미생물
微生物, microorganism
사람의 육안으로 볼 수 있는 한계 영역을 넘어선 0.1mm 이하의 크기인 작은 생물을 말한다. 따라서 생물체의 분류학적 의미는 없는 용어이긴 하다. 세계에서 제일 큰 균류인 버섯은 예외이며, 특히 여과성 미생물이라고 하면 바이러스를 뜻한다.
미생물 하면 생각날 법한 대표적인 것들로 박테리아, 진균, 원생생물, 조류 등이 있다. 그런데 이들은 사실 생물의 세 역에 모두 걸쳐있다. 특히 세균역 전체, 고균역 전체, 진핵생물역 중 조류와 원생동물이 이에 속한다. 당연히 현미경의 발명 전까지는 알려져 있지 않았다. 주로 단일세포 또는 균사로 몸을 이루며, 생물로서 최소의 생활단위를 유지한다. 이들은 습기만 있으면 지구상 어디에서나 살 수 있으며 생명체들과 매우 밀접한 관계에 있다.
관찰
현미경으로 관찰한다. 현미경을 통해 관찰한 외모만으로는 확실히 할 수 있는 부분은 대분류, 즉 진균, 원생동물, 조류, 세균, 고균 등의 판단 정도이다. 자세한 관찰을 위해서는 여러 염색방법과 다양한 현미경 등을 사용하여 비교하는 것으로 그 분류를 확실하게 할 수 있다.
그 예로, 세포벽을 가지고 있는가 없는가를 통해 진핵동물과 식물-세균류를 분류 가능하며 세균세포벽의 유무를 통해 식물, 세균, 고균 등을 분류하여 관찰한다.
배양과 콜로니
일반적인 방법으로 배지 위에서 배양시켜 콜로니를 형성하면 그 색, 모양 등으로 판단한다. 콜로니 하나에 한 종만 있게 된다. 이러한 모양과 색, 냄새 등을 모폴로지(Morphology)라고 하고 배양 조건에 따라 매우 다양하게 나타난다. 색 또한 흰색 노란색과 같이 일반적인 것부터 녹색 보라색과 같이 특이한 것까지 쉽게 볼 수 있다. 같은 종이라 하더라도 같은 조건하에서 2개 이상의 모폴로지를 보이는 경우도 있으며 이러한 경우도 매우 쉽게 나타난다.
그러나 모든 미생물들이 콜로니를 형성하는 것은 아니다. 사실 실제로 실험실에서 배양이 가능한 미생물은 극히 드물며 순수배양이 되지 않으므로 실험이 거의 불가능하다. 이 경우 분리 배지에서 배양할 수 있다.
오해와 통념
유산균은 만병통치약이다. 또는, 유산균은 금속이 닿아도 안 죽기 때문에 금속으로 먹어도 괜찮다.
확실히 요구르트는 산성이므로 금속 용기에 보관하는 것이 좋지는 않겠지만, 문제는 이 소문을 믿는 사람들이 스테인레스 숟가락이나 용기도 쓰지 말라고 주장한다는 점이다. 애초에 식품회사에서 유산균 발효와 효모 배양 등의 대량생산에 쓰이는 모든 기구들이 스테인레스로 만들어져 있으므로, 당연히 이 소문은 과학적 근거가 없다. 유산균이 만병통치약인 것처럼 홍보되는 것 역시 사실이 아니다. 그냥 흔한 무가당 요플레가 만병통치약이라고 주장하는 것과 거의 같다.
단, 은(silver)식기는 예외다. 은 자체에 살균효과가 있기 때문에 균이 죽을 수도 있다. 물론 스테인레스에는 은이 포함되어 있지 않아서(철+크롬+니켈 합금이다.) 사용해도 상관없다.
양변기는 세균들로 득실득실거리는 더러운 물건이다.
흔히 "○○○, 서울역 화장실 변기보다 더러워" 같은 제목으로 뉴스 기사가 작성되곤 하지만, 사실 수세식 변기는 생각만큼 세균이 많지 않다. 그 이유는, 세균들은 유기물로 가득한 습한 곳에서 잘 번식하는데, 변기처럼 매끈하고 건조한 표면은 세균이 번식하기엔 악조건이기 때문이다. 반면 지하철 좌석이나 스마트폰, 마우스 등은 수분 내지는 사람의 손에서 묻어나온 기름 및 각질로 덮여있기 때문에 이런 것들을 영양분 삼아 세균이 잘 번식한다.
어떤 신약이 개발되면 세균들은 곧 그 약의 허점을 찾아내어 반격할 수 있는 메커니즘을 만들고, 이것이 바로 내성이다.
아주 틀린 말까진 아니지만, 내성이라는 개념에 대한 상당히 단편적인 이해라고 할 수 있다. 쉽게 말하면 내성 역시 어쨌건 진화론의 기본법칙을 철저히 따른다. 즉 신약이 작용하기 시작하면(환경압), 거의 대부분의 세균들은 싹 절멸해 버리고 만다. 그런데 개중에는 돌연변이로 인해서 그 신약에 조금 더 잘 버틸 수 있는 세균들이 일부 있을 수 있다. 이는 세균이 항생제에 대처하기 위하여 의도적으로 만든 변이가 아니고, 자연 상태에서 완전 무작위로 발생하는 돌연변이가 마침 그 항생제에 대한 내성을 띄는 형질이었을 뿐이다. 즉 용법과 용량을 지키지 않고 약을 복용하면(체내 항생제 농도가 일정하게 유지되지 않으면), 이들 세균이 다시 증식함으로써 해당 신약에 조금 더 잘 저항하는 자기네 유전자를 더 많이 남기게 되는 것이다. 이것이 수회 반복되다 보면 비로소 "내성균"이라는 개념에 어울리는 변종 세균들이 만들어지는 것. 이를 막으려면 해당 신약의 약효가 장기적이고 철저하게 작용하도록 하여 세균들이 증식할 기회를 주지 않고 철저하게 사멸하도록 해야 한다.
모기약 뿌려서 쉽게 죽는 모기들은 그 수가 줄어들고, 잘 죽지 않는 모기들은 그만큼 더 흔하게 발견되는 것과 완전히 똑같은 원리다. 마찬가지로, 사람 눈에 잘 띄는 비행패턴을 보이는 모기는 더 쉽게 죽고, 쉽게 찾기 힘든 비행패턴을 보이는 모기는 자기 유전자를 남길 가능성이 더 높은 것과도 같다.
항생제 내성균을 가진 현대인이 판타지 세계나 과거 세계로 타임슬립을 한다면, 현지에는 강력한 질병의 유입으로 인한 대참사가 일어날 것이다.
과거 구대륙의 질병(예 : 천연두 등)이 신대륙에 퍼져 많은 원주민들이 죽었다는 역사적 사실에 기인한 인식이다. 그러나 현대에 갑자기 등장한 일부 강력한 전염성을 지닌 SARS, 코로나 19 같은 것이 아니라면, 단순히 특정 항생물질에 대한 내성을 갖추었다고 해서 강력한 전염성을 유지하리라 장담할 수는 없다. 이런 균들은 항생제 따위는 전혀 없는 세계에서 그들의 장점을 전혀 활용할 수 없을 것이며, 토착 미생물과 얼마간 경쟁하다가 밀려서 사멸할 가능성이 더 높다. 이는 항생제에 대한 내성을 갖추기 위해 일부 손해를 감수하기 때문인데 온전히 분열에만 신경쓰는 게 아니라 항생제가 존재하는 환경에서의 생존이 최우선 목표가 되다보니 분열능력은 떨어진다. 자연히 경쟁에서 우위를 차지하기 어렵다. 흔히 "슈퍼 박테리아" 라는 표현이 있기는 하지만 이것도 어디까지나 항생제를 상대로 잘 버틴다는 것이지 그 자체가 만능이라는 뜻은 아니다.
에이즈를 일으키는 바이러스는 전염성이 극도로 강하며, 국가에서 격리시키고 통제하지 않으면 들불 일듯이 걷잡을 수 없는 속도로 전염되는 "대유행" 이 벌어지게 될 것이다. 또는, 에이즈는 그 강력한 전염성을 눈여겨 본 일부 국가들에 의해 군사용 무기로 개량된 것이다.
에이즈의 전염력은 다른 전염병들과 비교해 볼 때 무척 낮은 편에 속한다. 가장 전염력이 큰 것은 공기를 통해 전염되는 것으로, 감기, 홍역도 그런 전염병 중 하나다. 그 다음으로는 입에서 튀기는 침, 즉 "비말" 을 통해 전염되는 것으로 메르스, 코로나19가 대표적. 그 다음으로는 식수원을 통해 퍼지는 수인성 전염병이 있고, 수해지역에서 가장 문제가 되는 보건상황이 바로 수인성 전염병의 확산이다. 많고 많은 유형 중에 에이즈는 체액끼리 직접 접촉했을 때 전염되는 종류에 속하는데, 이는 위의 사례들과 비교하자면 전염되기가 무척 어려운 축에 든다. 이런 걸 군사무기로 만드느니 차라리 신종 독감을 비밀리에 개발하는 것이 훨씬 빠르게 먹힐 것이다.
에이즈가 무서운 것은 전염성 때문이 아니라 바이러스가 면역계 세포들을 직접 공격한다는 점 때문이다. 에볼라가 무서운 이유도 마찬가지. 우리 신체를 적들로부터 지켜 줄 세포들부터 제일 먼저 무너지게 되고, 그 결과 걷잡을 수 없이 세균과 바이러스들이 쏟아져 들어오게 되면서 되는 것이다. 즉, 걸리기는 매우 어렵지만, 일단 걸리면 그대로 끝인 병인 것. 물론 현대의학의 발달과 HIV의 거듭된 변이로 독성이 약해져, 에이즈를 완치까지는 아니더라도 적절한 치료를 통해 정상적 생활이 가능하게끔 도울 수 있을 수준까지 발전했다.
웨스트 체스터 대학의 러셀 브릴랜드 박사의 실험에 의하면 수면 상태의 미생물(세균)을 4달 동안 영양분을 주입 시도를 한 후 2억 5천만년 만에 되살아나서 증식을 시작했다.
2010년대 후반부터 장내 미생물 연구가 각광을 받고 있으며 치매 같은 뇌질환이 장내 미생물과 밀접한 연관이 있다는 것이 연구를 통해 드러나고 있다. 이를 이용한 치료 역시 개발 중이다. 흔히 똥이식이라 불리는 그것으로 생로병사의 비밀 2019년 12월 11일 방영에서 장내 미생물에 대한 내용을 다루기도 했고, 국내에서 대변 이식을 받은 사람들의 사례를 보여주기도 했다.
음식 섭취로 장내 미생물을 변화시켜준다는 연구결과가 나왔다.
장(腸) 내 세균
최근 수년간 인간과 미생물에 대한 강의나 신문 기사에서 빈번하게 언급돼 눈길을 끌던 내용은 인간의 세포수보다 10배나 더 많은 미생물이 우리 몸에 존재하고 있다는 주장이다.
세균:인간(B:H)의 세포수 비율이 10:1이라면 그렇게 많은 미생물이 우리 몸에 살고 있다는 사실에 놀라게 된다. 이 때문에 청중이나 대중의 관심을 끄는데 매우 효과적인 포인트로 사용됐다. 그러나 놀랍게도 세균수에 대한 이 거대한 숫자는 명확한 근거가 없는 것으로 알려졌다. 불확실한 내용이 그동안 검증 없이 논문에 계속 인용돼왔고 다양한 미디어에서도 등장해 대중들에게 알려졌다.
그렇다면 세균:인간(B:H)의 세포수 비율 10:1이라는 비율은 어디에서 기원한 것일까?
이스라엘의 와이즈만 연구소의 Sender 등이 네이처와 사이언스를 비롯한 유수의 학술지에 출간된 논문에서 "인간에 공생하는 세균의 수는 100조개 혹은 인간의 세포수보다 10개가 많다"라는 문장에 대해 참고문헌으로 제시된 논문들을 찾아봤다.
대부분의 논문은 1977년 Savage의 논문을 인용하고 있는데, 이 논문에서는 "인간은 약 1013개의 진핵세포로 이뤄져 있고 피부와 장에는 약 1014개의 원핵 및 진핵세포가 존재한다. 그러므로 인간은 100조개 이상의 세포로 구성되는데 그중에 10% 정도만 동물(=인간)의 세포이다"라고 기술돼 있다. 그런데 이 논문 역시 더 오래된 1972년 Luckey의 글을 인용한 것이었다.
Luckey는 장의 부피를 약 1L(약 1kg)로 정하고, 그 안에 들어있는 장내용물 1g당 1011개의 세균이 존재한다고 가정해서 장내 미생물의 총 수를 1014개로 대충 계산한 것이다. 대부분의 논문에서 참고문헌으로 1972년 Luckey의 글 대신 1977년 Savage 논문이 인용된 이유는 이 원고가 정식 논문이 아니고 제2회 Intestinal Microecology(장내 미생물 생태학) 국제 심포지움 책자의 서문이었기 때문이다.
또 B:H는 10:1이라는 비율이 나오는 계산에서 세균의 수 뿐만 아니라 인간 세포의 수도 계산방법에 따라 다양한 결과가 나올 수 있는데, Luckey의 계산에서 사용된 인간 세포수 1013개는 근거조차 제시하지 않는다. 그만큼 검증 없이 대충 계산됐다는 것이다. 의심하는 것을 전문으로 하는 의생명 과학계에서 이 내용이 무려 40년간 그대로 사용됐다니 정말 놀라운 일이다.
2014년에 와서야 이 비율에 대한 의문이 제기됐고 2016년 Sender 등이 새로운 계산방법을 통해 새로운 B:H 비율을 보고했다. 이 연구에서는 인간의 세포수도 다시 계산했는데, 적혈구가 세포의 무게로는 체중의 4%밖에 되지 않지만 숫자로는 전체 세포수중 70%를 차지하는 것으로 나타났다. 이어 신경교세표(8%), 혈관내피세표(7%), 피부 섬유세포(5%), 혈소판(4%), 골수세포(2%) 등이 인간 세포수의 대부분을 차지했다.
세균수를 계산할 때는 세균의 대부분이 존재하는 대장의 내용물 무게를 남녀 각각 420g과 480g으로 참고치를 삼아 계산했다. 이렇게 계산해보면 B:H 비율이 70kg 표준 남성의 경우 1.3:1(38조:30조), 그리고 63kg 표준 여성의 경우 2.2:1(44조:21조)였다.
또 세균의 숫자가 인간세포의 수보다 10배나 많다는 주장만큼 많이 언급되는 것은 세균총의 유전자수가 인간의 유전자수보다 월등히 많다는 내용이다. 유전자수를 한번 대략적으로 계산해보자. 대장내에 1000세균종이 존재하고 각 종마다 2000개의 유전자를 가지고 있다면 결과적으로 대장내에는 약 200만개의 세균 유전자가 존재한다고 할 수 있다. 이는 인간 유전자가 약 2만개로 알려져 있으므로 우리 몸 안에는 인간의 유전자에 비해 세균의 유전자가 100배 더 많이 존재하는 셈이다. 이 유전자 비율은 단순하게 세포 숫자가 10배 더 많다는 이전의 주장보다 공생 세균의 중요성을 강조함에 있어 더 효과적으로 영향력을 가진다.
우리 몸의 세균수에 대한 논란은 40여년간 별 생각없이 회자되던 주장을 다시 확인해야 할 만큼, 공생 미생물총의 중요성이 커진 것과 함께 최근 엄청난 양의 연구결과가 계속 나오고 있다는 것을 의미한다. 이미 5년전에 발표된 내용이지만, 여전히 일부 연구자들은 오래된 논문의 서론을 베끼다 보니 명확한 근거 없이 계산된 '10:1'이라는 비율을 강의나 논문을 작성할 때 계속 언급하고 있다.
물론 B:H 비율이 10:1에서 1.3~2.2:1로 줄었다고 해서 우리 몸의 미생물총이 가지는 건강과 질병에서의 중요성이 줄어드는 것은 아니다. 사실 이 주장은 그동안 인간에 공생하는 미생물총의 중요성을 강조하고 대중의 관심을 끄는데 그 역할을 충실히 다 했다고 할 수 있다. 또 새로 보고된 B:H 비율 역시 진균, 바이러스, 박테리오파지 등 세균외의 다른 미생물을 고려하지 않은 것이기 때문에 정확하다고 할 수 없다. 지금도 미생물총에 대한 연구는 빠르게 발전하고 있고 새로운 내용이 쏟아질 것이다.
체 세포와 장내 미생물
인체는 많은 세포로 이루어져 있고, 세포의 종류도 줄기세포, 피부세포, 장내 세포, 신경세포, 지방세포, 적혈구, 백혈구 등 다양한 형태의 세포가 우리 몸속에 존재하고 있다. 가장 쉽게 우리 세포를 볼 수 있는 것은 목욕할 때 피부를 문지르면, 밀려서 나오는 “때”가 죽은 피부세포가 뭉쳐서 생긴 것이다.
그럼, 우리 몸에는 인체가 만든 세포만 살고 있는가? 그렇지는 않다. 단세포 원핵생물인 박테리아와 같은 세균과 효모(Yeast)와 같은 진핵생물도 인체와 공생하면서 상호 도움이 되기도 하지만 어떤 종류의 미생물은 인체를 해롭게 하는 병원균으로 상처를 곪게 염증을 일으키거나 감염병을 전파하여 심지어 인간을 죽게 하기도 한다. 인간과 함께 사는 미생물은 외부 공기와 연결된 입에서 항문까지 연결된 장기들과 공기와 접촉되는 기관지, 폐는 물론 피부, 머리카락, 생식기 등 모든 부분에 미생물이 존재하고 심지어 인간의 세포 수보다 휠씬 많다고 발표되어온 터라 사람이 인간인지, 미생물 균총(Microbiota)의 집합체인 마이크로바이옴 (Microbiome)인지 모르겠다는 농담을 하기도 한다.
하지만, 외부와 연결된 장기나 공기와 접촉하는 외부가 아닌 인간의 내부 기관인 간, 신장, 쓸개, 혈관 등은 철저하게 미생물과 격리되어서 거의 무균상태를 유지하고 있다. 하지만, 많은 환자가 회복하기 힘든 정도로 허약해지면 철저하게 격리된 혈관으로 미생물이 침입하면 패혈증이 발생하여 최종 사망의 원인이 패혈증으로 기록되기도 한다.
이런 인간에 공생 또는 기생하는 미생물과 인간 세포는 불가분의 관계를 맺고 있어서 인체의 건강과 질병에 영향을 주고 있다. 하지만, 인체의 장기와 연관이 있는 미생물들은 대부분이 현재 과학기술로는 키울 수 없는 난배양 (難培養) 이라, 현재는 차세대염기서열분석(Next Generation Sequencing)기술로 미생물의 유전체를 확인하여 존재를 확인하고 있고, 건강이나 질병이 발생할 시 미생물 유전체의 변이를 측정하여 인간 생리 대사활동에 영향력을 측정하고 있다. 배양이 가능한 몇 가지 장내 미생물은 난치병 치료에 영향을 미친다는 결과가 많은 저명학술지에 발표되면서 화학 약물이나 단백질 신약으로 치료할 수 없는 미생물 신약인 마이크로바이옴 신약이 세계 시장에 대두하고 있다.
세포의 종류는 다양하게 존재하는데 신호를 전달하는 신경세포, 피부를 보호하는 표피세포, 운동을 담당하는 근육세포, 에너지를 저장하는 지방세포, 외부물질이나 생물로부터 몸을 보호하는 면역세포 및 백혈구, 생식하는 난자, 정자세포, 골격을 유지하는 뼈세포, 소화기관에서 영양분을 흡수하는 소장 상피세포, 혈액 내에서 산소를 전달하는 적혈구, 소장이나 대장에서 끈끈한 점액질을 술잔 모양에 담았다가 흘러넘치며 방출하는 배상(술잔)세포, 기능이 미분화된 줄기세포 등이 존재한다.
인간 세포 종류별로 세포 수와 무게를 비교하면 세포 수가 가장 많은 세포는 적혈구로 20~30X1012 개로 인간 세포 수의 84%를 차지하고 근육세포는 0.001%를 차지하지만, 무게를 비교하면 가장 많은 수의 적혈구는 70Kg 체중(세포외액과 혈장을 빼면 진짜 체중은 47kg 임)인 정상인의 체중의 2.5%인 1.175kg(47x 2.5%)이고, 세포 수는 적지만 무게로 비교하면 근육세포는 체중의 43%를 차지하여 20.21kg을 차지한다. 실제 체액을 뺀 47kg(70kg 체중 정상인)인 정상인의 70%가 근육세포(20kg)이고 세포 수로는 0.2%인 지방세포가 13kg을 차지하고 있다.
또한, 세포의 수명은 각기 다른데 적혈구는 120일, 백혈구는 2~5일, 소장 외피 세포는 2~4일, 위 세포는 2~9일, 허파의 허파꽈리는 8일, 혈소판은 10일, 혀의 맛을 느끼는 미뢰는 10일, 장의 창자 세포는 20일, 뼈 파골세포는 2주, 피부 표피세포는 10~30일, 조혈모세포는 2개월, 정자는 2개월, 뼈모세포는 3개월, 간세포는 6개월~1년, 지방세포는 8년 등으로 교체되지만 뇌 신경세포와 눈의 수정체는 사람의 수명과 같아서 평생 교체되지 않는다고 한다.
이스라엘 와이즈만연구소 (Weizmann Institute of Science)의 생물학자 론 센더 (Ron Sender)와 론 마일로(Ron Milo)에 따르면, 사람의 몸은 하루에 약 3,300억 개의 세포(80g)가 새로 만들어지고 사라진다. 이에 따르면 사람의 몸은 초당 380만 개 이상의 새로운 세포로 교체되고 있다. 하지만 교체되는 세포 대부분은 혈액세포(86%)와 장에 있는 세포가 주를 이루고 나머지 세포는 교체되는 세포 수의 2% 미만을 차지하고 있다. 결국, 하루에 교체되는 세포별 숫자를 이해하면 인체의 기능과 건강과 질병에 세포 순환이 어떻게 작용하는지 더 많은 이해(The Science Times(2021))를 할 수 있을 것이다.
그럼 인간은 몇 개의 세포로 이루어졌는가? 이런 질문에 처음으로 인체 미생물 수를 추정한 것은 1970년 우크라이나(Ukraine)에서 태어난 미국 과학자 테오도시우스 도브잔스키(Theodosius Dobzhansky)가 쓴 “Genetics of the Evolutionary”에서 인체에는 대략 10조 개의 세포로 이루어졌다는 것을 인체를 구성하는 원자가 7X 1027개가 있다는 데서 추정하여 기술하였다. 하지만, 상당히 오랫동안 알 수 없는 연유로 사람의 세포 수는 60조 개라는 것이 정설처럼 사용되었다. 테오도시우스 도브잔스키가 예상한 것보다 무려 6배나 많은 것이다.
인간 세포 수는 사람의 부피로 계산하는데, 체중이 100 Kg 인 사람의 부피는 약 0.1 m3 (물 1L는 0.001 m3, 100x 0.001=0.1)이다. 포유동물의 평균 세포 크기 103-104㎛³ (10-15~10-14 m3)로 보고되고 있어서, 세포 한 개의 평균10-12~10-11kg 무게는 100kg의 사람이 0.1m3이기 때문에 1m3에는 대략 100kg/0.1= 1,000kg으로 하여 10-12~10-11(10-15~10-14 m3 x1,000)kg으로 하였다. 체중을 세포 한 개의 무게로 나누면, 결국, 100/(10-12~10-11)=1013-14개의 세포가 70kg 체중 사람에게는 2.5X1013개 이다.
이중 적혈구의 세포 수는 총 인체 세포 수의 84%를 차지한다. 그 외 지방세포가 1.6%, 골수세포가 2.5%, 혈소판이 4.9%, 혈관내피세포가 2.1%를 차지한다. 비만한 사람과 마른 사람은 지방세포가 각각 80±10x109, 40±10x109 으로 비만한 사람이 2배나 지방세포가 많은 것을 알 수 있다. 인간의 세포 수는 테오도시우스 도브잔스키가 주장한 10조 개로 추정하고 장내 미생물 수는 1972년 미국 미생물학회지에 새비지(Savage)가 사람 분변 1g에 있는 박테리아 수를 1,000억 개로 분석하였고 이를 근거로 사람 내장 내에 소화 중인 음식물이 1,000g임을 고려하여 100조 개(1,000억 개/g X 1,000g=100조) 의 장내 미생물이 있다고 추정하였다.
이런 근거로 앨러나 콜렌(Alanna Collen)이 쓴 “10% Human”이란 책 제목은 '인간은 10%의 인간 세포와 90%의 미생물로 구성되어 있다'는 의미이다. 결국, 장내 미생물이 인간 세포 수보다 10배 많다는 뜻으로 인간 건강과 질병에 장내 미생물 균총(Microbiota)의 중요성을 강조하였다. 미생물은 무게와 크기가 작아서 우리 몸에 있는 미생물 무게의 총합은 1.3~2.3 kg으로 추정되어, 실제 체중 70kg의 건강한 보통 사람을 기준으로 하면 체내 미생물의 무게비는 1.86~3.29%를 차지하고 있다고 한다. 여기서 “10% Human”이란 표현은 미생물 전문가가 현재 기술로도 인체 장내 미생물 중 키울 수 있는 미생물이 극히 제한되어서, 어차피 숫자를 센다는 것에 의미를 두지 않고, 매우 많다는 의미로 인간 세포 수의 10배가 인간처럼 살아간다는 데는 동의한 것이다.
미국 국립보건원(NIH)의 유다 로즈너 박사는 인체 미생물 숫자가 인체 세포의 10배라는데 “과학상식”이 나오는데 근거가 부실함을 비판하였고, 결국 이스라엘 와이즈만 생물학연구소 분석하여 인체 세포 개수는 37조 개이고, 1972년 미국 럭키(Lucky)가 미국 임상영양 저널에서 발표한 인체 미생물 숫자는 분변 g당 920억 마리로 초기 분석한 1,000억 개와 비슷하지만, 소화 중인 음식물은 0.41 liter(bioRxiv, 2016)에 불과하다는 것을 밝혀서 총 인체 미생물 수는 39조 개로 알려지고 있다.
인간 세포 37조 개와 인체 미생물 수 39조로 이제 대략 1:1의 비율을 이루고 있어서 이제 '10% Human'이 아니고 정확하게 '50% Human'으로 표시하여야 한다. 이렇게 10%에서 50%로 장내 미생물 개수가 인체 세포와 1:1에 가까운 비율이 된다고 해서 인체 미생물의 중요성이 떨어지는 것은 아니다. 이 점에서 우리가 반드시 알아야 하는 점은 세균은 두 배로 불어나는 속도가 인간 세포와 비교할 수 없이 빨라서 변화에 대한 미생물의 대응은 엄청나게 빠르다. 예를 들어서 가장 흔한 대장균의 경우 불과 15~20분이면 2배로 늘어나 불과 한 시간이면 숫자가 16배로 늘어나고 2시간이면 256배, 4시간이면 65,536배, 8시간이면 약 42억 9,500만배로 불어나서, 만약 초기에 눈에 보이지 않는 극히 작은 1,000만 오염되어도 8시간이면 4.2조 개 이상 불어나는 무서운 번식력 때문에 필자는 숫자는 큰 의미는 없다고 생각한다.
초기의 장내 미생물 총(Microbiota)과 인체와의 관계에 관한 연구는 2012년 Qin등이 저명전문지 Nature에 정상인과 당뇨병 환자의 장내 미생물 총이 상당히 다른 것을 발견하였고 이후, 세인트루이스 워싱턴 대학교 제프리 고든(Jeffrey Gordon ) 교수의 연구팀에 속한 미생물학자 루스 레이(Ruth Ley)의 실험에서 마른 쥐와 비만 쥐의 미생물 총을 비교했더니, 비만 쥐의 경우 마른 쥐에 비해 의간균(Bacteroidetes)은 절반 수준이지만 후벽균(Firmicutes)은 비슷한 수준으로 나타났다. 후벽균을 비만세균이라고 생각했다.
더욱 놀라운 사실은 2013년에 Walker & Parkhill등이 비만하고 마른 쌍둥이 사람의 분변을 각각 채취하여 일란성 쌍둥이의 생쥐에 장내 미생물 총을 이식하였더니, 비만한 쌍둥이에서 이식받은 생쥐는 비만하여 졌고, 마른 쌍둥이에게 이식 받은 일란성 쌍둥이 생쥐는 마른 생쥐가 된다는 사실을 Science지(2013)에 발표하였다. 비만하게 된 생쥐에게 저지방 고섬유의 다이어트 식이 조절을 했는데도 여전히 비만한 결과를 Cell지(2014) 발표하여 지금까지 살이 찌고 비만해지는 이유가 고지방, 저섬유의 과식과 운동량 부족 때문만이 아니라, 장내 미생물의 의해 유발되었을 가능성이 있음을 알 수 있다.
또 다른 실험에서는 비만을 유발하는 미생물이 사람 간 전염될 수 있다는 사실이 밝혀져서 ‘비만세균’이 정말로 있다는 확신을 얻었다. 장내 미생물과 비만과의 관계를 잘 설명한 Jeffrey M. Friedman는 상금으로는 Nobel 상의 3배나 되는 Breakthrough Prize를 받았고 간단하게 <그림 3>과 같이 표현하였다.
우선, 비만에 원인 중 하나는 고열량 지방과 저 섬유 식이 조절을 하게 되면 장내 미생물 총이 바뀌어서 휘발성 짧은 지방산(Short Chain Fatty Acid, SCFA)이 장내에 적게 생기고, 장 점막의 보호 능력dl 저하해서 장 점막 사이가 간격(Cell,2013)이 생기면 염증이 생기면서 장 이상(Dysbiosis)이 발생한다. 나쁜 장내 미생물이 생겨서 장 점막의 손상이 생겨서 염증이 생기면 간 조직 내에 당(Glucose)은 늘어나서 지방간으로 변하고 최종 간 괴사가 일어날 수도 있다. 간 조직에 당이 계속 늘어나면 혈관에는 당이 부족하여 뇌에서는 당이 부족하다고 인지하여 지방세포에서 렙틴(Leptin)을 제어하여 식욕을 없애야 하지만 식욕을 촉진하는 아디포넥틴 호르몬과 같은 지방, 탄수화물 대사를 촉진하여 과체중이 될 수 있다.
만약, 장내 미생물 균총이 정상적이면 장내 미생물이 만든 CFA가 장막을 통과하면 혈관 내에서 포도당을 새롭게 합성(Gluconeogenesis)하는 작용이 활발하게 일어나서 뇌가 영양원으로 쓰는 포도당이 충분하다고 인지하여 식욕억제 호르몬 렙틴을 분비하여 식욕을 떨어뜨려서 먹는 양을 줄여서 정상 체중과 정상적인 신체활동이 일어난다. 아울러 먹은 후 포도당이 충분한데도 불구하고 간에 많이 분포하게 되면 포도당을 조절하는 인슐린(Insulin)이 비정상화되면서 Insulin Sensitivity가 떨어지는 Insulin Tolerance(인슐린 내성)가 생기게 되면서 2형 당뇨병 원인이 되기도 한다.
소화 장기 내의 마이크로바이옴과 뇌신경학 분야에 관한 연구는 하버드대학교가 MIT의 우리나라 허준열, 글로리아 최 부부 박사가 2017년에 Nature지에 장내 미생물을 개선하면 자폐증(Autism)이 걸리지 않는다는 결과를 학문적으로 분석하여 발표하였다. 암 환자의 획기적 치료제로 인정받는 면역관문억제제(Immune checkpoint inhibitor)로 암 치료에 사용할 때도 나쁜 장내 미생물은 가진 환자는 치료가 안 되고, 좋은 장내 미생물을 보유한 환자는 훨씬 치료율이 높다는 Science지(2018) 발표도 좋은 예가 되고 있다.
마이크로바이옴이 질병을 치료할 수 있다는 결과가 많이 발표되면서 이제 마이크로바이옴 신약이라는 용어가 자리 잡기 시작하고 많은 개발이 이루어지고 있다. 신약은 초기에는 주로 “마이신(Mycine)”과 같은 약효가 있는 저분자 화학물질을 천연 또는 합성신약에서 개발되었고, 단백질의 기능이 연구되면서 고분자의 단백질 신약이 지금까지 실용화되었다. 최근 세포배양, 유전자 재조합 및 조작 등의 생명공학 방법을 직간접으로 활용한 단백질 신약이 바이오신약으로 특허가 끝난 모방 의약품인 바이오 시밀러(Biosimilar)와 모방하였지만 개량되어 기능이 향상된 바이오 베터(Biobetter)가 있다.
바이오신약과는 다르게 특허가 만료된 화학약품도 바이오 제너릭(Biogeneric)도 바이오신약 방법으로 생산할 수 있다. 마이크로바이옴 신약은 타인의 건강한 대변을 받아서 건강을 회복하는 대변이식(Transpoosion, poo는 대변)방법이 초기 유래라고 할 수 있다. 항생제 남용, 식습관의 변화, 항균 제품에 대한 맹신 등으로 현대인의 몸속 미생물 조성이 점점 더 악화하여 배앓이가 늘고, 피부는 더욱 민감해지고, 심지어 정신건강이 위협받고 있다. 특히, 클로스트리듐 디피실(Clostridium difficle) 감염증 같은 자가 면역질환은 기존 항생제로는 치료할 수 없어서 심지어 사망하는 환자가 생기기도 한다. 클로스트리듐 디피실 감염병에 걸리면 환자 20%가 전혀 항생제가 듣지 않는데 놀랍게도 대변 미생물 이식하면 86%의 높은 완치율을 보여주는 기적의 치료제(New England J. Medicine(2013))이다.
2022년 12월 미국 식품의약청(FDA)에서는 세계 최초로 마이크로바이옴 치료제를 승인하여 인간의 장내 미생물을 활용한 질병 치료제의 첫 상용화다. FDA는 2022년 11월 30일 스위스 제약사 페링파마슈티컬스이 인수한 리바이오틱스(Rebiotix)가 개발한 클로스트리디오이데스 디피실 감염(CDI) 치료제 '레비요타(Rebyota·RBX2660)'에 대해 정식 승인을 발표했다. CDI(Clostridium difficle infection 는 항생제가 장내 유익한 미생물까지 공격하면서 독소를 생성하는 디피실 균이 증식해 재발률이 높고 사망에 이를 수 있다. 미국에서 CDI로 인한 사망자 수가 연간 1만 5,000명에서 3만 명에 달하는 것으로 추정된다. CDI는 대변 이식 시술법에서 착안하여 인간의 분변에서 추출한 미생물을 정제해 만든 마이크로바이옴 약품으로 직장을 통해서 투약된다. 이런 미생물 총의 마이크로바이옴 제품 승인조치는 앞으로 살아 있는 미생물을 신약으로 개발하는 중요한 이정표가 될 것이다.
사람마다 면역력·약효 다른 이유는 '장내 미생물'
학계에서는 인간의 몸에 살고 있는 미생물이 체세포보다 10배나 많은 100조 개 정도이며, 장 질환을 비롯해 대사 질환, 면역성질환, 암 발생 등 건강에도 영향을 미친다고 보고 있다.
나이가 듦에 따라 면역력이 떨어지는 원인 중 하나로도 장내 미생물이 꼽힌다. 최근 영국 과학자들이 나이가 들면 장내 미생물의 구성이 단조로워지며, 대변이식술로 다시 면역력을 높일 수 있다는 사실을 실험으로 알아냈다.
면역학자인 매리사 스티벡 영국 케임브리지대 바브러햄연구소 박사후연구원팀은 나이든 쥐와 어린 쥐의 장내 미생물을 분석해 비교한 결과, 나이가 들수록 장내 미생물의 다양성이 떨어져 장 활동능력도 떨어진다는 사실을 알아내 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈' 4일자에 발표했다.
연구팀은 어린 쥐의 장내 미생물을 늙은 쥐의 장에 옮기는 '대변이식술'을 시행했다. 그 결과 늙은 쥐의 장내 미생물 구성이 다양해지고 장의 활동, 특히 소화기관에서 면역력이 커지는 것을 확인했다. 연구팀은 대변이식술을 받은 늙은 쥐와 어린 쥐의 장내 면역세포의 수가 거의 비슷하다는 사실도 발견했다.
연구를 이끈 스티벡 박사후연구원은 "사람도 이와 마찬가지로 나이가 들면서 장내 미생물의 다양성이 떨어져 면역력이 낮아지고 결국 장염 등 장 질환에 쉽게 걸리는 것으로 보인다"며 "대변이식술 결과로 봤을 때, 장내 면역력이 한번 떨어졌더라도 프로바이오틱스 섭취 등으로 다시 높일 수 있다"고 추측했다.
그는 "장내 미생물이 면역계와 상호작용하는 만큼 온몸의 신진대사와 뇌 활동에도 영향을 미치는 것으로 보인다"며 추후 연구 계획을 밝혔다.
사람마다 약효 다른 이유도 장내 미생물 탓
앞서 전날인 3일 국제학술지 '네이처'에서는 사람마다 약물에 대한 반응속도가 다른 이유를 장내 미생물에서 밝혀낸 연구 결과가 실렸다. 비슷한 증상 때문에 같은 약을 먹더라도 어떤 사람은 바로 약효가 나타나는 반면, 어떤 사람은 약효가 천천히 나타나거나 잘 안 듣기도 한다.
미국 예일대 의대 마리아 짐머만코가디바 박사후연구원팀은 사람의 장내에서 흔히 서식하는 미생물 76종이 경구용 약물 271개를 대사하는 능력을 실험으로 알아봤다. 그 결과 3분의 2인 176개가 대사하는 것으로 나타났다.
연구팀은 미생물이 내는 효소가 약물 대사에 직접적인 영향을 미친다고 봤다. 사람마다 어떤 미생물을 많이 갖고 있느냐에 따라 약물을 대사하는 능력이 달라진다는 뜻이다.
연구에 참여한 앤드류 굿맨 박사후연구원은 "이 연구 결과를 활용하면 환자에게 가장 효과적이고 안전한 약물을 맞춤형으로 처방하는 데 필요한 바이오마커를 개발할 수 있을 것"이라고 기대했다. .