코로나 증상 악화와 장내미생물

https://mbio.asm.org/content/12/1/e03022-20

고려대학교 김희남교수님이 쓰신 논문을 소개합니다.

최근 신종 코로나 바이러스(이하 코로나) 감염자 수가 급격히 증가하고 있습니다. 감염자 중 일부는 증상이 없이 완치된 경우도 있으며, 일부 환자는 증상이 악화되어 생을 마감하는 사람도 있습니다. 코로나 감염이 시작된 2019 년 12 월부터 현재까지 코로나 감염자의 건강 상태와 회복조건 등 많은 의료 데이터가 공개되었으며, 이러한 데이터는 그 중에서도 고령자나 고혈압, 당뇨병이 있는 사람들은 코로나에 걸리면 증상이 악화되어 사망률이 높아지는 것을 나타냈습니다. 그러나 아직까지 이러한 질병을 갖고 있는 환자들이 왜 코로나 증상이 악화하는지에 대한 원인이 아직 알려져 있지 않습니다. 코로나는 감염력이 강하기 때문에 감염예방을 철저히 해도 감염될 가능성이 높은 것은 사실이라 감염 후 증상이 악화되지 않도록 예방할 수 있을까 고려해야 합니다.

코로나와 장의 관련성
코로나에 감염되어 증상이 악화되어 입원하신 분들 중에 호흡기 증상 외에도 복통, 구토, 설사 등의 소화기관에 관련된 증상이 있는 것이 보고되고 있습니다. 코로나가 증상이 악화되어 입원한 환자 중 일부에는 코로나 바이러스가 소화기 계통의 세포에서 검출이 되었다는 것도 보고되고 있습니다(https://gut.bmj.com/content/69/6/997) . 
또한 코로나에 의해서 사망한 사람의 해부 결과에서 코로나 바이러스는 폐 뿐만 아니라 간, 췌장, 창자, 뇌, 심장과 내장 곳곳에서 검출되었습니다. 추가 연구가 필요하기는 하지만 중증환자는 폐 뿐만 아니라 다른 신체기관에도 코로나 바이러스가 감염되어 있었다는 것을 알 수 있습니다. 그럼 왜 중증환자는 폐 외에도 코로나 바이러스 감염이 일어난 것일까요? 호흡기로 감염이 된 후 코로나 바이러스가 직접적으로 이동할 수 있는 장소는 소화기관 입니다. 신장, 췌장, 심장 등의 내장은 몸 안에, 즉 혈액을 통해 침입 수 있지만 소화기관은 입에서 식도를 통해 위, 소장, 대장을 통과하여 대변으로 다시 체외로 배출되는데, 그 증거로 대변에서도 코로나 바이러스가 검출되었습니다(https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32243607/). 잘 생각해 보면 코로나 감염에 의해서 중증으로 이어질 수 있는 노인, 비만, 고혈압, 당뇨병은 장내 환경의 불균형과 관련이 있습니다. 구체적으로 코로나의 중증 위험군과 장내 환경과는 어떤 관계가 있다고 생각되는 것일까요? 이러한 내용에 대해 최신 연구결과를 정리한 논문을 소개하려고 합니다 (https://mbio.asm.org/content/12/1/e03022-20).

장에서의 코로나 바이러스 감염
코로나 바이러스는 ACE2라는 상피세포에 있는 단백질을 통해 세포에 침입합니다. 이 단백질은 폐에만 있는 것이 아니라 소화기관의 상피세포에도 만들어지기 때문에 코로나 바이러스가 장의 상피세포에 감염할 수 있습니다. 하지만 그러기 위해서는 3 개의 벽을 넘지 않으면 안 됩니다. 첫째, 장에는 약 70 %의 면역세포가 모여 있기 때문에 이러한 면역세포의 공격을 피해야 합니다. 둘째, 장내에는 많은 세균이 존재하고 상피세포에 도달할 때까지 이러한 세균의 벽을 극복하지 않으면 안 됩니다. 셋째, 상피세포는 두꺼운 점액(약 0.7 ㎜)에 싸여 있기 때문에 점액의 벽을 극복하지 않으면 안 됩니다. 노로 바이러스와 같은 장내 감염에 특화된 바이러스는 점액에 감염되어 번식하지만, 코로나 바이러스와 같이 ACE2 단백질을 통해 세포에 침입하는 바이러스는 실질적으로는 장내 감염의 가능성은 매우 낮은 것입니다. 그럼 어떠한 경우에 코로나 바이러스가 장을 통해 감염이 일어날까요?

장내 환경의 불균형이 코로나 바이러스의 침입을 허용
장 내에는 다양한 세균이 살고, 위장과 소장에서 소화되지 않는 찌꺼기를 소화시키고 있습니다. 이 소화되지 않은 나머지는 주로 식이섬유와 올리고당을 포함하고 있습니다. 일반적으로 유익균으로 알려진 장내 세균은 이들을 분해하여 비타민과 지방산을 생성합니다. 유익균이 만드는 지방산은 장내 환경을 약산성으로 만들어 나쁜 박테리아의 작용을 약화시키며, 또한 생산되는 지방산은 대장세포에 포함된 내장을 보호하고 있는 점액을 만드는 에너지원으로 사용됩니다. 장 내에서는 이 유익균과 유해균이 균형을 취하면서 존재하고 있습니다.
불균형 식생활(특히, 식이섬유 부족)이 지속하면 유익균이 줄어들어 장 점액이 얇아지고 유해균 및 기타 세균의 침입을 허용하여 변비, 설사, 복통 등의 대장질환을 유발합니다. 이것은 장누수증상(Leaky gut syndrome)으로 본래라면 면역세포와 두꺼운 점액으로 덮여 있으며 장세포 사이의 틈새를 강하게 결합하여 보호하고 있던 창자가 장내 환경의 불균형 악화로 인해 점액이 얇아져 세포 사이의 틈새가 느슨하게 되어 이물질의 침입을 허용하는 것으로 일어나는 장 질환입니다. 장누수증상으로 인해 이물질이 혈액 내에 침입하면 몸속의 면역 스위치가 켜져 이를 제거하려고 합니다. 대량의 이물질이 있을 수 없는 위치에 침입하면 면역이 폭주하기 시작합니다 (‘사이토카인 폭풍’이라고 합니다). 장내 세균이 만들어내는 지방산이 면역의 폭주를 억제하지만 장내 환경의 불균형은 면역의 폭주를 조절하지 못하며 이물질 뿐만 아니라 정상세포까지 공격하기 시작합니다. 장누수증상 환자가 코로나에 감염되면 코로나 바이러스는 소화기관을 감염시킬 뿐만 아니라 혈류를 통해 다른 장기에도 감염 시킬 수 있습니다. 실제로 장누수증상 때문에 코로나 증상이 중증으로 발전한다는 보고도 나와 있습니다 (https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2020.11.13.20231209v1.full).

코로나 바이러스의 증상을 악화시키는 것을 방지하고 장내 환경을 개선하자
일차적으로 마스크 착용은 코로나 감염을 막기 위해 효과적입니다. 많은 사람들이 마스크를 잘 착용하고 생활하고 있지만 감염자 수가 날로 증가하고 있습니다. 감염 예방을 위한 면역 강화보다는 감염이 악화되지 않기 위하여 무엇을 하면 좋을까요? 장누수증상이 주요 원인으로 생각되기 때문에 장내 환경을 개선하는 방법을 소개하고 싶습니다.
1. 식사, 보조식품에 의한 장내 환경 개선
장누수증상은 유익균이 감소하여 장 점액이 줄어들어 발생합니다. 대장의 점액은 장 상피 세포가 유익균이 식이섬유와 올리고당을 분해하여 만든 지방산(특히, 낙산)을 이용하여 생성됩니다. 즉, 유익균(유산균이나 비피더스 균), 식이섬유, 올리고당 등의 섭취가 대장을 보호하는 점액을 많이 만들어내는 열쇠가 되는 것입니다. 그래서 프로바이오틱스 제품 및 발효 식품, 수용성 식이섬유를 매일 취하도록 합시다.
2. 수면 확보, 적당한 운동을 통해 장내 환경을 개선
대장은 뇌와 연결되어 있어 스트레스에 의해 장내 환경이 악화됩니다. 예를 들어 마우스를 이용한 동물실험에서는 마우스의 수면을 방해하는 것만으로 장내 환경이 악화되었다고 보고되고 있습니다(https://www.nature.com/articles/srep35405). 또한, 운동부족으로 인한 장내 환경의 악화도 보고되고 있습니다 (https://www.hindawi.com/journals/omcl/2017/3831972/). 즉, 건강한 식생활을 하고 있어도 수면부족이나 운동부족으로 인해 장내 환경을 악화시킬 수도 있습니다. 보조식품과 식생활의 개선과 더불어 적당한 운동과 수면시간 확보를 위해 생활습관의 개선에도 노력합시다.
3. 야외에서 빛을 받아 비타민D 합성을 통해 장내 환경을 개선
비타민D는 장누수증상을 억제하는 작용이 있다고 보고되어 있습니다 (https://www.iprogressivemed.com/vitamin-d-and-leaky-gut/). 또한, 비타민D가 부족한 코로나 감염자는 중증환자로 악화될 위험이 높다는 보고도 나와 있습니다 (https://www.nature.com/articles/s41598-020-77093-z). 비타민D는 음식으로 소량 섭취할 수 있으며, 대부분은 햇빛을 받는 것으로 체내에서 만들어지고 있습니다. 피부색이나 인종에 따라 차이는 있지만 일반적으로 20 ~ 30 분의 일광욕으로 하루에 필요한 비타민D가 체내에서 생성된다고 합니다. 코로나 감염으로 인해 외출을 자제하는 것도 중요하지만 때로는 마스크를 착용하고 야외활동을 하며 햇빛을 받아보세요.

호흡기 바이러스인 코로나 바이러스는 사실 폐뿐만 아니라 다른 장기에도 감염되어 중증으로 악화시킵니다. 폐 외의 장기에 감염이 장에서 침입하는 가능성이 높아 장내 환경의 불균형에 의한 장누수증상이 코로나 바이러스의 침입을 가능하게 하고 있는 것입니다. 장누수증상을 예방하기 위해서는 유익균, 식이섬유, 올리고당 등을 섭취하면 장 내에서 만드는 지방산을 증가시켜 장을 보호하는 점액을 증가시키는 것이 중요합니다. 또한, 식사 외에도 장내 환경을 악화하는 원인이 되는 스트레스를 줄이기 위해 적당한 수면과 운동을 습관화합시다. 외출이 어려운 상황에 있을 수 있지만 하루 30분의 일광욕으로 비타민D를 충분히 만들어 장누수증상을 예방하는 것도 유의합시다.

바이러스 감염과 세균감염 차이

신종 코로나 바이러스가 세계적으로 확산되어 세계 보건기관이  “pandemic”을 선언했습니다. Pandemic은 세계적인 전염병 대유행을 의미합니다. 처음에는 중국을 비롯한 중국과 관계가 깊은 일본이나 한국에서의 감염자 수의 증가가 현저했지만 3 월에 들어가면서 이탈리아를 중심으로 유럽과 미국에 감염이 퍼져 아시아보다 감염자와 감염 사망자가 눈에 띄게 증가하고 있습니다. 이러한 원인은 국민성이나 각국의 의료 시설의 충실도 등이 영향을주고 있다고 생각합니다. 자, 여러분의 관심은 ‘어떻게하면 감염을 예방할 수있는 것인가」라고 생각 합니다만 지금까지 백신이 없기 때문에 마스크 나 외출을 자제 할 수 밖에 대책이 없습니다.

신종 코로나 바이러스는 최근 문제가 된 다른 코로나 바이러스 (SARS 나 MERS)와 어떻게 다른지라고하면 침이나 콧물에 포함 된 양이 많다는 것입니다. 따라서 “클러스터 감염 ‘이라는 밀폐 된 공간에서의 집단 감염이 이번 신종 코로나 바이러스의 특징입니다. 또한 SARS 나 MERS과 달리 감염자의 절반 정도가 합병증을 일으키는 것입니다. 사망자는 지병이있는 노인이 많아 특히 고혈압이나 당뇨병, 협심증 등이 많은 것도 알고 있습니다. 장내 세균과 이번 신종 코로나 바이러스에 대한 연구는 불행히도 아직보고되고 있지 않습니다. 세간의 블로그에서 장내 세균이 면역과 관계하고 있다는 점에서 오로지 식사 조언을하고있는 것 같습니다. 여기에서는 좀 더 과학적으로 생각해보고자합니다.

옛날부터 독감, SARS, MERS 등의 호흡기 바이러스에 감염되면 장내 세균총이 변화하는 것이보고되어있었습니다. 뇌 우퍼 내장 상관처럼 肺 장 상관라고도합니다. 폐에 바이러스가 감염되면 면역 세포는 폐에 집중하고 지금까지 대장에서 박테리아를 조절하고 면역 체계의 균형이 무너집니다. 이렇게하면 장내 세균총이 바뀝니다. 이와 같이 해석 할 수 있지만 2020 년 3 월에 영국 리버풀 대학이 발표 한 보고서에 따르면 폐 우퍼 내장 상관 관계 시스템은 더 간단한 것 같습니다. 마우스 동물 실험에 따르면 폐에 바이러스가 감염 면역이 활성화되면 “식욕 부진”입니다

체중이 줄어 듭니다. 이것은 “질병 행동”이라고 사람을 포함한 모든 동물에서 볼 수있는 행동으로 병에 걸리면 식욕 부진 것 “금식”에 의한 치료 효과를 자연스럽게 일으킬 시스템입니다. 리버풀 대학의 보고서에 따르면 바이러스에 의한 장내 세균총의 변화는이 질병 행동에 의한 “금식의 효과”임을 시사했다. 바이러스 감염없이 단순히 ‘금식’시킨 경우에도 같은 장내 세균총의 변화를 볼 수 있었다고합니다. 또한 바이러스에 감염된 마우스 항체를 이용하여 면역을 복구 해 주면 식욕이 없었고 결과적으로 장내 세균총에 변화가 없었다고합니다. 덧붙여서 창자 감염 노로 바이러스 같은 경우는 다른 이야기입니다. 창자 감염 바이러스는 장내 세균에도 창자 세포에 물리적으로 접촉하기 때문에 설사도하고 장내 세균총을 크게 변화시키고 있습니다.

폐에 바이러스가 감염되면 식욕 부진 것 “금식”모드로 장내 세균총이 변화한다는 것입니다. 금식의 효과에 대해서는이 장내 세균 시리즈에서도 이미 소개했지만 우리의 신진 대사가 변화뿐만 아니라 대장 내 세균의 대사 패턴도 달라집니다. 결과적으로 면역을 강화 질병에서 회복에 도움이됩니다. 는 금식을하면 모든 질병에서 회복 할 것인가라는 이야기가됩니다 만, 그런 간단한 이야기는 아닌 것입니다. 2016 년 미국 예일 대학의 연구 보고서입니다. 셀 등 국제 과학 저널에 게재되어 있습니다.

감염은 세균에 의한 것과 바이러스에 의한 것이 있지만 “금식의 효과 ‘를 기대할 수있는 것은 세균에 의한 감염 뿐이며, 바이러스 감염의 경우 금식은 비생산적이다 것을 제안했습니다. 세균에 감염되면 세균 내 독소에 의해 활성 산소 종을 발생 세포 나 유전자를 공격하고 염증의 원인이됩니다. 우리 몸은 음식에서 포도당을 만들어 에너지를 얻기 만 금식 상태가되면 지방 케톤체 분해 에너지를 만들어냅니다. 이 케톤체는 활성 산소 종을 억제하는 “항산화 작용”가 있습니다. 따라서 금식을하면 세균 감염에도 견딜 수있는 몸입니다. 한편, 바이러스에 감염된 경우 우리의 세포에있는 응급실에 문제가 발생합니다. 응급실은 세포 내에서 단백질을 만드는 부분이며,이 어이 바이러스에 의해 정상적으로 작동하지 않을 수 있습니다. 그러자 세포에서 만들어지는 단백질에 이상이 발생합니다. 세포는 이러한 비정상적인 단백질을 제거 할 수 있지만 비정상적 단백질의 양이 너무 많이 제거 할 수 없습니다 세포는 죽어 버립니다. 폐가 바이러스에 감염되면 이러한 폐 세포가 대량으로 죽을 수 폐렴이 발생할 수 있습니다. 그러나 응급실 스트레스 반응이라 불리는이 상태는 포도당을 섭취있는 것으로 완화 할 수있는 것으로 알려져 있습니다. 즉, 세균에 감염된 경우 금식 상태에 들어가기에 회복 합니다만 바이러스에 감염된 경우는 단식 상태에 들어가 버리면 포도당이 부족하고 복구 할 수없는 것입니다.

이러한 연구 논문을 변하는 신형 코로나 바이러스에 감염되면 “식욕 부진”가 “금식 모드 ‘에 들어갑니다 만 바이러스로 인한 응급실 스트레스의 완화에는 포도당이 필요해서”노력해도 안 먹고 말라 “는 것입니다. 병에 걸리면 식욕 부진하게 금식 면역을 높이는 「질병 행동 “이것은 자연의 섭리입니다 만 바이러스가이 자연의 섭리를 이용하고있는 것이 아닐까라고 생각하면 무섭 네요. 또한 최근 유행하는 당질 제한은 바이러스 감염시에는 피하는게 좋을 듯합니다. “장내 환경을 정비 해 바이러스에 대한 면역을 높이고 자 ‘보고 싶다 블로그가 많이 나돌고 있습니다 만”당분 섭취’가 회복의 관건이되기 때문에 당분이 많은 청량 음료 나 쌀 등이 좋을 것 같습니다 . 이러한 음식은 본래 당질이 많아 비만에 걸리기 쉽다지만 아픈 때는 결론 지어 봅시다. 신종 코로나 바이러스 백신이나 약은 아직 개발되어 있지 않기 때문에 자만하지 않고 마스크를하게 외출을 삼가하는 것이 가장 중요합니다. 내년은 무사히 올림픽이 개최되는 것을 바랍니다.

인공 설탕과 장내세균

칼로리없는 설탕으로 알려진 인공설탕. 전세계 어디에서나 비만인 사람도 그러지 않은 사람도 사용하고 있습니다. 과연 정말 무해한 것일까요?  인공설탕 섭취는 일단 건강에 해가 있다고 보고되지 않으며 다이어트 효과도 아무 문제 없이 있다고 생각 합니다만 과학적인 증거는 어떻게 되있을까요?

2014년 네이처지에 보고된 논문에 따르면 인공설탕을 섭취하면 장내 세균총이 바뀌어 버리기 때문에 고혈당이 생인단것을 이야기한 것 같습니다. 이 인공설탕에 의한 나쁜 영향은 인공설탕을 섭취 한 마우스의 배설물을 인공설탕을 먹지 않는 마우스에 이식 한 것만으로도 나타난다고 합니다. 또한 항생제로 장내 세균의 작용을 억제하면 혈당치가 오르지 않았다고도 합니다. 이 것은 인공 설탕에 의해 바뀐 장내 세균총 자체가 문제라는 것입니다.

318 명의 당뇨병이 아닌 사람을 대상으로 3주 동안 설탕 대신 인공설탕을 섭취하는 테스트를 실행 했습니다. 빠른 사람은 일주일내에 혈당 상승이 확인되었습니다. 인공설탕의 섭취량에 따라 체중이 늘거나 비만 체계되거나 혈당치가 오르기도했습니다. Metabolic Syndrome 입니다. 특히 이 metabolic syndrome 증상이 심했던 사람들은 나라에서 정해진 당분의 섭취량 기준보다 2,3 배 더 많은 인공설탕을 섭취를 했다고 합니다. 아마 인공설탕이 “칼로리가 없다고 알고 있기 때문에 방심하고 있었을까요. 칼로리가 없다고해도 인공설탕은 고혈당과 비만과 같은 metabolic syndrome을 유발 하게되므로 과도한 섭취는 조심합시다. “칼로리 0” 이라는 것 때문에 방심하지 마시고 조심하는 편이 좋을 것 같네요. 혹시 다이어트 콜라도? 판단은 여러분에게 맡깁니다.

그 논문에서는 인공설탕을 섭취해도 metabolic sysndrome되지 않았던 피험자들도 있었습니다. 원래 여러분 독특한 장내 세균총을 가지고 있고 이 보고서에 따르면 metabolic syndrome되는 사람, 안되는 사람을 결정하는 요인은 개인의 장내 세균총 차이라고 추측하고 있습니다. 여러분의 장내 세균은 건강합니까? 평소 장내 세균들이 좋아하는 식이섬유가 많이 함유 된 야채를 먹도록합시다. 또한 잠을 잘 자야 소화가 잘 되고  장내 세균들에게 영양을 공급하기 쉬워 지므로 수면 시간 확보도 잊지 마세요. 원래 수면 시간이 부족하면 폭식 하는 경향이 있지요. 그런 의미에서도 수면 시간을 확보 합시다. 나는 적어도 7 시간은 자야 된다고 생각합니다. 

이 blog을 쓰고 google해보니 많은 artificial sweetener에 관련 된 부정적인 논문이 있네요. 제가 포닥때 있었던 연구소의 소장님도 인공설탕을 매일 드시고 계셨는데 걱정이 됩니다… 저 보다 잘 알고 계신다고 믿습니다만. 

 

눈에 좋은 음식으로 블루 베리만 먹으면 될까요?

   인터넷, 컴퓨터, 스마트 폰의 보급에 의해 눈이 나쁜 사람이 늘었습니다. 또한 생활 습관병도 증가 해 눈의 질병을 앓는 사람도 해마다 늘고 있습니다.  몸의 질병이나 피로와는 달리 눈은 한번 나빠지면 좀처럼 원래대로 돌아 가지 않습니다. 그래서 눈을 가능한 피로하게하지 않도록 조심하고, 눈을 자주 쉬도록해야 합니다. 눈은 몸의 근육과 달리 ‘단련’이라는 것이 어려운 기관입니다. 그래서 항상 필요한 영양분을 보충시켜 눈을 돌보는 것이 중요합니다. 그러면 어떤 영양분이 필요한 것일까요?

근시와 원시

안구 (수정체)의 수축이 원인

 눈이 나빠지는 이유는 두 가지가 있습니다. 하나는 눈을 혹사하는 경우, 다른 하나는 활성 산소가 눈의 망막이라는 부분을 공격하여 눈이 약 해지는 경우입니다. 일반적으로 눈이 나빠진다는 것은 멀리있는 사물이 보이지 않을 때 근시와 가까운 사물이 보이지 않을 때 원시라고합니다. 안구가 수축하여 가까운 것이나 먼 것을 볼 수있는 것입니다. 하지만 안구가 수축이 잘되지 않으면 들어온 빛이 안구를 통해 망막과 초점이 맞지 않아 근시 및 원시의 원인이됩니다. 가까이에서 뭔가를 보고 있는 시간이 길어지면 안구가 늘어난 상태가되어 멀리에 있는 사물이 점점 보이지 않게 됩니다. 이것이 근시입니다. 장시간 컴퓨터 및 TV화면을 보거나  책을 읽은 후에는 먼 곳을 바라보며 안구의 형태를 되돌려주는 것이 중요합니다. 또한 노화에 의해 안구의 유연성을 잃어 가까운 사물을 봐도 안구가 늘어나지 않아 원시 또는 노안이라는 상태가됩니다. 난시라는 것도 있지만 난시의 경우는 안구의 유연성보다는 빛이 들어오는 각도를 조절하는 각막에 문제가 생긴 경우입니다.

그럼 왜 세간에서는 “눈에 좋은 음식 ‘이라는 이야기가 나돌고있는 것입니까? 안구의 유연성을 올리는 음식이 있을까요?

혈액을 깨끗하게 유지하고 눈의 건강 유지

빛의 초점이 있어도 이것을 감지하는 기관을 잘 작동시키지 못하면 잘 볼 수 없습니다. 눈에 들어온 빛을 뇌로 전달하는 망막라는 기관이 있습니다. 망막은 초점을 맞춘 빛을 뇌로 전달하는 신경막입니다. 미세한 모세 혈관이 밀집되어있어서 혈류의 흐름이 나쁠때나 당뇨로 혈당이 높을 때 등 망막의 기능이 저하됩니다. 즉 혈액의 건강 상태도 눈의 좋고 나쁨에 관련되어 있습니다. 사실 모세혈관은 노화가 되면서 그 수가 감소하기 때문에  나이가 들면서 눈이 약화되는 것입니다. 안구의 형태를 유지하는 것도 중요하지만 혈액을 깨끗하게 유지하여 눈을 보호하는 것도 중요합니다. 물론 혈액을 맑게하는 방법은 식습관을 관리를 잘 해야 합니다.  특히 모세 혈관을 보호하기 위해 어떤 식사를 해야할까요?

항산화 작용을하는 재료

항산화 작용이라는 것은 알고 계십니까? 항산화 효과가 있는 음식이 건강에 좋다고 많은 사람들이 알고 있습니다. 항산화의 뜻을 생각해봅시다. 호흡을 통해 산소가 우리 몸에 들어옵니다. 그 산소 중 일부가 활성 산소라는 반응성이 높은 산소로 바뀝니다. 이 활성 산소는 산화를 하는 힘이 강해 세균으로부터 우리를 지켜주거나 대사를 도와 주거나하는 중요한 역할을 합니다.  그러나 활성 산소가 과도하게 발생하면 세포를 공격하거나 유전자를 손상합니다. 활성 산소는 노화에 따라 증가하고 흐트러진 식생활과 스트레스 등에 의해서도 증가합니다. 활성 산소는 혈액에 포함 된 모세 혈관을 통해 온 몸의 구석 구석까지 영향을 미칩니다. 건강을 유지하기위해 증가된 활성 산소로부터 세포와 유전자를 보호해야합니다. 그래서 최근 주목을 받고 있는 것이 항산화 효과가 있는 음식입니다. 항산화 효과가있는 식품이라면 비타민과 폴리페놀, 플라보노이드 등이 많이 함된 야채를 위주의 식품입니다. 물론 활성 산소를 증가시키는 가공 식품과 패스트 푸드는 피해야합니다. 많은 항산화 식품 알려져 있습니다만, 여기에서는 특히 눈에 좋은 음식을 소개하겠습니다.

눈에 직접 작용하는 항산화 식품

 실제로 망막 주변에는 이미 루테인과 제아잔틴(zeaxanthin)이라는 항산화 작용 물질이 있습니다. 산화가 진행되거나 노화정도에 따라 이 두 항산화 물질이 줄어 듭니다. 이 둘은 시금치나 브로콜리 같은 녹색 야채를 먹는 것으로 섭취 가능합니다. 또한, 달걀 노른자, 감, 옥수수, 오렌지 등에도 포함되어 있습니다. 블루 베리와 레드 와인, 가지에 들어있는 안토시아닌도 항산화 작용이 있고 로돕신이라는 망막에서 빛을 인지하는 색소의 합성까지 도와줍니다. 이 로돕신은 빛을 수용 할 때마다 비타민 A로 분해되고 망막상에서 로돕신으로  다시 재생됩니다. 장시간 빛을 보고 있으면 로돕신 재생속도가 늦어져 눈의 피로가 쌓이기 시작합니다. 안토시아닌과 비타민의 보급은 눈의 피로를 감소시켜줍니다.  또한 아스잔틴라는 물질은 갑각류 (새우, 게)에 함유되어있는데 항산화 력이 비타민의 1000 배 이상으로 알려져 눈의 피로도 개선에 도움을 줄것으로 기대되고 있습니다.  실제로 자외선으로부터 눈을 보호하는 것으로도 보고되어 있습니다.

이러한 항산화 작용이 있는 영양제가 시중에 판매되고 있기 때문에 식사 시간이 없을때 휴대하면 좋을 것 같습니다.  과잉 섭취에 따른 부작용에 주의하여 복용하시기 바랍니다.

기타 눈에 좋은 것으로 알려진 영양소와 음식

눈을 직접 활성 산소로부터 보호 해주고 있는 루테인과 제아잔틴, 그리고 빛을 인지를 하며 로돕신의 재생을 촉진하도록 돕는 안토시아닌 외에도 눈에 좋다고 하는 것이 많이 있습니다. 결국 몸 전체를 흐른는 활성 산소를 없애주는 항산화 작용이있는 것은 눈 뿐만 아니라 건강에도 좋은 것입니다. 항산화 비타민으로 비타민 A, C, E (에이스) 등은 로돕신의 재생뿐만 아니라 각막을 강하게하고 안구 건조를 예방 해주기도합니다. 오메가 3라는 지방산도 항산화 작용이 있어 혈액을 맑게해줍니다. 또한 세포막의 구성 요소이고 시신경과 망막을 만드는 재료가 될 것으로 기대되고 있습니다. 미네랄의 섭취도 중요합니다. 아연은 항산화 작용도 있지만 각막과 망막을 정제하는 데 필요한 콜라겐의 합성에 사용됩니다. 미네랄의 과잉 섭취는 독이기 때문에 조심합시다.

어떤 영양을 섭취해야할지

 루테인과 제아잔틴은 녹황색 채소에 많이 함유되어, 시금치, 브로콜리, 강낭콩, 당근, 토마토, 호박에 함유되어 있습니다. 특히 시금치, 브로콜리, 강낭콩에는 많이 함유되어 있기 때문에 좋습니다. 생으로 먹어도 삶아 먹어도 좋지만 기름과 함께 섭취하면 흡수율이 올라가므로 샐러드에 올리브 오일을 더하거나, 불포화지방산이 많은 견과류를 넣거나 또는 버터 볶음 할 때 흡수율이 높아집니다. 또한 제아잔틴은 활성 산소를 제거 한 후 자신이 산화되기 때문에 비타민과 함께 섭취합시다.

정리

  눈이 않좋아지는 원인을 이해하면 평소 먹고 있는 음식들 중 눈에 좋은 영양소를 함유한 것들에 감사하게 된다. 루테인, 비타민, 안토시아닌이 효과가 좋다고 알려져 있지만 활성 산소를 제거하고 혈액 순환을 원활하게 하며 산화를 방지하기 위해서는  다양하고 균형 잡힌 식품을 섭취하도록 합시다. 또한 활성산소가 체내에서 증가하지 않도록 하는 식습관 또한 중요합니다.

비만과 장내 세균

영양섭취에 관한 미생물의 역할

19세기 후반 노벨상을 수상받은 러시아의 일리야 메치니코프는 “인간에게는 대장 등은 필요없다.”라고 말했었습니다. 그저 먹은 음식은 위에서 소화되고 소장으로 흡수되고 대장에서 똥으로 배출되기 때문에 대장 역할은 똥을 만드는 것뿐이라고 여겨졌습니다. 그러나 대장에는 많은 미생물이 있습니다. 그 작용에 의해 먹은 것들은 피와 살이 되어 생물들이 살아가고 있습니다. 예를 들어, 거머리나 연못박쥐는 피를 빨고 살지만 피 속에 그들의 생활을 유지할만한 영양분이나 에너지는 없습니다. 그들의 몸 속에 있는 미생물이 필요한 양분을 만들고 있는 것입니다. 더 가까운 곳에는 자이언트 판다가 있습니다. 그들은 원래 곰과 생물이었고 원래는 육식동물이었습니다. 하지만 그들은 대나무만 먹고 살고 있지요. 판다의 유전체는 육식 유전제로, 식물을 분해하여 양분을 만드는 효소는 하나도 없습니다. 판다는 하루 12kg의 대나무를 먹는데 2kg밖에 소화가 안됩니다. 효소의 양을 생각하면 판다가 스스로 분비하고 있다기 보다는 다른 누군가가 판다 안에서 분비하고 있다고 생각할 수 있지 않을까요? 후속 연구로 판다에는 셀룰로스를 분해하는 미생물이 있다는 것이 밝혀졌습니다. 이는 소나 흰개미 등 초식동물의 장내 세균에게도 적용할 수 있는 일입니다. 그들은 장식이긴 하지만 셀룰로스를 분해하는 셀룰라아제(cellulase)를 만드는 것은 아닙니다.

그렇게 생각하면 사람도 똑같이 셀룰라아제를 만드는 것이 아닌데 채소를 먹고, 소화하며, 에너지를 만들고 있습니다. https://www.youtube.com/watch?v=q0pF5QJoG0g에 의하면 극단적인 경우 사람도 판다처럼 채식을 해도 살이 찌는 것입니다. 이 동영상에서는 TRFLP에서 본 장내 세균총의 해석인데, 이 방법은 차세대 시퀀싱이 개발된 현재는 잘 사용되고 있지 않습니다. 참고로 이 방법은 16S rRNA유전자를 형광으로 표지된 forward primer를 사용하고 PCR에서 증폭한 후, 하나의 제한 효소를 이용해서 랜덤하게 끊어 갑니다. 다양한 미생물에서 중폭된 16S rRNA유전자는 여러 길이로 분리될 것입니다. Forward primer 쪽은 형광으로 라벨링 되어 있기 때문에 모세관을 통해 인식됩니다. 즉, forward 쪽의 자투리 DNA 길이나 양을 측정함으로써 생태계를 가시화하는 것입니다.

영양섭취에 대해 생각해 봅시다. 인간은 예전부터 식물이나 동물을 먹고 살아왔습니다. 그런데 문명의 발달로 가공되고, 외형으로 원료가 뭔지 모르는 음식들을 먹게 되었습니다. 식물이나 동물을 스스로 기르는 일도 없어지고, 한정된 좁은 공간 안에서 약품을 사용해 효율적으로 사육된 것을 더 가공해서 먹고 있는 것입니다. 옛날에는 식생활에 관련된 질병(비만, 암, 당뇨병)이 별로 없었던 것 같습니다. 현재는 질병이 증가하고, 평균수명도 증가 되었습니다. 그것의 의미하는 바는 도대체 무엇일까요? 포대기 죽음 속에서 살아가기만 하는 현대. 그런 이유로 최근 유행하는 다이어트는 “사람은 본래 어떻게 먹어야 하는가”가 기본 개념으로 되어 있네요.

이탈리아의 부르키나파소(한글로 부르키나파소는 아프리카에 있는 나라 이름입니다.)라는 마을은 현대식 식생활을 하지 않고 예로부터의 전해진 관례를 따른 문화를 가진 마을입니다. 그들의 식사는 잡곡을 가루내서 뜨거운 물에 타서 먹거나 채소를 으깨서 먹기도 하고, 단백질의 섭취는 닭고기가 주를 이루며 때론 개미 등도 먹는다고 합니다. 그와 반대로 이탈리아의 대도시 피렌체에서는 피자, 파스타, 아이스크림, 시리얼, 스낵과자가 많이 먹히고 있습니다. 한 연구팀이 피렌체에 사는 아이의 장내 세균과 부르키나파소 마을 아이들의 장내 세균을 비교했습니다. 이탈리아의 아이들은 Firmicutes문이 대부분이나 부르키나 파소의 아이들은 Bacteroidetes문(Prevotella속 50%, Xylanibacter속 20%)이 대부분이라는 것을 알았습니다.

Ruth ley라는 학자는 뚱뚱한 사람에게 다이어트식을 6개월간 먹이고 장내 세균의 변화를 지켜 보았습니다. 저지방 다이어트군에서는 bacteoridetes가 늘기 시작할 때까지 체중을 6% 빼야 했는데 저탄수화물 다이어트군에서는 체중의 2%를 뺐을 때 bacteoridetes가 늘기 시작했습니다. 어느 쪽이 다이어트에 효과적인지 이제 알겠네요.

이것을 보면 인슐린에 의해 혈액 중의 당이 우선 근육에 먼저가고 남은 당이 지방 세포에게 전달됩니다. 즉 근육이 적을 경우 많은 당이 지방세포로 전달되는 것입니다. 그러니 운동은 건강을 유지하는데 중요한 것이기도 하네요. 여담인데 당에서 에너지를 만드는 경우, 해당과정(glycolysis)에서 생긴 피루브산을 미토콘드리아가 이용해 에너지를 만듭니다. 해당과정에 의해서 생산되는 ATP는 포도당 한개당 2ATP가 발생하며, 미토콘드리아의 경우는 TCA회로를 통해서 포도당 한개당 32ATP 만들어 진다는 계산이 되고 있습니다. 즉, 미토콘드리아를 얼마나 활용하느냐가 당을 효과적으로 사용하는 것으로 이어지는데, 미토콘드리아는 아시다시피 산소가 사용되므로 역시 운동을 해서 산소 공급을 늘리는 것이 다이어트에 중요한 부분이 되네요. 조금 벗어났는데 당은 어떻게 피 속에 흡수되는 것일까요? 지방이나 탄수화물을 분해하여 당을 만드는 셈입니다.

지방부터 먼저 이야기합시다. 지방은 몸에 나쁜 오메가9, 몸에 좋은 오메가 6, 3가 있고 특히 이 오메가3는 식물성 지방에 많이 함유되어 있다는 것을 우리는 알고 있습니다. 하지만 식물성 지방은 소비기한이 짧기 때문에 수소첨가물을 넣어 소비기한을 늘리고 있지요. 이 첨가물로 인해 오메가3는 트랜스 지방으로 변하여 인간에게 해로운 것이 됩니다. 트랜스 지방이란 자연계에는 없는 플라스틱과 같은 존재로서 장내 세균에도 인간에게도 독입니다. 슬프게도 맛있는 음식에는 트랜스 지방은 포함되어 있습니다, 케이크, 아이스크림, 등등.

지방이라고 하면 칼로리가 높고, 다이어트 하는 사람에게는 미움받는 음식인데 과연 저칼로리 다이어트는 의미가 있는 걸까요? 생각해 보세요, 채소를 100 kcal 먹었을 때와 도넛을 100 kcal 먹었을 때, 어느 쪽이 독이 될까요? 열량은 상관없겠죠? 쥐 실험에서는 고지방 저탄수화물 먹이를 쥐에게 주면 장내세균의 생태가 바뀌면서 체중이 증가하고, 염증이 생겨 비만이나 당뇨병, 면역질환으로 이어진다고 보고되고 있습니다. 그런데 우리 인간의 경우는 어떨까요? 서양에서는 제2차 세계 대전 후 지방과 당의 섭취량은 줄어들고 있다는 보고(지방 섭취량 92 g(1945년)에서 74 g(2000년)으로)와 지방 섭취율이 높은 나라가 BMI 수치가 낮았다 라는 질문을 보고, 호주에서 설탕의 섭취가 한 사람 당 작은 술잔으로 30잔(1980년대)이 2003년에는 25잔으로 변화했다는 보고가 있지만, 그래도 비만율은 3배로 증가했다는 보고 등 마우스의 실험 결과와는 일치하지 않는 보고가 많이 있다는 것입니다. 즉 칼로리로 비만은 설명할 수 없다는 말이 됩니다. 실제로 칼로리를 엄청 신경쓰는 미국에서는 1977년 부터 1987년 까지 평균 섭취 칼로리가 1854 kcal에서 1785 kcal로 감소했습니다. 지방 섭취율도 41%에서 37%로 줄어들었습니다. 과체중도 국민의 4분의 1에서 3분의 1이 되었습니다.

고기를 먹으면 지방이 붙는다는 생각은 간을 먹으면 건강해진다, 뇌를 먹으면 머리가 좋아진다, 닭발을 먹으면 빨리 달릴 수 있게 된다는 수준과 동일하지요. 소처럼 풀을 먹어도 살이 찐다는 것은 우리 인간에게도 적용됩니다. 살이 찌는 원인이라는 것은 그런 단순한 것이 아니라는 것을 알 수 있습니다.

자연과학대학 영양학 선생님께 8월에 메일을 받았습니다. 아무래도 장내 세균에 대해 연구하고 싶다는 것입니다. 옛날의 낡은 생각을 버리고 새로운 가능성에 자신의 연구의 방향을 바꾼다는 것은 과학자들에게는 중요한 일입니다. 자신이 배운 것이 전부라고 생각하고 교과서에 없으니 인정하지 않는다 라는 것은 연구자로서는 절대 해서는 안되는 일입니다.

다음으로 탄수화물입니다. 탄수화물이라는 표현은 오해를 불러일으키기 때문에 좋아하지 않지만, 탄수화물은 당질과 식이섬유로 구분됩니다. 탄수화물을 줄이는 다이어트라는 것은 당을 줄이는 다이어트이지 식이섬유를 줄이는 다이어트가 아니니 주의하세요. 여기서 말하는 “당질”(당분)이라는 것은 파스타, 빵, 쌀, 면류(우동, 라면) 모두 일본에서는 주식이라고 불리는 것입니다. 당질 제한 다이어트라는 것은 간단히 말해 주식을 줄이는 것으로 인한 다이어트입니다. 위의 Ruth Ley 박사의 연구결과에 의하면 당질 제한 다이어트가 효율적이라고 생각되네요. 사실 과일, 채소 중에서도 당근이나 연근 등은 사실 당질이 많이 함유되어 있기 때문에 당질 제한 다이어트를 하시는 분은 주의해주세요. 하지만 식이섬유도 많아서 저는 문제가 없을 것 같다고 생각합니다.

Ilumina sequencing에 대해

2005년 정도였을까요, 하나의 DNA을 한번의 실험으로 시퀀싱 한다는 생어 시퀀싱과 달리 한번의 실험에서 10만개의 DNA을 동시에 시퀀싱할 수 있는 기술이 개발되었습니다. 454라는 회사(이상한 이름이지요)가 개발한 파이로 시퀀싱 (pyrosequencing)이라는 방법입니다. 지금은 사용되지 않게 된 방법이라 자세히는 말하지 않겠지만 반딧불의 엉덩이가 빛나는 원리를 이용해 DNA가 합성되었을 때 빛이 나게 하고 그 빛을 보고 시퀀싱을 하는 방법이었습니다. 이 방법은 색상에 따른 염기 구별이 안되기 때문에 A를 넣고 빛이 안나오면 A를 제거한 후에 G를 넣어봅니다. 만약 빛이 난다면 그곳에는 C가 있었다는 것입니다. 이런 식으로 계속 염기를 넣고는 제거를 반복하며 어디서 빛나는지 모니터링합니다. 색의 식별과 같은 오류가 없고 정확성도 높습니다. 다만 만약 AAAAA라는 배열이 있다면 T를 넣는 순간 한번만 강한 빛이 나오는데 도대체 A가 몇개나 있었던건지?와 같은 문제가 있지만 8개까지는 빛의 세기로 구별할 수 있었다고 합니다. 그래도 이 방법은 정확하고 750bp 정도까지 시퀀싱 되어, 괜찮았지만 돈이 너무 많이 나왔다고 합니다. 그런 이유로 옛날에는 부유한 연구실에만 허용됐던 사치스러운 방법이었습니다. 2010년 정도부터 일루미나사가 개발한 것이 사용되기 시작합니다. pyrosequencing에 비해서 짧은 DNA밖에 시퀀싱하지 못하지요.(그 당시는 100bp 까지 가능했다고 합니다.) 16S rRNA을 시퀀싱하는 데는 조금 부족했습니다. 일루미나사의 노력으로 (?) 최근에는 300~500bp 정도까지 가능하게 되었습니다. 이 정도면 대부분의 variable region을 커버할 수 있어 단번에 실용성이 올라갑니다. 덧붙여서 pyrosequencing의 약 10분의 1의 비용으로 할 수 있게 되었습니다. 이러한 이유로 2014년서부터 pyrosequencing은 사용되지 않게 되었고 시약의 생산도 끝났다고 들었습니다.

여러가지 새로운 기계들이 개발되고 있지만 일루미나사에서 주로 사용되는 기계는 HiSeq와 MiSeq입니다. 이 두가지의 차이는 전자는 짧은 DNA(150bp)에서 많은 DNA을 시퀀싱할 수 있고 후자는 분석 가능한 길이가 비교적 긴편이나 (150~300bp) 그렇게 많은 DNA를 시퀀싱할 수는 없다는 차이가 있습니다. 용도별로 말하자면 Hiseq는 whole genome sequencing이나 functional metagenomics용으로 사용하고 miseq는 미생물 생태분석용으로 사용합니다. 사용되는 기회의 디자인이나 시퀀싱 원리는 똑같아요. 본인의 목적에 맞게 고르세요!

그럼 시퀀싱 원리를 설명하겠습니다. 일루미나 시퀀싱의 원리는 크게 나누어 세가지 스텝으로 나뉩니다. 샘플 준비=>클러스터링=>시퀀싱의 과정입니다.

일루미나사의 시퀀싱 방법

https://www.youtube.com/watch?v=fCd6B5HRaZ8

동영상에서는 4개로 나누어 설명하고 있는데 여기에서는 중요한 앞부분 3개에 대해서 설명합니다.

1) 샘플 준비(sample prep 혹은 library prep)

샘플이란 바로 DNA를 말하는 것입니다. 여기서는 분변 DNA를 예로 들어 설명하겠습니다. 분변에서 DNA을 추출하고 16S rRNA gene에 달라붙는 프라이머를 구입해서 PCR 합니다. MiSeq은 그렇게 긴 부분을 시퀀싱할 수 없기 때문에 이번에는 variable region 4(V4)의 양 끝에 달라붙는 프라이머를 이용하여 PCR 합니다. 즉 V4부분만 증폭되겠네요. 이 중복된 것(PCR 산물)을 Illumina가 개발한 Flow Cell이라는 작은 슬라이드 유리와 같은 것에 붙입니다. 붙이는 방법은 DNA의 상보적인관계를 이용합니다. 예를 들면 flow cell에 AATTGGAATTGG라는 것을 붙이고 PCR의 프라이머를 구입할 때 V4의 첫 부분에 TTAACCTTAACC를 추가하고 합성하면 PCR 산물도 TTAACTTAACC서열을 가진 상태로 생산됩니다. 그리고 이 부분이 flow cell에 달라붙습니다. 이렇게 플로우셀에 붙도록 PCR 해주는 것을 샘플 준비라고 부르고 있습니다.

이 “여분한 부분”을 잘 이용하면 무려 샘플 마다 표지할 수 있습니다. 예를 들어 내 분변 DNA를 PCR할 때는 ATTGGAATGGG를 잡고, 당신의 분변 DNA를 PCR할 때는 ATTGGAATTGC(마지막 부분만 바꿨어요)를 사용하면 나중에 무려 10만 이상의 DNA시퀀싱 결과를 받는데 AATGGAATGGGG에서 시작하는 배열은 제 미생물, AATGGAATTGC에서 시작하는 배열은 당신의 미생물이라는 식으로 판별할 수 있는 것입니다.

MiSeq에서 모처럼 대량의 유전자 정보를 얻을 수 있는데 샘플들을 가득 넣어서 시퀀싱하고 싶으시죠? 시퀀싱 비용은 샘플의 숫자로 결정되는 것이 아니라 한번의 MiSeq에 몇 샘플 들어 있든 같은 가격입니다. 사실은 이 작업업은 두번의 PCR 작업으로 나누어 하고 있습니다. 간단히 설명하면 첫 PCR에서 V4를 중복 2차 PCR은 1차 PCR산물을 더 AATTGGAATTGG 같은 샘플 식별 바코드(인덱스)을 추가하여 이루어집니다. 두 차례에 나누어 하는 이유는 V4 이외에 추가할 부분이 너무 많아서 프라이머가 길어져 PCR의 효율에 영향을 줄 것이라 생각하기 때문입니다.

2) Cluster generation

아래 그림의 플로우셀을 보세요. 크기로 치면 현미경에 사용되는 슬라이드 유리에 의해 조금 큰 정도일까요? 작은 판에 많은 단일 가닥의 짧은 DNA가 붙어있습니다. 이 단일 가닥 DNA는 실은 2종류가 있으며 샘플을 준비할 때 포워드 프라이머와 리버스 프라이머에 따로 추가 받습니다. 즉 PCR 산물과 플로우셀을 결합시킬 때 양쪽 중 한 쪽에 붙으면 달라붙도록 설계되어 있습니다. 또, 포워드와 리버스의 방향을 앎으로써 DNA 해석할 때 잘못된 역방향으로 배열을 분석하지 않는다는 메리트도 있습니다. 일단 플로우셀에 PCR 산물을 뿌리는데 가열하거나 pH를 높임으로써 DNA를 단일 가닥으로 만듭니다. 한 가닥이 된 DNA는 플로우셀에서 수염처럼 돋아난 외가닥의 DNA와 상보적으로 결합합니다. 마침 플로우셀에서 나온 DNA가 프라이머와 같은 역할을 하기 때문에 폴리머레이스가 DNA 합성을 시작하면 플로우셀에 붙어있던 DNA가 길어지고 뿌려진 DNA의 상보적인 복제를 할 수 있습니다. 샘플의 DNA를 복제 했기 때문에 뿌린 PCR 산물은 씻겨나가도 괜찮습니다. 여기서 브릿지 복제(bridge amplification)라는 기술을 사용합니다. https://www.youtube.com/watch?v=fCd6B5HRaZ8로 말하면 1:30~2:00 부분이 됩니다. 복제가 끝나면 DNA가 두 가지 방향으로 서 있는 것을 알 수 있습니다. 일단 모든 DNA의 방향을 하나로 만들기 위해 한쪽 방향을 향하고 있는 DNA를 잘라냅니다(어떻게 하는지는 묻지 마세요). 그렇게 되면 복제된 DNA가 모두 같은 방향을 향해 서 있습니다. 여기서부터 시퀀싱이 시작됩니다.

3) 시퀀싱

1에서 PCR 때 프라이머에 인위적으로 붙인 부분을 이용하고 DNA 합성을 실시합니다. 이번에는 형광으로 라벨링된 염기(A,T,G,C)를 쓰겠습니다. 색상으로 구별할 수 있도록 ATGC 각각을 빨강 노랑 초록 파랑 형광으로 라벨링해 놓았습니다. 또 이 염기는 한번에 하나씩만 DNA에 달라 붙도록 고안되어 있습니다. (어떻게 하고 있는지는 기업 비밀인가봐요) 그래서, 1bp가 달라붙을 때마다 색이 빛이났는지를 보고 염기 서열을 확인할 수 있지요. 150~200bp 정도까지는 형광성이 좋고 색을 분명하게 확인할 수 있습니다만 그 이상의 경우 신장하면서 빛이 약해진 색의 판별이 어렵게 되어 신뢰할 수 없는 시퀀싱의 결과로 이어지기 때문에 긴 DNA를 시퀀싱 해서는 안 됩니다. 한 번 더 Bridge amplificaiton을 함으로써 이번에는 반대 가닥부터 시퀀싱을 할 수 있습니다. Paired-end sequencing이라고 해서 DNA 양 끝에서 시퀀싱을 하게 됩니다. 이 방법이라면 DNA를 양방향에서 시퀀싱하는 것이므로 MiSeq의 경우에는 250~400bp의 PCR 산물이 가장 질 좋은 결과를 얻게 되는 것이죠!

MiSeq을 이용한 미생물생태분석방법

미생물 생태학이란?

미생물 생태학이란 간단히 말해 어떤 미생물(이름)이 얼마나(양) 환경(샘플)에 있느지 알아보는 학문입니다. 이러한 조사를 통해 환경이 미생물의 생태에 미치는 영향을 추측합니다. 장내 세균의 경우, 어떤 미생물이 몸 안에 있는지가 우리의 건강이나 행동에 큰 영향을 주기 때문에 어떤 미생물이 있는지를 아는 것은 중요합니다. 또 어떤 음식을 먹으면 유익한 세균(박테리아)이 늘어나는지 해로운 세균이 줄어드는지 궁금하죠? 식물은 동물의 생태학과 달리 미생물의 경우 눈으로 보는 것이 현미경 없이는 불가능하고 외관상으로 미생물의 이름을 알아내는 것도 불가능합니다. 그렇기에 다른 생태학과 달리 미생물 생태학의 경우 일반적으로 유전자를 분석하는 것이 기본적인 접근법이 됩니다.

유전자를 이용한 미생물 생태분석

장내 세균의 경우 대장 안에서만 살 수 있는 미생물들이 많아, 분변에서 꺼내 몸 밖에서 배양하는 것이 어렵습니다. 많은 분들의 노력으로 많은 배지가 개발되어 이제는 다양한 장내 세균을 배양할 수 있게 되었습니다(cultur-omics 컬쳐로믹스라고 불리고 있습니다). 옛날에 비해 상당한 종류의 세균을 배양할 수 있게 되었지만 아직도 배양이 어려운 세균들이 많이 존재합니다. 그래서 등장한 것이 DNA를 분석하는 것으로 어떤 장내 세균이 있는지, 얼마나 있는지를 조사하는 수법입니다.DNA로 누가 있는지를 알 수 있다는 개념은 미국 드라마에서 친숙한 CSI(Crime Scene Investigation)를 생각하시면 됩니다. DNA의 서열(A, T, G, C의 배열)이 개체마다 다르기 때문에 살인 현장에 남겨진 DNA 배열과 용의자의 DNA 정보가 매치 되는지를 통해 범인을 특정할 수 있습니다. 또, 슬픈 이야기지만 피가 섞인 가족이라는 것을 증명하기 위해서도 쓰이겠죠. 이 경우는 염기 서열의 완벽히 일치하는가가 아니라 부모님과 아이들 사이에 DNA 서열이 어느 정도 비슷한가를 확인합니다. 자녀는 아버지, 어머니로부터 DNA를 물려받기 때문에 부모의 DNA는 자식에게도 있기 때문입니다. 장내 세균의 생태를 조사하는 경우는 어떨까요? 어떤 특정 세균의 존재를 확인하려는 목적(특정 세균의 존재 유무)인 경우도 있지만 여기서는 어떤 세균들이 있는지 알아내는 것을 목적(어떤 종들이 있는지 확인하는 것)으로 합니다. 일단은 모든 세균은 16S rRNA를 만드는 유전자를 가지고 있으며 16S rRNA(ribosomal RNA)는 단백질을 세포 내에서 합성할 때 쓰는 중요한 “것” 정도로 생각하세요.

사실 이 16S rRNA을 담당하는 유전자 부분이 박테리아의 이름을 알 열쇠입니다. 왜 그런 것일까요? 잘 생각해보세요, 이 유전자가 변이되면 박테리아는 단백질을 만들지 못하게 됩니다, 즉 박테리아가 죽게 된다는 것입니다. 따라서 이 유전자는 변이되지 않고 조상 대대로 내려온 것입니다. 그래도 약간의 유전자 변이는 가능합니다. 그런 이유로 이 유전자의 배열이 비슷하다는 것은 조상이 같다는 식으로 여겨지는 것입니다. 이 유전자 배열 패턴은 크게 약 30개 정도로 나눌 수 있어 ~문(phylum)이라고 불리고 있습니다. 예를 들어 장내 세균에서는 대부분의 세균이 퍼미큐티스(Firmicutes) 문에 속해 있습니다. 문의 세균을 점점 세분화하면 강(class)로 나눌 수 있고, 목(order), 그리고 과(family), 속(genus), 종(species)과 나눕니다. 아실지 모르겠지만 인간도 이런식으로 나누어져 있어서 호모 속의 사피엔스 종입니다. 대장균의 경우 E. coli 인데요, 이것도 Escherichia 속 coli 종인거죠.

그런데 지금까지 명명된 균들은 유전자도 분석되어 유전자 데이터베이스에 등록되어 있습니다. 미지의 박테리아를 조사할 때 16S rRNA 유전자가 베이스에 등록된 박테리아와  97% 이상 같은 경우는 동종으로 본다는 불문율이 있습니다. 전문가들에 의하면 최근에는 98.6%로 정하자는 이야기도 나오고 있습니다. 95% 정도면 같은 속이지만 종은 다르다고 봅니다. 이 경우 발견자가 새로운 종의 이름을 제안할 수 있습니다. 중요한 점은 새로운 미생물을 발견하더라도 그 미생물을 배양하지 못하면 안타깝게도 새로운 이름을 제안은 할 수 없다는 것입니다.

장내미생물의 연구방법

감이 좋으신 분들은 이미 눈치채셨겠지만, 현대의 미생물생태학은 바로 이 유전자를 해석함으로써 어떤 미생물이 얼마나 되는지 추측하는 것입니다. 하지만 추측이기 때문에 이렇다 저렇다 단정할 수 없습니다. 이러함에도 실제로 지구상에 존재하는  모든 미생물을 배양해서 확인할 수 없기 때문에 추측을 통한 분석을 진행합니다. 그럼 장내 미생물 생태를 분석하는 것을 예로 들어봅시다. 우선 분변에서 DNA를 추출입니다. 왜 분변을 사용하여 장내미생물 생태를 분석하는가에 대한 답변은 다음과 같습니다. 분변에서 추출 된 DNA는 숙주 (한 사람의 분변)의 대장 세포가 벗겨져 대변에 남은 것과 어제 먹은 음식이 소화되지 않고 남아 있다면 그 음식의 식물세포, 그리고 장내 미생물의 DNA 입니다. 양적으로는 대부분 장내 미생물의 DNA 라고 해도 무방합니다. 아무튼 대장에는 뒤섞였지만 100 ~ 1000조 개의 미생물이 서식하고 있으며, 그 수는 인간의 세포수의 약 16배 입니다. 따라서 분변의 DNA에는 대부분 미생물이 포함되어 있다고 생각할 수 있습니다. 

Miseq을 이용한 미생물 생태 조사 방법

 

드디어 본문입니다. 도입부가 조금 길었습니다. MiSeq을 이용한 미생물생태 분석방법에 대해 설명해드리겠습니다. 그 전에, “MiSeq”이라고 아시나요? 2004년부터 차세대 염기서열 분석법 (Next Generation Sequencing-NGS) 이라는 말이 사용되기 시작했습니다. DNA의 염기서열을 결정하는 것은 하나의 서열(A, T, G, C)이지만, NGS를 이용하면 무려 100만개 이상의 DNA를 동시에 시퀀싱할 수 있습니다. 다시 말해서 한 번에 100만 개 이상의 DNA를 조사할 수 있다는 말입니다. 이를 미생물 생태학에 활용하면 분변에서 추출한 DNA를 PCR을 활용하여 16S rRNA 유전자를 많이 증폭시켜 NGS를 이용하여 조사할 수 있습니다. 

Miseq이라는 것은 수 많은 NGS 기계 중 하나인데, 염기서열분석에 필요한 비용, 한 번에 조사되는 DNA의 수, 그리고 DNA의 길이가 미생물생태 분석에 딱 적합하기 때문에 많은 사람들이 Miseq을 미생물 생태를 조사에 이용하고 있습니다. 그 외 기계들은 많은 양의 DNA를 조사하지 못하거나, 불필요하게 길이가 엄청나게 긴 DNA를 읽거나, 반대로 엄청난 양의 DNA를 한꺼번에 조사하게 되면 궁합이 (?)잘 맞지 않습니다. 이와 같은 이유로 가장 추천하는 기계이지만 단점이 있습니다. 16S rRNA 유전자는 약 1500~1600bp 이지만 (A, T, G, C를 모두 합쳐서 1500 ~ 1600 정도), Miseq 은 400bp정도의 길이가 가장 적합합니다. 하지만! 16S rRNA 유전자 전체를 조사하지 않고 일부분만 조사하고도 해당 미생물의 이름을 추적할 수 있습니다. 사실은 이 16S rRNA 유전자는, 다양한 미생물들의 유전자를 비교해보면 어떤 부분은 모든 미생물에서 동일한 염기서열을 가지고 있는 것을 확인 할 수가 있습니다. 아래의 그림에서 파란색 부분입니다. 이 부분은 조사해도 미생물 사이에서 차이가 별로 없기 때문에 미생물의 이름을 확인하기에는 적합하지 않습니다. 반면에 빨간 부분은 Variable Region이라고 불리며 이 부분을 조사하면 미생물의 이름을 찾기에 수월합니다. 왼쪽부터 차례대로 V1, V2, … , V9 까지 있는데, 이 9개의 region중에 어느 region을 선택하여 알아봐야 할까요? 이 물음에 대한 정답은 “모른다” 입니다. 하지만 이미 다른 사람이 분석한 데이터와 자신의 데이터를 비교하기 위해서는 다른 사람이 사용했던 region을 선택하면 됩니다. 이와 같은 이유로 현재 전 세계에서 가장 많이 사용하고 있는 V4 region을 우리 실험실에서는 사용하고 있습니다. 

마지막으로, MiSeq이 어떻게 수 많은 양의 DNA를 한 번에 조사할 수 있는지 간단히 정리합니다. MiSeq를 개발한 Illumina (일루미나 )라는 회사가 알기 쉬운 동영상을 내놓고 있습니다. (링크 : https://www.youtube.com/watch?v=fCd6BHRaZ8)

단 한번으로 모든 것을 이해하기 어렵겠지만, 실제로 연구실에서 자신이 직접 이 동영상에서 보여주는 일을 하는것이 아니라, MiSeq 기계를 가지고 있는 회사에 의뢰하는 사례가 많기 때문에 걱정하지 않아도 됩니다! 따라서 동영상으로 나와있기는 하지만 별도로 블로그에서도 설명하려고 합니다.