는 기회를 포착하고 현재 프로바이오틱스 제품을 마케팅하고 있습니다. 물론 문제는 그들의 주장이 입증될 수 있는지 여부입니다.

잠재적인 작용 방식

프로바이오틱스/프리바이오틱스 제품이 꿀벌 건강을 개선할 수 있는 다양한 방법이 있습니다. 중요한 것은 장내 미생물 군집이 지속적으로 변화하고 있다는 사실입니다. 음식(예: 아몬드 꽃가루와 민들레 꽃가루)의 종류에 따라 한 가지 미생물 균주가 다른 균주보다 더 많이 유입되거나 선호될 수 있습니다. 여기에 항생제, 살충제, 천연 항균 식물 대사산물의 영향까지 더해지면 장내 미생물 군집에 이상이 생길 수 있습니다(항생제를 복용한 후의 장내 환경을 생각해보세요).

꿀이나 꽃가루와 함께 들어오는 다른 종류의 박테리아가 발판을 마련하여 장내 생물상의 일부 기존 구성원과 경쟁할 수 있습니다(몬테주마의 리벤지를 생각해보세요). 장내 박테리아의 짧은 생성 시간(15분에서 몇 시간)과 종간 유전 정보 플라스미드를 교환하는 능력 덕분에 장내 박테리아는 장내에서 먹이와 서식지를 놓고 경쟁하며 지속적으로 진화할 수 있습니다. 꿀벌 장내 미생물 군집 구조의 메타게놈 특성 분석에 따르면 핵심 종은 몇 가지 있지만 다소 가변적일 수 있는 것으로 나타났습니다.

즉, 프리바이오틱스를 먹이면 특정 유익한 박테리아에 유리할 수 있습니다. 이는 특히 화분 매개균의 배합에 적용될 수 있습니다.

반면 프로바이오틱스는 살아있는 박테리아로 구성됩니다. 프로바이오틱스가 항생제 치료 후 장내 핵심 커뮤니티를 재건하는 데 도움이 될 수 있다는 주장이 제기될 수 있습니다. 그러나 상업용 꿀벌의 장내 생물상은 이미 항생제에 내성이 있는 것으로 보입니다. 그리고 현장 연구에 따르면 여러 가지 항생제를 투여한 패키지를 시작해도 해로운 영향을 미치지 않는 것으로 나타났습니다.

어쨌든 올바른 박테리아 균주가 포함된 프로바이오틱스를 먹이면 벌통 미생물 군집의 균형을 맞추는 데 도움이 될 수 있다는 것은 분명 그럴듯한 사실입니다.

올바른 박테리아의 중요성

살아있는 박테리아를 아무렇게나 꿀벌에게 먹이는 것은 최선의 방법이 아닐 수 있습니다. 비병원성 박테리아도 대사적으로 비용이 많이 드는 면역 반응의 상향 조절을 일으킬 수 있습니다. 한 종(예: 사람이나 가축)에서 유익한 효과를 보이는 박테리아는 꿀벌에게는 아무런 도움이 되지 않을 수 있습니다. 실제로 잘못된 프로바이오틱스 박테리아를 도입하면 군집의 건강이 악화될 수 있습니다. 꿀벌을 위한 프로바이오틱스는 건강한 꿀벌의 장에서 유래한 하나 이상의 특정 박테리아 균주로 구성되어야 합니다.

실제 적용: 반려동물용 프로바이오틱스나 요구르트를 벌통에 버리는 것은 돈 낭비일 가능성이 높습니다.

프로바이오틱스가 효과가 있는 것으로 밝혀졌나요?

꿀벌 공급 회사에서 프로바이오틱스 치료제를 제공하고 있으며, 많은 양봉가들이 다양한 동물용 프로바이오틱스를 실험해왔습니다. 안타깝게도 이러한 제품에 대한 주장 중 일부는 실제 과학적 실험보다는 희망적인 생각에 근거한 것일 수 있습니다. 실제로 꿀벌에게 프로바이오틱스를 먹였을 때 어떤 유익한 효과가 있다는 것을 입증한 연구는 거의 없습니다.

폴란드에서는 후마길린을 부저병관리에 사용할 수 없기 때문에 폴란드의 연구자들은 프로바이오틱스와 프리바이오틱스에 대한 여러 실험을 진행했으며, 일반적으로 일반 동물용 제제는 관찰 가능한 이점이 거의 또는 전혀 없는 것으로 나타났습니다.

캘리포니아의 양봉가들이 애완 동물 가게에서 판매하는 프로바이오틱스를 꿀벌에게 먹인다는 소식을 들은 Eric Mussen 박사는 최근 시험에 이 제품을 포함시켰습니다.결과는: "이 연구에서는 꿀벌 군집에 프로바이오틱스를 먹이는 것이 꿀벌에게 유익한 역할을 한다는 것을 발견하지 못했습니다."

득보다 실이 더 많나요?

꿀벌에게 잘못된 프로바이오틱스 박테리아를 먹이면 득보다 실이 많을 수 있습니다. 안드레아르크지크[13]는 동물성 프로바이오틱스 혼합물을 먹인 꿀벌의 폐사율이 더 높은 것을 관찰했습니다. 양봉가들이 심각하게 우려하는 것은 잘못된 프로바이오틱스나 프리바이오틱스가 꿀벌을 비강염에 더 취약하게 만들 수 있다는 것입니다. 프타진스카는 최근 이 사실을 발견했습니다:

결론적으로, 꿀벌의 식단에 부적절하게 선택된 프로바이오틱스 또는 프로바이오틱스와 프리바이오틱스를 모두 보충하는 것은 노세마증 발병을 예방하지 못하고 곤충 면역 체계를 조절할 수 없으며 꿀벌의 사망률을 크게 증가시킬 수 있습니다...L. 람노수스를 함유한 상업용 프로바이오틱스를 먹인 꿀벌의 사망률이 증가했습니다. 따라서 포유류용 프로바이오틱스로 확인된 박테리아를 함유한 제제는 꿀벌용 프로바이오틱스로 간주해서는 안 됩니다.

실제 적용: 박테리아 프로바이오틱스를 벌통에 그냥 버리지 마세요.

반면에 건강한 꿀벌의 내장에서 직접 배양한 특정 박테리아 균주를 사용하면 실제로 잠재적인 이점이 있을 수 있습니다.

나만의 연구

2012년에 생산적인 군집과 비생산적인 군집에서 노세마 세라나에 수치의 뚜렷한 차이를 발견한 후, 비슷한 종류의 검사를 통해 생산적인 군집이 비생산적인 봉군과 다른 박테리아 장내 군집을 보유하고 있는지 쉽게 확인할 수 있을 것 같다는 생각이 들었습니다. 결과가 어느 쪽으로 나오든 저는 무언가를 배울 수 있을 것 같았습니다:

일관된 차이가 있었다면 어떤 박테리아가 생산성 향상과 관련이 있는지 파악할 수 있었을 것입니다.
반면에 생산성과 미생물 구조 사이에 명확한 상관관계가 없었다면, 저는 프로바이오틱스로 봉군을 치료하면 생산성이 향상될 것이라는 전제에 덜 열광했을 것입니다.

과학적 참고 사항: 저는 양봉 커뮤니티에 유용한 정보를 실시간으로 제공할 수 있기 때문에(때로는 실험 완료 후 한 달 이내에 발표하기도 함) 과학 저널보다는 간단한 "빠르고 더티한" 현장 또는 실험실 연구를 수행하고 그 결과를 ABJ에 발표하는 것을 선호합니다. 이는 기관과 협력하고 동료 검토를 거치는 지루한 과정(제가 적극 지지하는 과정과는 대조적이지만, 공동 연구자들과 제가 최근 PeerJ 저널에 발표한 이 연구의 경우처럼 결과가 발표되기까지 보통 2~3년이 걸립니다.
다음은 양봉가를 위해 특별히 작성된 논문의 요약본입니다.

서론
다른 가축 생산자들과 마찬가지로 양봉 업계에서도 꿀벌 군집에 프로바이오틱스 박테리아를 먹이는 것이 도움이 될지 여부에 대한 관심이 있습니다. 잠재적인 이점은 아마도 도입된 프로바이오틱스가 꿀벌의 내장에 군집을 형성한 결과일 것입니다. 가장 간단한 혜택의 지표는 전반적인 군집 건강을 직접적으로 반영하기 때문에 꿀 생산량 증가입니다.

그렇다면 프로바이오틱스로 사용할 특정 박테리아를 선택하려면 현장에서 생산적인 군집과 비생산적인 군집의 장내 미생물 사이에 차이가 있다는 증거가 있어야 합니다.

재료와 방법

가뭄으로 황폐해진 캘리포니아 시에라 산기슭의 거친 여름에 꿀을 채취하러 갔을 때, 전체 군락의 강도를 고려하더라도 (그리고 매년 봄에 각 마당에 새로운 핵을 설치한다는 사실에도 불구하고) 생산량에서 군락마다 극명한 차이를 발견했습니다(일반적으로 한 마당 한 두 마리의 여왕벌로부터만 채밀함).

최근 코세마 스크리닝의 성공에 힘입어 저는 최근 메타게놈을 이용해 꿀벌 장내 미생물 군집을 지도화하는 연구를 발표한 아이린 뉴턴 박사에게 연락해 연구를 제안했습니다. 우리는 샘플링 절차에 동의했고, 저는 양봉가들이 ScientificBeekeeping에 기부한 금액을 사용하여 분석 비용을 지불했으며, 분석은 그녀의 대학원생인 멜리사 호튼이 맡았습니다.

8월에 벌꿀 채밀이 끝난 후 약 24개의 벌통을 각각 7야드씩 7개 구역으로 나누어 벌통을 모두 들어 올리고 검사하여 각 구역별로 꿀이 가장 많이 나온 벌통(생산적인 벌통)과 가장 적게 나온 벌통(비생산적인 벌통)을 확인했습니다. 꿀벌이 강하지 않거나(군집 강도의 영향을 제거하기 위해) 질병 또는 기타 장애의 징후를 보이는 군집은 비생산적인 군집에서 제외했습니다(그림 1).

샘플을 채취한 꿀벌을 표준화하기 위해, 우리는 장내 미생물이 일반적으로 식민지를 대표한다는 뉴턴 박사의 이전 연구 결과를 바탕으로 꽃가루를 채집하는 꿀벌을 수집했습니다. 꽃가루를 싣고 들어오는 먹이 사냥꾼을 가로채서 인도적으로 처리한 다음 멸균 집게를 사용하여 뒷배와 중장 전체를 조심스럽게 꺼냈습니다(그림 2). 각 벌통에서 최소 5개의 샘플을 채취하여 즉시 RNAlater®에 보존하고 얼음에 식힌 다음 인디애나 주립대학교의 멜리사 호튼이 분석할 때까지 동결시켰습니다.

멜리사는 샘플에서 박테리아 DNA를 추출하고 Illumina는 이를 시퀀싱하여 존재하는 박테리아를 식별했습니다

결과

이 경우, 한 장의 사진이 천 단어의 가치가 있습니다(그림 3).

비생산적인 콜로니(왼쪽)와 생산적인 콜로니(오른쪽) 사이의 색상 막대 분포를 시각적으로 단순 비교한 결과, 생산성 향상과 관련된 뚜렷한 박테리아 커뮤니티 구조가 없음을 알 수 있습니다. 그래서 멜리사는 다양한 방법으로 데이터에 대한 최첨단 분석을 수행했습니다.



과학적 참고 사항: 위와 같이 복잡한 데이터 세트에서는 여러 차원에서 발생하는 패턴을 구별하기 어려운 경우가 있습니다. 그래서 우리는 판별 함수 분석을 수행하는데, 이 경우 식민지 생산성이 특정 커뮤니티 구조와 관련이 있는지 여부를 알려줄 수 있습니다.

판별 함수 분석은 생산적인 봉군과 비생산적인 봉군를 쉽게 구분할 수 있습니다. 놀랍게도 극히 낮은 빈도로 발생하는 두 가지 박테리아가 좋은 예측 인자였습니다. 기능적으로 기여했을 가능성은 낮지만, 군집당 마이크로바이옴의 다양성이나 균일성을 나타내는 지표가 될 수 있습니다. 일반적으로 생산적인 봉군은 박테리아의 다양성, 풍부함, 균일성이 더 높았습니다.

초기 인실리코 샘플링은 그룹을 강하게 구분하는 것처럼 보였지만, 이는 생물학적 샘플링으로 뒷받침되지 않았습니다. 멜리사는 길리아멜라 아피콜라가 다른 박테리아를 경쟁적으로 배제하는지 테스트하기 위해 박테리아를 배양했지만 부정적인 상호 작용의 증거는 발견하지 못했습니다.

토론

생산적인 봉군은 락토바실러스 종(예: 펌-4)의 다양성과 유병률이 증가하는 경향이 있고 길리아멜라 종에 의해 지배될 가능성이 낮다는 것을 발견했지만, 이러한 경향이 생산성 증가의 주된 이유라고 제안할 만큼 일관성이 없었습니다. 샘플 수가 더 많았더라면 통계적으로 유의미한 경향을 발견할 수 있었겠지만, 그룹 간에 흑백의 차이는 분명히 없었으며 특히 "유익한" 것으로 눈에 띄는 단일 박테리아도 없었습니다.

자연 조건(시에라 산기슭)에서는 꿀벌의 장내 미생물과 꿀 생산량 사이에 "뚜렷한 상관관계"가 없었기 때문에, 특정 프로바이오틱 박테리아를 먹이면 군집 생산성이 향상될 것이라는 가설을 뒷받침할 수 있는 결과는 나오지 않았습니다. 그러나 샘플링된 콜로니는 항생제나 농약에 노출되지 않았으며(2월 아몬드 수분 이후), 샘플링된 모든 콜로니를 "건강한" 것으로 간주할 수 있습니다. 이는 추가 연구의 여지를 남깁니다.

프로바이오틱스 보충제를 먹임으로써 의심되는 군집의 장내 '이상균총증'을 교정하는 것과 관련하여, 포식자를 통해 군집의 '공동 위'에 신선한 박테리아가 지속적으로 유입되는 것과 벌통의 다른 모든 꿀벌과 간호사 사이의 높은 음식 교환 비율을 염두에 두어야 합니다. 이러한 교환은 벌통 전체의 미생물군집 유사성을 강화하는 데 도움이 되며, 인위적으로 도입된 프로바이오틱스 균주는 적어도 일부 상주 미생물군과 경쟁해야 합니다.

용도가 변경된 인간, 반려동물 또는 가축용 프로바이오틱스가 벌집에 유익하게 자리 잡을 가능성은 거의 없으며, 앞서 언급한 바와 같이 실제로 자체적인 이상균총을 생성할 수 있습니다. 반면에 꿀벌에 특화된 균주를 상업적으로 배양할 수 있다면 누군가 유용한 프로바이오틱스 포뮬러를 개발할 수도 있습니다. 하지만 저는 양봉가들에게 마케팅 주장을 뒷받침할 수 있는 강력한 데이터를 보여달라고 요청할 것을 권고합니다.


https://scientificbeekeeping.com/probiotics-and-colony-productivity/

[북두칠성(영양)]

수고하셨습니다.