스크랩 소우주 같은 몸속의 미생물 세상

[빛이되어]

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나를 이루는 미생물..똥속 미생물 활용 치료법도 연구중

2014.03.06 16:23:14

마이크로바이옴과 나: 따로 또 한 몸으로 살아가기

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글 김지현 연세대 교수

» 인체를 그린 레오나르도 다 빈치의 그림. 많은 미생물 연구가 이뤄지면서 우리몸에 서식하는 여러 미생물들은 따로 또 함께 살아가는 한 몸으로도 이해되고 있다. 출처/ Wikimedia Commons

언제나 날씬 소녀인 우리 딸 이린이와는 달리 아들 유진이는 지금은 훤칠하지만 어렸을 적엔 꽤 통통한
편이었다. 그래서 내가 가끔 “어이, 호빵맨~”하고 짓궂게 놀리곤 했는데, 그때마다 아들은 미생물 연구자인
내게 “아빠는 세균맨이야!”라며 잽싸게 반격하곤 했다.

이처럼 우리는 세균 또는 박테리아 하면 병원균의 나쁜 이미지를 먼저 떠올리곤 한다. 하지만 세균, 고균,
원생생물, 곰팡이 등 우리 몸과 지구의 여러 환경에서 서로 부대끼며 살아가는 수많은 미생물들은 건강과
생태계를 유지하는데 꼭 필요한 존재이고, 이 가운데 우리에게 해로운 미생물은 새 발의 피에 불과하다.
미생물이 여러 전염병의 원인임을 밝힌 파스퇴르도 전염병뿐만 아니라 발효도 미생물에 의한 것임을 일찍이
갈파한 바 있다.

내 안의 소우주, 미생물

노벨상 수상자인 조슈아 레더버그(Joshua Lederberg)는 2000년 과학저널 <사이언스>에 기고한 글에서
‘인간은 선이고, 미생물은 악(We good; they evil)’이라는 편견을 끝내자고 제안했다. 그는 생태학 교과서에
‘니치(niche)’라고 나오는 인체의 특정 서식처에 기거하는 미생물과 그들의 유전체 전체를 통틀어 ‘마이크로
바이옴(microbiome; ‘미생물체’ 또는 미생물을 강조할 때는 ‘마이크로바이오타/microbiota’라고도 함)’
이라고 부르며 기주와 미생물을 합쳐 ‘슈퍼유기체(superorganism)’로 간주해야 한다고 하였다.

» 우리 몸 피부의 여러 부위에 따라 다르게 서식하는 주요 세균 종의 분포를 색깔로 나타낸 그림. 출처/ Wikimedia Commons 서식처에 어떤 미생물들이 있고 어떤 유전자를 가지고 어떻게 살고 있으며 우리 건강과 생태계에 어떤 영향을 미치는지 이해하려면 배지에 키워서 관찰해야 하는데 이렇게 할 수 있는 것은 채 1%도 되지 않는다. 그런데 최근 생명과학자들은 배양하지 않고도 이들을 연구할 수 있는 방법들을 개발함으로써 ‘메타유전체학(metagenomics)’라고 하는 학문이 꽃을 피우게 되어 인류 지식에 새로운 지평을 여는 연구 성과가 속속 쏟아지고 있다.

수백, 수천 종의 미생물이 우리 몸을 이루는 세포 수보다 열 배나 많게 터 잡고 살고 있고 인간 유전체의 수백 배에 이르는 유전정보를 가지고 있는 우리 몸속의 미생물 세상은 그야말로 '소우주'라고 할 수 있다. 무게로는 1kg 남짓이나 되니 특히 여성의 경우 자기 몸무게를 꼭 밝혀야만 하는 상황이라면 미생물의 무게는 쏙 빼고 말해도 거짓말이 아니다.

거의 무균 상태로 태어나는 인체에 공생하는 미생물은 우리 삶의 동반자이다. 유전적 요인과 함께 생리와 건강에 영향을 주는 환경적 요인의 대부분은 인간과 함께 진화해온 미생물에 의한 것이다. 피부, 눈, 입, 소화기, 호흡기, 비뇨생식기 등에 서식하는 미생물은 우리가 건강한 상태를 유지하고 유해균이나 병원체를 무찌르는데 필수적이고, 특히 장내에 서식하는 미생물은 ‘사실상의 장기(virtual organ)’라고도 불릴 만큼 소화뿐만 아니라 우리 몸의 대사와 면역 시스템에
중요한 역할을 한다.

이들 미생물은 우리의 건강뿐만 아니라 행동에도 영향을 줄 수 있다. 동물을 대상으로 한 실험에 따르면
초파리는 같은 종류의 미생물이 든 먹이를 먹은 초파리와의 교미를 선호하여 종 분화를 유도할 수도 있다는
사실이 발견되었고, 프로바이오틱(probiotic)균을 섭취한 생쥐는 두려움을 느끼는 정도가 낮은데 이는 장내
미생물에 대한 정보가 부교감신경 중 가장 큰 '미주신경'을 통해 뇌로 전해져서 심리상태가 바뀐 탓이라는
것이다.

똥물치료: 똥을 약으로도 쓴다?!

우리 몸과 미생물 간의 미묘한 견제와 균형이 깨어지면 병이 난다. 미생물이 연루된 질병하면 충치, 풍치,
여드름, 종기, 패혈증 등과 함께 2005년도 노벨상을 받은 배리 마셜(Barry Marshall) 박사가 스스로 마심
으로써 헬리코박터 파일로리(Helicobacter pylori) 균이 위염을 일으킬 수 있음을 증명한 유명한 일화를
먼저 떠올리겠지만, 미생물은 크론병과 같은 염증성 장질환, 당뇨병, 류마티스 관절염, 아토피, 천식 등
각종 면역질환뿐만 아니라 각종 암과 비만에다가 심지어는 자폐증, 우울증 등의 정신질환과도 관련이 깊다
는 것이 알려지고 있다.

반면에 장내 미생물은 질병 치료에도 쓰일 수 있다. 간혹 항생제를 처방받거나 해서 장내 미생물 간의 평화
로운 질서가 무너지면(전문용어로 dysbiosis라고 함) 심각한 장염과 설사를 일으키는 클로스트리디움
디피실리(Clostridium difficile) 라는 슈퍼박테리아가 과다 증식해서 사망에까지 이르게 되는데, 북미와
유럽 과학자들의 연구에 의하면 이런 경우에 환자의 장에다 건강한 사람의 대변 ‘추출물’을 넣어주면 항생제
를 투여할 때보다 치료 효과가 훨씬 더 좋은 것으로 나타났다.

그렇다면 이런 경우에 똥은 병을 치유하는 약물일까, 장에서 떨어져 나간 상피세포도 포함돼 있으니 몸이
배출한 인체 조직의 일부일까? 마침 흥미로운 논의가 한창 진행 중이다. 미국 식품의약청(FDA)에서는
“인간의 대변을 약물로 간주하여 규제하겠다.”고 하여 주목과 논란의 대상이 되었는데, 곧 입장을 바꾸어
또 다른 논란이 일고 있다. 즉 ‘대변 미생물 이식(fecal microbiota transplantation)’을 통해 염증성 장질환
이나 비만도 치료할 수 있을 것이라는 기대와 함께, 쉽게 구할 수 있지만 안전성을 신뢰할 수 없는 혼합물을
의료용으로 사용하는데 대한 우려도 커지고 있다. 한편, 장내 세균이 생쥐의 암 치료에도 영향을 주는
것으로 밝혀졌다는 연구 보고도 나와, 미생물을 이용한 질병 치유는 앞으로도 큰 관심사가 될 것으로 보인다.

    +   잠깐

약으로도 쓰이는 똥, 사랑할 수 있을까?

» 한겨레 자료그림

많은 이가 그렇듯이 내게 피곤한 눈꺼풀을 깨우고 힘찬 하루를 여는 힘은 향긋한 모닝커피 한 잔이다.
비,위가 약한 사람은 좀 거슬릴 수도 있으나, 커피를 좀 안다는 사람은 희귀한 커피의 대명사로 커피
빈을 먹인 사향고양이의 배설물로 만든 ‘코피 루왁’을 꼽길 주저하지 않는다. 심지어 코끼리 똥으로
만드는 ‘블랙 아이보리’는 이보다도 더 비싸게 팔린다고 한다.

진 기한 중국음식 중에 최고급인 ‘모기 눈알 스프’는 모기를 먹고 사는 박쥐가 소화시키지 못한 눈알을
배설물에서 걸러내 재료로 쓴다. <곤충기>를 쓴 파브르가 열심히 관찰한 부활의 상징 쇠똥구리에게는
소똥이 밥이요 떡이다. 즉, 한 생명의 배설물이 다른 생명에게는 세상에서 가장 맛있는 음식인 것이다.

굳이 프로이트를 들먹이지 않더라도 내 번뇌를 놓아버리는 사색의 공간이었던 뒷간은 내 어릴 적 추억
과 맞닿아 있다. 봄볕에 날이 풀리면 아버지께서는 파초며 모란이며 작약이며 옥수수가 튼튼하게 잘
자라라고 변소에서 잘 썩은 인분을 퍼다 작은 화단과 텃밭에 퇴비로 뿌려주셨고, 따스한 봄바람을 타고
내 코를 찌르는 그 구리한 냄새는 내 구수한 과거의 한 귀퉁이가 되었다.

똥 으로 돈을 버는 다른 방법도 있다. 바다새들의 고향 독도 같은 섬에 가면 흔한 새똥덩어리 ‘구아노’는
인산질이 풍부해서 천연 비료로 쓰이고, 지구 한 구석에서는 소나 낙타의 똥이 귀중한 연료로 쓰인다.
또한, 가축분뇨나 음식물쓰레기를 혐기성 미생물이 먹으면 대체 에너지원인 바이오가스가 만들어진다.

비록 입에 올리기엔 느낌 더럽지만 이렇게 쓸모가 많은 똥이 심지어는 약으로 쓰일 수도 있다고 한다.

나 의 반려자로 살면서 내 삶의 협조자가 되어주지만 어쩌다가 내가 병들거나 약한 모습을 보이면 나를
공격하기도 하는 것이 내 몸의 미생물이다. 내 몸의 여러 안식처에는 수많은 미생물들이 조화롭게 살아
가지만, 가끔 그들 간의 질서가 흐트러질 때도 있다.

예 를 들어, 감기에 걸리거나 피부에 종기가 나서 항생제를 먹으면 장 속에 사는 많은 미생물도 대량
학살을 당하고 그들 간의 균형이 무너지면서 ‘클로스트리디움 디피실리’ 같은 특정 세균이 장을 점령해
버려 죽음에도 이르는 심각한 장염을 앓는 수가 있다. 항생제도 잘 듣지 않는 이 속수무책인 상황에서
바야흐로 ‘대변 미생물’이 구세주로 등장했다. 즉, 건강한 배우자나 가족의 대변을 받아 소화가 덜 된
건더기는 잘 걸러내고 환자에게 투여하면 더럽지만 신기하게도 환자가 금방 쏙 낫는다는 것이다.

현대 과학과 의학은 염증성 장질환과 같은 각종 면역질환과 심지어는 비만과 암, 정신질환까지도
미생물을 공범으로 지목하고 있으니, 이 ‘똥물요법’을 비롯한 미생물치료 처방이 만병통치약으로 널리
쓰이게 될 날이 곧 올 지도 모르겠다.

하지만 현명하고 지혜로운 우리 조상들은 오래 전부터 이미 인분의 영험함을 익히 알고 약으로 써왔다.
지난해에 발간 400주년을 맞은 <동의보감>에는 똥의 효능이 잘 기술되어 있다. 대변을 잘 말려 가루로
만든 ‘야인건수(野人乾水)’는 우리 민족 최고의 성군 세종대왕이 해열제로 드셨고 장금이가 사모한
중종도 고열에 죽을병에 걸려 이 처방을 받으셨다고 한다. 한편, ‘인중황(人中黃)’은 겨울에 대나무
껍질을 벗겨 감초를 박고 똥통에 담가두어 똥물이 스며들게 한 것으로 모든 독을 해독하고 악성 종기를
낫게 하며 열을 내린다고 하였다.

남의 손가락질을 받을까봐 쉬쉬하지만 지금도 속이 상한 사람이 민간요법으로 누렇고 맑은 똥물이나
똥술의 덕을 본 경우가 왕왕 있다고 하니, 오늘의 삶의 양식 하나, 똥병에는 똥이 특효다.

이렇듯 쓸모 많지만 사랑하고 받아들이기 힘든 똥에 관한 별난 뉴스 한 가지 더, 스페인에서 아기의
응가에서 나온 프로바이오틱스(probiotics)를 넣어 맛도 좋고 건강에도 최고인 ‘똥 소시지’를 개발
했다고 한다.

지구의 주인은 미생물

» 우리 몸의 여러 미생물들. 출처/ Wikimedia Commons 인간처럼 동물의 몸도 수많은 미생물의 보금자리이다. 초식동물은 식물 섬유소(cellulose)를 분해하는 효소를 만드는 미생물과 함께 사는 덕분에 풀만 뜯어먹고도 살 수 있다. 소와 같은 반추동물은 첫째 위인 혹위에 토끼와 같은 설치류는 맹장에 흰개미는 후장에 이런 미생물들이 주로 서식한다. 생명공학자들은 이들 미생물로부터 유용 효소 유전자를 발굴하여 바이오연료나 파인케미컬(fine chemicals)을 효율적이고 친환경적으로 만드는 방법을 강구하고 있다.

한편, 미생물이 먹이를 분해하면 강력한 온실가스인 메탄이 만들어져 방귀나 트림으로 배출되는데 소 네 마리가 배출하는 양은 자동차 한 대분과 맞먹어서 종종 화석연료와 함께 지구온난화를 유발하는 요인으로 지목되기도 한다.

빠 른 기후 변화 및 환경 파괴와 더불어 ‘항아리곰팡이병(chytridiomycosis)’이 창궐함으로써 감염된 양서류가 질식사하여 전 세계적으로 멸종위기에 놓였다는 사실은 우리에게 돌이킬 수 있는 시간이 얼마 남지 않았음을 엄중히 경고하고 있다.

식물도 동물과 마찬가지로 뿌리, 잎 또는 체내에서 여러 미생물과 상호작용을 하며 살아간다. 감자 역병균(Phytophthora infestans)이나 벼 도열병균(Magnaporthe grisea) 과 같이 식물을 괴롭히는 병원성 난균이나 곰팡이가 있는가 하면, 식물 생장 촉진 세균은 공기 중의 질소를 식물이 이용할 수 있도록 고정하고, 인 등 미네랄을 식물이 이용할 수 있게 하며, 식물 호르몬을 생산하고, 길항물질을 만들어 병원균의 생육을 억제하며, 병해충에 대한 면역력이 증대되도록 돕기도 한다. 최근 애기장대의 뿌리 근처에 사는 미생물을 조사한 결과, 기주의 유전자와 토양의 종류가 세균 커뮤니티에 결정적이라는 것을 알게 되었다.

김치 와 된장, 청국장과 같이 우리가 즐겨먹는 발효식품에는 유산균을 비롯한 유익한 미생물이 많다. 김치의 경우, ‘21C프론티어 미생물유전체활용기술개발사업’, '유전체 분석을 활용한 전통발효식품의 기능성 표준화 연구' 과제 등을 통해 김치가 익는 과정에 어떤 미생물들이 관여하고 어떤 유전자와 발효산물에 의해 김치 특유의 맛이 결정되며 우리 몸에는 어떻게 좋은지에 대한 비밀이 메타게놈 분석 기법을 이용하여 하나 둘 밝혀지고 있다.

그런가 하면, 토양과 갯벌은 가장 많은 종류의 미생물이 어우러진 공간이다. 한줌의 흙 속에는 수만 종에 이르는 미생물이 수백억 마리 살고 있다. 이들 미생물은 변화무쌍한 환경에서 살아가기 위해 다양한 효소와 생리활성물질을 생산하므로 기능 또는 서열 기반의 첨단 기술을 이용한 생물자원 탐사(bioprospecting)를 통해 바이오의약, 바이오에너지, 바이오화학 등 바이오산업에 유용하게 쓰이는 유전자원들을 발굴할 수 있다.

지구의 3분의 2를 차지하는 해양은 미생물의 보물창고이다. 1990년대 후반 ‘인간 게놈 프로젝트(Human
Genome Project)’를 주도했던 크레이그 벤터(J. Craig Venter) 박사는 자신의 요트를 개조하여 전 세계
바다를 돌며 해양미생물 자원을 탐사한 바 있다. 바닷물에서 다수를 차지하는 세균들은 종종 프로테오
로돕신(proteorhodopsin)이라는 빛에 의해 활성화되는 펌프 단백질이 양성자를 퍼냄으로써 에너지를
얻는데, 작년 초에 ‘동해 독도’라는 애칭으로 불리는 해양미생물에서 나트륨 펌프로 추정되는 새로운
로돕신이 발견되기도 했다.

해 양 등 다양한 환경에서 살아가는 미생물은 지구 바이오매스의 60% 이상을 차지하고 있으며 지구 에너지
대사와 물질 순환 및 기후 변화에 매우 중요한 역할을 한다. 너무 작아서 우리 눈에 보이지도 않지만 미생물
은 인간과 동식물이 살아가는 데 필수적인 존재이며 지구 생태계가 유지되는 중요한 원동력이다. 감히 단언
컨대 아마도 다른 행성에서 보면 지구는 미생물의 행성으로 보일 것이다.

마이크로바이옴 들여다보기

1908년에 면역학 연구로 노벨상을 수상한 메치니코프가 유산균 발효유를 마시면 장을 부패시켜 노화를
촉진하는 유해균을 막아 생명을 연장할 수 있다고 주장한지 100여년이 지난 지금, 마이크로바이옴에
대한 관심은 그 어느 때보다 뜨겁다.

미 생물 유전체 또는 마이크로바이옴 관련 연구 결과는 사이언스가 뽑은 2010년 ‘지난 10년 동안의
10대 빅 아이디어’의 하나로 뽑혔으며, 또한 2000년, 2001년, 2002년, 2004년, 2010년, 2011년과
2013년 10대 성과에 선정되었다. 2004년 비만과 장내 미생물의 관계를 처음으로 밝혀낸 제프리
고든(Jeffrey I. Gordon) 박사는 곧 노벨상을 탈지도 모른다는 소문도 들린다.

이러 한 분위기 속에 ‘제2의 인간 유전체(second genome)’라고도 불리는 우리 몸의 마이크로바이옴
을 분석하는 ‘인체 미생물체 프로젝트(Human Microbiome Project)’와 ‘메타HIT(Metagenomics of
the Human Intestinal Tract)’ 프로젝트가 수행되었고, 토양 메타게놈을 분석하려는 ‘국제 테라게놈
컨소시엄(International TerraGenome Consortium)’과 다양한 환경 또는 생태계(biome)에서 이십만
개의 ‘바이오 암흑물질’ 샘플을 분석하려는 ‘지구 미생물체 프로젝트(Earth Microbiome Project)’도
추진 중이다.

이 연구들은 2000년대 중반에 ‘차세대 시퀀싱’ 기술이라고 불리는 대용량 DNA 염기서열 해독 및 유전
정보 분석 기술의 도입으로 가능하게 되었으며, 이를 통해 양산되는 빅데이터를 잘 다루고 제대로 이해
하기 위해 ‘생물정보학(bioinformatics)’과 ‘시스템생물학(systems biology)’ 등 컴퓨팅 관련 학문도
함께 발전하고 있다.

한편, 우리나라에서도 ‘21C프론티어 미생물유전체활용기술개발사업’에 이어 올해 ‘포스트게놈 다부처
유전체 사업’의 일환으로 농식품부에서 미생물 유전체 프로젝트를 출범할 예정이고, 미래부, 농식품부/
농진청, 복지부 공동 연구 사업으로 기주-미생물 상호작용 연구 프로젝트를 추진할 계획이다. 이 모든
야심찬 대형 프로젝트들이 어떤 놀라운 발견과 획기적 발명을 이어갈지 지켜볼 일이다.◑

* * *

[덧붙여] 내 가 지도하는 학생 중에 과도하게 뚱뚱한 사람에게는 대학원에서 열심히 공부하고 실험하려면
기초 체력 강화와 건강한 삶 유지가 필수적이라며 운동과 다이어트를 권한다. 암의 가장 중요한 원인 중에
하나이기도 한 비만과 결별하는 것은 유전자와 미생물뿐만 아니라 자기 의지의 문제이기도 한 까닭이다.
이러는 나도 건강과 수명을 생각하면 메치니코프가 그랬던 것처럼 술, 담배를 멀리해야 할 텐데....

 

  글쓴이/

  김지현 연세대학교 시스템생물학과 교수(미생물학)

@한겨레 과학웹진 사이언스온