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제목 장 세균총 개선용 식이 유도 포스트바이오틱스의 식별
작성자 두두몰 (ip:)
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  • 작성일 2018-06-11 13:10:04
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[첨단기술정보분석]


장 세균총 개선용 식이 유도 포스트바이오틱스의 식별


한국과학기술정보연구원

전 문 연 구 위 원 김 치 순

(chieskim1@reseat.re.kr)


1. 머리말


○ 사람 위장관에는 장 세균총(또는 미생물총)이라고 하는 ~1014개의 세균이 서식한다. 이 집단은 영양분을 소화하고 탄수화물을 발효시켜 SCFA(Short-Chain Fatty Acid)로 만들어 에너지를 추출하는 중요한 요소이다. 장 세균총은 위장관에서 면역체계, 병원체에 대한 방어 및 염증 발생 등에 영향을 미친다. 또 세균총은 뇌, 폐 및 간과 연결되어 그 중요성이 부각되고 있다. 세균총은 전신 항상성에 결정적이며, 세균총 유래 대사산물은 순환 중 탐지할 수 있고, 장 세균총 조성과 기능을 바꾸면 비만, 당뇨, 암 및 천식을 비롯한 질병에 영향을 준다.


○ 생균제와 프리바이오틱스(소화기관에서 세균성장과 활성을 자극하는 비소화성 식품성분)는 장 세균총을 조절할 수 있다. 고성능 서열결정법과 대사체학의 발전으로 세균총 기능을 직접적이고 특이하게 조작할 수 있는 포스트바이오틱스(소화기관에서 세균성장과 활성을 자극하는 생균제 대사산물)가 출현하게 되었다. 세균총의 생화학적 다양성 때문에 체계적 생물학 컴퓨터 접근법과 표적화된 대사체학이 새 포스트바이오틱스의 발견과 특성화에 중요한 역할을 한다.


2. 세균총의 기능


○ 급성 장 세균총 이상은 생명에 위협이 되지 않는 증상과 관련되나 만성은 2형 당뇨와 암 등 심각한 질병과 연결된다. 프리바이오틱스와 포스트바이오틱스 식품은 급성 장 세균총 이상을 치료할 수 있다. 생균제는 유아의 항생제 관련 설사를 고칠 뿐만 아니라 세균 대사특성을 부분적으로 회복시킨다. 생균제는 스트레스로 인한 질환에서 가벼운 치료가 가능하나 FDA는 아직 인정하지 않고 있다. 위장관에서 집락형성과 유익균 성장을 증진시키는 프리바오틱 분자는 식이보충제로 간주된다. 프럭토올리고당은 항염증, 항알레르기 및 스트레스 저항을 개선한다.


○ 효과적인 프로바이오틱 균주와 프리바이오틱스 개발의 주 장애물은 항상성과 질병상태에서의 장 미생물군집의 불완전한 특성화이다. 군집수준의 상호작용이 프리바이오틱 치료에 미치는 영향을 제대로 이해하지 못하고 있다. 세균의 공간분포는 이질적이어서 다른 장소에서는 다른 프리바이오틱 활성이 나타난다. 생균균주는 협력적인 상호작용 없이 좋은 효과를 내거나 의도한 표적에 다다를 수 없다. 생균제 치료를 위한 대사차원의 이해와 효과적인 균주 및 프리바이오틱스의 개발이 요구된다.


3. 식이 유도 포스트바이오틱스


○ 장 세균총을 강화하는 접근법은 특정 질병에서 줄어든 분자를 식별한 다음 줄어든 분자나 전구분자와 함께 식이로 보충하는 것이다. 포스트바이오틱스가 세균총이 쓰는 중요한 기능성 화합물이 되어 관심을 끈다. 위장관에서 식이 유도 포스트바이오틱스의 죽음과 질병 관련 세균총의 대사특성에 대한 영향을 조사했다. 장 세균총에 의해 변형된 아미노산 유도체는 잠재적인 포스트바이오틱스가 되는 화합물을 만든다. 트립토판에서 유도되는 인돌과 SCFA는 생물활성으로 유익한 분자가 된다.


4. 포스트바이오틱스의 식별


○ 대사체학은 복잡한 생물체계에서 작은 분자를 탐지하고 정량할 수 있어 포스트바이오틱스의 식별에 알맞다. 탠뎀 질량분석 결합 크로마토그래피로 대사산물 특성에 대한 항생제 치료의 영향을 특성화하였다. 이제까지는 바뀐 대사산물의 포괄적인 특성을 얻으려고 비표적화 접근법을 썼는데 대사산물의 엄청난 숫자(10억까지)와 감도제한이 단점이다.


○ 표적화된 MS는 시료의 탐지와 정량을 최적화한다. 컴퓨터 도구는 표적화된 MS 접근법과 포스트바이오틱스의 식별을 도와 식이 화합물의 대사산물을 예측하고, 이들이 세균총에서 유도된 것을 식별하는 데 쓰인다. 생리 및 질병상태인 특정 인간조직의 대사능력을 설명한 GSMM(Genome-Scale Metabolic Models)이 나왔다. GSMM 구축의 주요 장애는 노동집약적이며 유전체 데이터베이스에서 발견되는 정보를 설명하기 위해 많은 노력이 요구된다는 것이다.


○ 정상, 비만 및 민감성 장증후군(Irritable Bowel Syndrome: IBS) 환자사이의 국소해부학 차이를 발견하는 집락수준의 대사 네트워크 모델을 조립하고 분석하기 위해 컴퓨터 경로 분석법을 쓴다. 여기에는 Path-Miner, PathPred 및 ProPath 등이 있다. 예측 방법과 모델은 유전체 주석 자료의 정확성과 종합성이 좋아야 하고, 세균총을 구성하는 종에 대한 지식의 부족은 예측을 어렵게 한다.


5. 전망과 맺음말


○ 생균제와 프리바이오틱스를 통한 세균총의 조작은 질병치료에 굉장한 잠재력이 있다. 프리바이오틱스와 생균제의 혼합, 또는 신비오틱스로 세균총 역할의 이해가 시작되었다. 체계적 생물학접근법으로 프리바이오틱스와 포스트바이오틱스를 개발한다. 장내세균의 식별은 개별 종 수준에서 설명되었지만 메타유전학에서 장미생물의 계통발생론은 이제 설정되기 시작하였다. 정보가 늘어나며 질병치료용 프리바이오틱스와 포스트바이오틱스의 개발과 함께 새 생균제의 발견이 가속화된다.


○ 주석된 유전체와 장 미생물의 목록확장은 프리바이오틱스를 원하는 대사산물로 바꾸는 반응경로 측정을 돕는다. 표적 대사체학과 연계하여 세균총의 생화학적 다양성을 반영하는 포괄적인 대사 메타모델은 식이 화합물의 대사유도체 예측, 프리바이오틱스의 식별 또는 생체 내 변화 경로의 식별에 쓰인다. 생물활성인 세균총 대사산물 생산에 필요한 원인경로의 식별은 특정 생균제, 프리바이오틱스와 포스트바이오틱스가 세균총 조성과 기능회복 역할에 대한 이해를 돕는다.


출처 : Cory Klemashevich, Charmian Wu, Daniel Howsmon, Robert C. Alaniz, Kyongbum Lee, Arul Jayaraman, “Rational identification of diet-derived postbiotics for improving intestinal microbiota function”, Current Opinion in Biotechnology, 26, 2014, pp. 85~90



◃전문가 제언▹


○ 사람의 장에는 300~1,000종의 ~1014에 이르는 세균이 있는데 이를 장세균총이라고 하며 30~40종의 세균이 99%를 차지한다. 대변 건조 질량의 약 60%를 차지한다. 소화되지 않은 탄수화물을 발효시키고 SCFA를 흡수하여 에너지를 모으며 담즙산과 생체 이물질을 대사시킨다. 장 세균총은 위장관에서 면역체계, 병원체에 대한 방어 및 염증 발생 등에 영향을 미치며 뇌, 폐 및 간과 연결되어 그 중요성이 부각되고 있다.


○ 프리바이오틱스는 소화기관에서 이 집단의 생육이나 활성을 촉진하여 숙주의 건강을 돕는 소화되지 않는 식이성분이다. 지난 10여 년간 생균제와 신비오틱스는 균형 잡힌 식단과 장 항상성을 개선하기 위한 식품 보조제로 각광 받았다. 포스트바이오틱스는 아직 Wikipedia에도 단독 항목으로 실리지 않은 새로운 용어로서 건강에 도움을 주는 프로바이오틱/공생 세균의 대사 생성물이다.


○ 장 세균총을 강화하기 위해 질병으로 줄어든 분자를 식별하고 생물활성 분자로 전환될 수 있는 화합물을 줄어든 분자와 함께 식이로 보충한다. 포스트바이오틱스는 건강을 조절하는 세균총이 쓰는 중요한 기능성 분자이다. 트립토판 유래 인돌이나 SCFA는 세균총에 의해 만들어지는 생물활성이고 유익한 포스트바이오틱스에 속한다.


○ 대사산물은 종류와 숫자가 엄청나게 많아 개별 대사산물을 식별하고 정량하는 데 매우 복잡하고 엄청난 노력이 필요하다. 이런 문제를 해결하기 위하여 대사체학이 이용되며 대사경로를 연구하기 위해 컴퓨터를 이용한 Path-Miner, PathPred 및 ProPath 등의 방법이 쓰이고 있다.


○ 앞에서 언급한 바와 같이 이 보고서의 참고 자료가 거의 2000년 이후이고 포스트바이오틱스라는 항목도 최근에 등장했다. 따라서 우리나라에서 나온 자료도 동향에 관한 것들뿐이다. 사람의 건강과 질병에 많은 영향을 미치는 분야이므로 우리도 포스트바이오틱스의 개발과 대사유도체 예측 및 식별 등에 관한 연구가 시급하다.


[출처 : 국립디지털과학도서관 http://www.ndsl.kr/ndsl/search/detail/report/reportSearchResultDetail.do?cn=KAR2014070687]

첨부파일 장 세균총 개선용 식이 유도 포스트바이오틱스의 식별.pdf
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