Rob Knight: How our microbes make us who we are .우리 몸의 미생물 TED

[신천옹]

롭 나이트는 아직 엄청나게 넓고, 대부분이 알려지지 않은 우리 몸 속의 단세포 생물들의 집단인 인간 미생물이 우리 건강에 미치는 영향 연구에 대한 선구자입니다.

그는 "당신이 몸에 지니고 다니는 3파운드의 미생물이 유전체에 담긴 모든 유전자보다 중요할지도 모른다"고 말합니다.

무슨 이유인지 살펴보십시오.

 0:12 우리 인간은 우리 몸의 건강에 대해서 항상 걱정해왔습니다. 하지만 무엇이 중요한지 파악하는 것에는 그다지 솜씨가 좋지 않았습니다. 예를 들어 고대 이집트인을 봅시다. 그들은 신체 부위에 큰 관심을 가졌고 그것들이 사후에 필요하다고 여겼습니다. 하지만 몇몇 신체 부위는 그냥 버렸습니다. 예를 들면 이런 부위죠. 그들은 위, 허파, 간 같은 것들은 매우 주의깊게 보존했지만 정작 뇌는 곤죽으로 만들어서 코를 통해 뽑았습니다. 그리고는 버려 버렸죠. 실제로 이것은 이치에 맞습니다. 뇌가 우리를 위해 무엇을 하나요? 우리 몸에서 뇌만큼 무게가 나가면서 어떤 면에서는 우리가 누구인지를 결정하는데 매우 중요하지만 거의 무시당하고 있는 장기가 있다고 생각해봅시다. 우리는 그것에 대해 거의 아는 것이 없고 묵살로 일관해왔습니다. 그리고 새로운 과학적 진보를 통해 그것이 우리 자신에 대해 미치는 중요성을 이제 막 이해하기 시작했다고 생각해 봅시다. 더 알고 싶지 않으신가요?

1:06 우리 몸에는 그런 것들이 있습니다. 소화관, 또는 거기에 있는 미생물입니다. 하지만 우리 소화관에 있는 미생물만이 중요한 것은 아닙니다. 우리 몸 전체에 있는 미생물들이 우리 각자가 다른 사람이게 해주는 모든 종류의 차이를 만드는데 매우 중요한 역할을 합니다. 예를 들어, 어떤 사람들은 다른 사람들보다 모기에 훨씬 더 많이 물린다는 것을 알고 계신가요?

1:30 야외 캠핑 경험을 통해 모두가 이것을 알고 있습니다. 예를 들어, 저는 모기에 거의 물리지 않지만, 제 파트너 아만다는 어마어마하게 모기를 끌어들입니다. 이유는 각자가 피부에 다른 미생물을 가지고 있고 각 미생물들이 모기가 감지할 수 있는 다른 화학물질을 만들기 때문입니다.

1:47 또, 미생물은 약학 분야에서도 매우 중요한 역학을 합니다. 예를 들면, 어떤 미생물이 여러분의 소화관에 있느냐가 특정 진통제가 간에 독성이 있는지를 결정합니다. 또 어떤 약이 여러분의 심장 상태에서 정상적으로 작용할지 아닐지 결정합니다. 그리고 만약에 어려분이 초파리라면 미생물은 여러분이 누구와 성관계를 가질지도 결정합니다. 아직 사람을 통해 이를 입증하지는 않았지만 어쩌면 밝혀내는 것은 시간 문제일지도 모릅니다. (웃음)

2:14 이렇게 미생물은 엄청나게 다양한 역할을 하고 있습니다. 음식을 소화시키는 것을 돕고, 면역 시스템 학습을 도우며, 질병을 이겨내도록 돕고, 우리의 행동에 영향을 주기도 하죠. 그렇다면 미생물 군집의 지도는 어떻게 생겼을까요? 실제로 이렇게 똑같이 생기지는 않았지만 생물학적 다양성을 이해하는데는 좋은 가이드입니다. 이곳의 다른 부분은 다른 기관의 지형을 보여주고 그것들은 한 곳, 다른 곳들의 직접적인 특징을 보여줍니다. 미생물학적으로 이것들은 비슷합니다. 더 솔직하게 말하자면 현미경으로 보면 모든 미생물들의 근본적으로 똑같이 보입니다. 그래서 시각적으로 각기 구분하려 하기 보다는 DNA 배열을 관찰하죠. 인간 미생물군체 프로젝트를 통해 NIH는 백칠십삼백만 달러를 지원했고, 수백명의 연구자들이 함께 모여서 모든 A, T, G, C 배열과 인체의 미생물 지도를 작성했습니다. 모든 것을 하나로 합쳐보면 이렇게 보입니다. 누가 어디에 살고 있는지 알아보기가 더 어렵네요. 그렇죠?

3:17 제 연구실이 하는 일은 수 테라 바이트의 배열 데이터를 지도와 같이 조금더 의미있는 형태로 변환해주는 컴퓨팅 기술을 만드는 것입니다. 250명의 건강한 지원자들로부터 만든 인간 미생물 데이터로 이 작업을 하면 이렇게 보이죠. 각각의 점들은 전체 미생물 군집에서 모든 복잡한 미생물들을 나타냅니다. 모든 미생물이 비슷하게 보인다고 했죠? 지금 우리가 보고 있는 것은 건강한 한명의 지원자의 몸 한 부분에 있는 미생물 군집을 나타낸 것입니다. 마치 다른 대륙처럼 보이는 다른 색깔로 된 지도의 일부분을 보실 수 있습니다. 몸의 다른 부분은 매우 다른 미생물들을 가지고 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 여기 보고 계시는 것은 위쪽 노란 색이 구강 집단이고, 다른 쪽에 있는 파란색이 피부 집단입니다. 보라색은 질 집단이구요. 그리고 오른쪽 아래 갈색이 배설물 집단입니다. 지난 수년에 걸쳐서 우리는 몸의 다른 부위에 있는 미생물들이 놀라울 정도로 다르다는 것을 발견했습니다. 만약에 한 사람의 입과 소화관에 있는 미생물들을 살펴본다면 두 미생물 군집의 간의 차이가 정말 어마어마하다는 것을 알 수 있죠. 이 암초와 대초원에 사는 미생물들의 차이보다도 훨씬 큰 차이를 보입니다. 가만히 생각해보면 정말 놀라운 일입니다. 지구 상의 수백 마일이 떨어진 것 보다 우리 몸의 단지 몇 피트가 더 커다란 미생물학적 생태계의 차이를 만들어 낸다는 것을 의미합니다.

4:45 그렇다고 이것이 사람들 사이에서 같은 신체 부위의 미생물 집단이 비슷하게 보인다는 뜻은 아닙니다. 아마 우리 인간이 DNA 관점에서는 거의 같은 존재라는 것을 아실 겁니다. 여러분은 옆사람과 인간 DNA 관점에서는 99.9% 동일하죠. 하지만 소화관 미생물에 대해서는 사실이 아닙니다. 소화관 미생물 관점에서는 옆에 앉아 계신 분과 아마 10% 정도를 공유할 것입니다. 초원의 박테리아가 숲의 박테리아와 다른 만큼의 차이입니다.

5:15 이렇게 다른 미생물들은 제가 앞에 말씀드린 음식물 소화부터 수많은 질병에 대한 대응, 약물에 대해 신진 대사 등을 포함해서 많은 종류의 기능을 하고 있습니다. 그럼 어떻게 미생물들이 이 모든 일들을 할까요? 우리 소화관에 있는 미생물이 무게는 단지 3파운드 밖에 되지 않지만 실제로 우리보다 숫자가 훨씬 많기 때문이죠. 그럼 얼마나 숫자가 많을까요? 그것은 여러분이 우리 몸을 어떻게 생각하느냐에 달렸습니다. 세포가 우리의 몸인가요? 우리 몸은 10조개의 세포로 이루어져있습니다. 하지만 우리는 100조개의 미생물 세포를 지니고 있습니다. 미생물이 10:1의 비율로 많습니다. 아니면 우리는 우리의 DNA 때문에 인간일 수 있다고 생각할 수 있습니다. 하지만 무엇을 정확히 세느냐에 달리기는 했지만 우리는 약 2만개의 인간 유전자를 가지고 있습니다. 하지만 미생물 유전자는 2천만개에서 2억개를 가지고 있습니다. 어떤 것을 기준으로 삼든지 미생물 공생자가 수적으로 우리를 압도합니다. 그리고 우리가 DNA의 흔적을 남기는 것과 함께 우리는 우리가 만지는 모든 것에 미생물 DNA의 흔적도 남깁니다. 몇년 전의 연구에서 우리는 특정 사람의 손바닥과 그 사람이 정기적으로 사용하는 마우스를 95%의 정확도로 매치시킬 수 있었습니다. 수년 전에 과학 잡지에 발표했지만 더 중요한 것은 CSI 마이애미에도 이 내용이 나왔습니다. 이제 진실이라는 것을 아시겠죠? (웃음)

6:35 그럼 우리의 미생물은 애초에 어디에서 왔을까요? 저처럼 여러분도 강아지나 아이들이 있을 것입니다. 아마 여기에서 오지 않았을까하는 추측을 하실수도 있습니다. 실제로 사실이기도 합니다. 여러분이 남기는 미생물을 통해 여러분과 여러분의 컴퓨터 장비를 매칭시킬 수 있듯이 여러분과 여러분의 강아지를 매칭시킬 수도 있습니다. 하지만 성인의 경우 미생물 군집이 매우 안정적이기 때문에 여러분이 다른 누군과와 함께 산다고 해도 여러분은 수주, 수개월, 심지어 수년동안 여러분만의 미생물적 고유성을 유지할 것입니다.

7:04 사실 우리의 첫번째 미생물 군집은 우리가 어떻게 태어나는 지에 달렸죠. 일반적인 방법으로 태어난 아기들은 질 집단과 거의 같은 미생물 집단을 가집니다. 반면에 제왕절개로 태어난 아기들은 피부 집단과 비슷하게 보이는 미생물 집단을 가집니다. 어쩌면 이것이 제왕절개로 태어난 아기들의 건강 현상과 관련이 있을 수도 있습니다. 미생물과 관련이 있는 천식, 알러지, 비만 등을 포함해서요. 가만히 생각해보면 모든 살아 남은 포유류는 산도를 통해 태어났습니다. 우리와 함께 진화해 온 보호적인 미생물의 결핍은 미생물과 관계있다고 밝혀진 많은 종류의 문제에 매우 중요한 영향을 끼치고 있을지도 모릅니다.

7:47 2년 전 제 딸이 제왕 절개로 태어났을 때 저희는 이 문제를 직접 처리해서, 정상적인 출산이라면 자연스럽게 가졌을 질 미생물들에 감싸이도록 만들었습니다. 이 일이 딸의 건강에 특별히 영향이 있는지는 알기가 어려울 것 같습니다. 그렇죠? 우리가 딸을 얼마나 사랑하는지와는 관계없어 아이 한명의 예를 가지고는 평균적으로 어떤 일이 일어나는지 알기에는 충분한 예라고 말하기는 어려워요. 하지만 2살까지 딸은 아직 귀 감염을 겪지 않았습니다. 행운이 계속 되기를 바라고 있습니다. 추가로, 우리는 이것이 보다 일반적인 보호 효과를 가지고 있는지 보기 위해서 더 많은 아이들과 함께 임상 실험을 시작하고 있습니다.

8:26 어떻게 태어나는지가 처음에 어떤 미생물들을 가지는데 큰 영향을 미친다면 그 다음에는 어떻게 되는 것일까요? 여기 다시 보여드리는 것은 인간 미생물군유전체 프로젝트의 데이터로 만든 지도입니다. 각 점들은 250명의 건강한 성인의 몸의 한 지점을 나타냅니다. 여러분은 아이들이 신체적으로 자라는 것을 보셨을 것입니다. 또 아이들이 정신적으로 자라는 것도 보셨겠죠. 이제 처음으로 여러분은 제 동료의 아이가 미생물학적으로 자라는 것을 보실 것입니다. 우리가 이제 살펴볼 것은 소화관을 나타내는 배설물 미생물 집단입니다. 한 아기의 배설물로부터 2년반 동안 매주 채취한 겁니다. 자, 첫번째 날부터 시작하죠. 무슨 일이 벌어지는지 보겠습니다. 소아는 이 노란색 점에서 시작합니다. 질 군집에서부터 시작하는 것을 보실 수 있습니다. 아기가 태어난 방식으로부터 예상해 볼 수 있죠. 그리고 2년 반동안 일어나는 일은 아래쪽에 있는 건강한 지원자들의 배설물 집단과 닮는 방향으로 계속해서 나아가는 모습입니다. 흘러가도록 두겠습니다. 무슨 일이 일어나는지 보죠.

9:25 각 단계가 단지 한 주에 해당한다는 것을 기억해주십시오. 여러분이 보고 계신 것은 한 아이의 한주 한주 미생물 군집의 변화입니다. 한주 한주의 변화가 바닥 쪽에 갈색으로 보이는 인간 미생물유전체 프로젝트에 참여한 건강한 각 성인 사이의 차이보다 훨씬 더 크다는 것을 알 수 있습니다. 그리고 아기가 성인 배설물 군집에 다가가고 있는 것을 볼 수 있습니다. 여기까지가 약 2년에 해당하는데, 이제 굉장한 일이 막 일어나려 해요. 귀 감염에 대한 항생물질을 가지기 시작합니다. 군집에서 이런 커다란 변화가 일어난 후에는 상대적으로 빠른 회복을 보이죠. 되감기를 해드리겠습니다. 여기에서 볼 수 있는 것은, 단지 수 주 동안의 훨씬 더 급진적 변화, 수개월에 달하는 일반적인 발달의 지연, 상대적으로 빠른 회복, 그리고 이 비디오의 마지막 부분인 아기가 838일이 될 쯤이면 기본적으로 건강한 성인의 배설물 집단에 근접한 것이 보입니다. 항생물질의 침입이 있었음에 불구하구요.

10:26 이것은 매우 흥미로운데요, 아이의 각기 다른 나이에 관여한다면 어떤 일이 일어날지에 대한 근본적 질문을 가지게하기 때문입니다. 미생물군집이 매우 빠르게 변하는 초기에 일어나는 일들이 영향이 매우 클까요? 아니면 폭풍우 치는 바다에 돌 하나를 던지는 것처럼 물결이 그냥 사라져버리고 말까요? 놀랍게도, 어린 아이에게 생애의 첫 6개월동안 항생제를 주면 항생제를 받은 적이 없거나 나중에 받은 경우보다 비만이 될 가능성이 훨씬 더 높다는 것이 밝혀졌습니다. 우리가 초기에 행하는 일들이 이제 우리가 이해하기 시작한 소화관 미생물 군집과 이후 건강에 커다란 영향을 미치고 있을 수도 있습니다. 이것은 굉장히 매력적인 일입니다. 항생제가 항생제 면역력을 가진 박테리아들에게 미치는 매우 중요한 영향에 추가로 우리 소화관 미생물 생태계를 나쁘게 만들고 있을 수도 있기 때문입니다. 어쩌면 이집트인들이 방부처리를 위해 뇌를 밖으로 꺼내기 전 곤죽을 만들기 위해 사용했던 금속 도구에 대한 비슷한 공포감으로 항생제를 바라보게 될지도 모릅니다.

11:26 저는 미생물들이 매우 중요한 역할을 하고 있다고 이야기 했죠. 지난 몇년에 거쳐 미생물 역할이 여러 다른 질병과 관계가 있다고 밝혀졌죠. 염증성 장 질환, 심장병, 대장암, 심지어 비만까지도 말이죠. 비만은 여러가지 요인들이 작용하는 걸로 판명되었죠. 이제 소화관 미생물을 살펴보면 여러분이 날씬한지 비만인지를 90%의 정확도로 예측할 수 있습니다. 어떤면에서는 인상적이지만 다른 면에서 이 방법은 의료 검사로는 다소 문제가 있습니다. 소화관 미생물들에 대해서 전혀 모른다고 하더라도 이들 중 누가 비만인지 쉽게 알 수 있기 때문입니다. 하지만 완벽한 유전자 지도를 가지고 인간 DNA를 전부 가지고 있더라도 누군가가 비만인지 아닌지는 60% 정확도만 가능합니다. 그건 경이로운 거예요, 그렇죠? 여러분이 지니고 다니는 3 파운드 중량의 미생물이 유전체 안에 있는 각 유전자들보다 건강 상태에 훨씬 중요할 수 있어요.

12:22 쥐로는 더 많은 것을 할 수 있어요. 쥐에서는 미생물이 다양한 모든 추가적인 조건들과 관련이 있어요: 다발성 경화증, 우울증, 자폐증, 비만같은 것이죠. 하지만 질병과 상관관계가 있는 미생물적 차이가 원인인지 아니면 결과인지 어떻게 알 수 있을까요? 한가지 시도해볼 수 있는 것은 멸균 공간에서 아무런 미생물도 가지지 않도록 쥐 한마리를 키워보는 것입니다. 그리고는 중요할 것 같은 미생물들을 추가해 보고 무슨 일이 일어나는지 보는거죠. 비만인 쥐에서 미생물들을 수집한 후에 멸균 상태에서 아무런 미생물이 없도록 키워진 유전적으로 일반적인 쥐에게 미생물을 옮겨주면 일반 쥐에서 미생물을 가져온 경우보다 뚱뚱해집니다. 이런 일이 일어나는 이유가 정말 놀랍습니다. 무슨 일이 일어나냐면, 가끔은 미생물들이 같은 음식이더라도 더 효율적으로 소화시키도록 돕고 따라서 쥐들이 음식으로부터 더 많은 에너지를 섭취합니다. 하지만 어떨 때는, 미생물이 쥐의 행동에 영향을 미칩니다. 어떤 미생물들은 보통 쥐들보다 많이 먹도록 만듭니다. 그래서 그냥 먹도록 두면 계속 뚱뚱해지는 것이죠.

13:23 정말로 굉장하지 않습니까? 미생물이 포유류의 행동에 영향을 미칠 수 있다는 의미입니다. 아마 다른 종들간에도 이런 일들을 할 수 있는지 궁금해하실 수 있겠죠. 비만인 사람에게서 미생물을 수집한 후 멸균으로 키워진 쥐에게 이식을 해주면 날씬한 사람에게 미생물을 받은 쥐보다 더 뚱뚱해진다는 것이 밝혀졌습니다. 체중이 증가하는 것을 막는 미생물을 접종할 수 있도록 미생물 군집을 설계할 수도 있습니다.

13:54 영양실조에 대해서도 비슷한 일을 할 수 있습니다. 게이츠 재단이 펀딩한 한 프로젝트를 통해 우리는 심각한 영양실조의 일종인 단백질 결핍성 영양실조를 가진 어린이들을 살펴보고 있습니다. 이 어린이들로부터 미생물을 이식받은 쥐들은 단지 3주 동안에 30%의 체중을 잃었습니다. 하지만 우리는 병원에서 아이들에게 사용되는 땅콩 버터 기반의 보충제와 단백질 결핍성 영양실조인 어린이의 건강한 쌍둥이로부터 채취한 건강한 미생물군을 투여해서 쥐를 다시 건강하게 만들었습니다. 이것은 굉장한 일입니다. 개개인의 미생물 군집을 가지고 모든 종류의 다른 쥐들에게 치료 실험을 해볼 수 있고 또 개개인에 맞는 방식으로 치료 방법을 맞출 수 있기 때문이죠.

14:37 저는 모두가 이 발견에 참여해 볼 수 있는 기회를 가지는 것이 매우 중요하다고 생각합니다. 그래서 우리는 몇년 전에 이 미생물 지도에 여러분이 여러분의 자리를 요청할 수 있는 미국인의 소화관이라는 프로젝트를 시작했습니다. 이 프로젝트는 저희가 알고 있는 가장 큰 집단 과학 프로젝트입니다. 8천명이 넘는 사람들이 이 프로젝트에 참여했습니다. 참가자들이 자신들이 샘플을 보내면 우리는 샘플에 있는 미생물의 DNA를 해독한 후에 결과를 보내줍니다. 추가적으로 모두가 데이터에 접근할 수 있도록 데이터를 익명화한 후, 과학자, 교육자, 관심있는 대중들에게 이 데이터를 공개합니다. 한편으로는 이상하게도, 바이오 프론티어 기관에 있는 저희 랩을 남들에게 소개시켜줄 때 우리가 똥을 관찰하기 위해서 로봇과 레이저를 사용한다고 설명하면 아무도 궁금해하지 않더군요. (웃음) 하지만 여기 있는 분들은 궁금해하실 수 있을 것 같아서 궁금한 분들을 위해 직접 쓰시도록 도구를 조금 가져왔습니다.

15:34 우리가 왜 이런 일을 하고 싶어할까요? 미생물은 우리가 어떤 건강 상태인지 알 수 있도록 할 뿐 아니라 질병을 치유할 수 있도록 하기 때문에 매우 중요하다고 볼 수 있습니다. 이것은 미네소타 대학교의 동료와 함께 시각화할 수 있었던 가장 최신의 데이터입니다. 인간 미생물 군집의 지도인데, 우리가 관찰하는 것은, C. diff 균을 가진 분들의 사례를 더하겠습니다. 하루에 20번씩 화장실을 가야하는 정말 최악의 설사병의 형태입니다. 이 분들은 이 실험을 하기 전에 2년 동안 항생제 치료를 했지만 실패했습니다. 아래 쪽에 별로 표시된 건강한 기증자들의 변으로부터 채취한 일부를 환자들에게 이식하면 어떻게 될까요? 이로운 미생물들이 해로운 미생물들과 싸워서 건강을 되찾도록 도와줄까요? 무슨 일이 일어나는지 살펴보겠습니다. 4명의 환자들에게 아래쪽의 건강한 기증자들의 것을 이식하기 직전입니다. 즉각적으로 소화관 군집에 급진적인 변화가 일어나는 것을 볼 수 있습니다. 이식을 한 후 하루 뒤에 모든 증상이 사라졌고 설사도 사라졌고, 근본적으로 건강도 회복해서 기증자들의 군집상태와 유사하게 된 후 그 상태를 유지합니다. (박수)

16:48 우리는 아직 발견 초기에 있습니다. 우리는 미생물이 여러종류의 질병에 영향을 미친다는 사실을 알게 됐죠. 염증성 장 질환에서 비만, 어쩌면 자폐증과 우울증까지도요. 우리가 앞으로 더 해야할 일은, 일종의 미생물에 대한 위치확인장치를 만들어서 우리가 어디에 있는 지 뿐만 아니라 어디로 가고 싶은지, 그리고 목적지에 도달하려면 무엇을 해야하는지 알도록 말이죠. 또, 아이도 사용할 수 있을 만큼 단순하게 만들어야 해요. (웃음)

17:16 감사합니다.

17:18 (박수)

[신천옹]

<미생물 세계의 발견>은 토성분자의 발견.

[신천옹]

미생물 연구가 진화하면 <토성분자 합성법>의 진면목이 밝혀질 것입니다.