프로바이오틱스: 역사, 과학 및 유전자 염기서열 분석

웰빙과 건강한 식습관의 세계에서는 유행이 왔다가 사라지지만, 어떤 것들은 유행을 뛰어넘는 존재입니다. 프로바이오틱스를 예로 들어보겠습니다. 

프로바이오틱스는 우리 몸에 건강상의 이점을 제공하는 살아있는 박테리아와 효모입니다. 많은 사람이 프로바이오틱스에 대해 처음 알게 된 것은 80년대와 90년대에 유명 연예인이 출연한 요구르트 광고를 통해 "규칙적인 생활"을 할 수 있다고 선전한 것이 계기가 되었습니다. 

최근에는 미국인들 사이에서 발효 차 음료인 콤부차와 요거트 음료인 케피어가 큰 인기를 끌고 있는데, 두 음료 모두 살아있는 균이 풍부하게 함유되어 있습니다. 물론 프로바이오틱스는 언제든지 캡슐이나 향 주머니 형태로 섭취할 수 있습니다. 

프로바이오틱스의 미래는 분명하지만, 프로바이오틱스는 어디에서 왔을까요? 사실 프로바이오틱스는 인류 문명만큼이나 오래되었습니다. 우리가 알고 있는 프로바이오틱스의 역사와 오늘날 프로바이오틱스에 대한 우리의 이해가 어떻게 계속 발전해왔는지 살펴보세요.

발효의 역사

프로바이오틱스의 역사는 인류의 역사와 함께합니다. 현대와 같은 방식으로 프로바이오틱스를 이해하지는 못했지만, 인류는 수세기 동안 발효를 통해 프로바이오틱스를 섭취해 왔습니다.

발효는 미생물의 효소가 음식이나 음료의 당분을 분해하는 화학적 과정입니다. 이 과정은 혐기성(산소 없이)으로 진행되며 에탄올, 젖산, 이산화탄소와 같은 새로운 화합물을 생성합니다. 

결과적으로 해당 음식의 구성과 식감이 완전히 달라집니다.

예를 들어, 빵 반죽의 효모는 발효를 통해 밀가루의 포도당으로부터 에너지를 얻고, 노폐물로_CO2를 생성하여 반죽이 구워질 때 부풀어 오르는 데 도움이 되는 기포를 생성합니다. 젖산이 특유의 매력적인 맛과 향을 만들어내는 치즈에서도 이러한 성분 변화가 일어납니다.

고대의 프로바이오틱스

사람들은 맛과 향, 식감을 보존하고 개선하기 위해 10,000년 이상 음식과 음료를 발효시켜 왔습니다. 고고학자들은 기원전 7000년경 신석기 시대 중국에서 발효된 쌀로 만든 음료가 특히 흔했던 발효에 대한 기록을 발견했습니다. 성경 창세기(18:1-8)에서 아브라함은 "송아지 고기, 빵, 신 우유"를 제물로 바쳤다고 하는데, 이는 발효 유제품의 젖산이 만들어내는 신맛을 암시합니다. 또한 예언자 무함마드가 코카서스 산악인들에게 젖산이 풍부한 발효 음료인 케피어를 주었다는 이야기도 전해지고 있습니다.

발효는 식량을 얻기 위해 농사를 지은 최초의 인류 중 하나인 수메르인들도 실천했습니다. 기원전 1800년경의 고대 설형문자에는 곡물을 양조장에 납품한 기록과 맥주 양조를 찬양하는 찬송가까지 남아 있습니다. 수메르인들이 우유를 발효시켰다는 기록도 있습니다. 한 농부의 기록에 따르면, 그는 소에서 얻은 우유, 버터, 치즈로 전년도에 훌륭한 수익을 올렸다고 언급되어 있습니다.

고대 이집트인들은 특히 사워도우 빵을 굽는 등 음식을 발효시키는 것으로도 유명했습니다. 빵을 만들기 위해 곡물을 수집하고 가공하는 과정을 묘사한 무덤과 사원의 많은 기록에서 알 수 있듯이 빵은 모든 이집트인의 식단에서 빼놓을 수 없는 필수품이었습니다. 이 밀가루는 반죽과 공기 중의 효모로 자연적으로 만들어지는 스타터 배양에 사용되었습니다. 이 배양액은 빵이 구워지기 전에 반죽이 부풀어 오르는 것을 도와 풍미가 풍부하고 쫄깃한 식감을 만들어냅니다.

가장 인상적인 것은 기원전 1615년 중국 타클라마칸 사막에서 발견된 미라에서 세계에서 가장 오래된 치즈가 발견되었다는 사실입니다. 

하지만 발효의 경이로움은 20세기가 되어서야 진정으로 밝혀졌습니다.

프로바이오틱스의 발견

프로바이오틱스는 1907년 러시아 과학자이자 노벨상 수상자인 엘리 메치니코프가 불가리아 코카서스 산맥의 주민들을 연구하면서 처음으로 과학적으로 문서화되었습니다. 메치니코프는 이 지역의 100세 이상 장수자 비율이 높은 것에 매료되었고, 이 지역 주민들이 정기적으로 발효 요거트를 마시는 것을 관찰했습니다. 

발효에 중요한 미생물을 발견한 루이 파스퇴르와 동시대 인물인 메치니코프는 미생물이 인간의 건강에 미치는 영향에 관심을 가졌습니다. 그 결과 그는 마을 사람들이 마시는 요구르트에서 발견할 수 있는 미생물을 재빨리 연구하기 시작했습니다.

현미경으로 미생물을 연구한 결과, 그는 이 요구르트에 최근 불가리아의 의사 스타멘 그리고로프가 발견한 미생물인 락토바실러스 불가리쿠스라는 박테리아가 들어 있다는 사실을 발견했습니다. 오늘날 우리가 알고 있듯이 요거트용 우유 배양은 일반적으로 락토바실러스 불가리쿠스나 스트렙토코커스 써모필러스와 같은 유산균을 첨가하여 이루어집니다.

이러한 연관성을 발견한 메치니코프의 연구는 락토바실리가 질병과 노화에 기여하는 위장관의 부정적인 영향에 대항할 수 있음을 시사했습니다. 메치니코프는 락토바실리를 "프로바이오틱스"라고 불렀는데, 이는 "프로"를 뜻하는 라틴어 "프로"와 "생명"을 뜻하는 그리스어 "바이오스" 또는 "바이오틱"에서 유래한 말입니다. 

오늘날 프로바이오틱스는 다양한 박테리아와 효모 속에서도 발견된다는 것을 알고 있지만, 메치니코프의 연구 결과는 프로바이오틱스에 대해 우리가 알고 있는 것의 토대가 되었습니다. 예를 들어, 최근의 연구에 따르면 프로바이오틱스는 기분을 좋게 하고, 소화 문제를 완화하며, 건강한 면역력을 지원하는 등의 이점이 있는 것으로 밝혀지고 있습니다.

이 발견이 없었다면 프로바이오틱스에 대한 우리의 이해는 지난 세기 동안 지금과 같은 방식으로 발전하지 못했을 것입니다. 메치니코프의 발견으로 인해 오늘날 프로바이오틱스에 대한 우리의 이해는 어떤 모습일까요?

현대의 프로바이오틱스

프로바이오틱스는 그 어느 때보다 우리 사회에 널리 퍼져 있으며, 콤부차, 요거트, 김치와 같은 발효 식품이 점점 더 인기를 얻고 있는 것을 보면 알 수 있습니다. 하지만 현대의 프로바이오틱스는 맛있는 음식 외에도 유전자 염기서열 분석 분야에서도 큰 파장을 일으키고 있습니다.

프로바이오틱스 및 유전자 염기서열 분석

유전자 염기서열 분석은 DNA 분자를 구성하는 염기라고 알려진 네 가지 화학적 '구성 요소'의 순서를 결정하는 과정입니다. 이러한 염기에는 아데닌, 구아닌, 시토신, 티민이 포함되며, 과학자들은 이를 통해 특정 DNA 세그먼트에 담긴 유전 정보의 유형을 알 수 있습니다. 이는 프로바이오틱스의 경우 전 세계의 다양한 균주뿐만 아니라 우리 몸속의 균주를 식별하는 데 도움이 되기 때문에 매우 중요합니다.

먼저 유전자 염기서열 분석의 발견에 대한 간략한 타임라인을 살펴보세요:

지난 10년 동안 프로바이오틱스 연구에 괄목할 만한 변화가 일어났는데, 그 중 상당 부분은 인간 게놈 프로젝트와 같은 획기적인 연구 덕분에 새로운 전체 게놈 시퀀싱 방법에 대한 접근성이 높아진 데 기인합니다. 1,000가지가 넘는 박테리아의 게놈 서열이 해독되면서 박테리아 생물학에 대한 이해의 폭이 크게 넓어졌습니다.

유전체 염기서열 분석의 초기 노력은 주로 질병을 일으키는 병원성 박테리아에 초점을 맞추었지만, 이제는 이러한 관심의 일부가 식품 관련 박테리아, 장내 공생균, 프로바이오틱스 박테리아(2009년 프로바이오게노믹스라는 학문이 만들어졌습니다)로 옮겨가고 있습니다.

전체 게놈 서열 데이터를 통해 전문가들은 더 많은 질문에 답하고, 더 많은 문제를 해결하고, 건강과 의학 분야에서 더 많은 발전을 이룰 수 있습니다. 발효 식품이나 장에서 분리된 새로운 균주의 게놈 서열을 분석하면 과학자들은 단 하루나 이틀 만에 많은 질문에 대한 답을 얻을 수 있습니다:

• 위험한 경우 - 히스타민 반응이나 항생제 내성을 유발하는 유전자를 가지고 있는 경우
• 유용하다면-예를 들어 유당을 젖산으로 발효시키는 유전자가있는 경우
• 유전적 친척은 누구인가
• 마이크로바이옴 염기서열 분석이 완료된 사람의 장에서 발견되는 경우

PS128: 게놈 시퀀싱을 통해 알게 된 것들

2007년 발효 겨자채소에서 새로운 박테리아 균주가 분리되었을 때, 게놈 염기서열 분석 결과 락토바실러스 플란타룸 종에 속하는 것으로 밝혀졌습니다. 이 새로운 균주인 L. 플랜타룸 PS128은 알려진 히스타민 생성 유전자나 항생제 내성 유전자가 없었기 때문에 잠재적인 인간 프로바이오틱스로 빠르게 분류될 수 있었습니다. 어떻게 알 수 있을까요? 게놈 시퀀싱 때문입니다. 

최근 락토바실러스 플란타룸 PS128이 락티플란티바실러스 플란타룸 PS128로 이름이 변경되었습니다. 그 이유는 무엇일까요? 다시 말하지만, 게놈 시퀀싱 때문입니다. 

락토바실러스 속은 이전에 수많은 젖산 생산 박테리아 종을 포함했지만, 게놈 염기서열 분석 결과 260여 종의 박테리아 중 상당수가 진화론적으로 볼 때 서로 먼 거리에 있는 것으로 밝혀졌습니다. 

발효를 통해 젖산으로 전환되는 유당은 유제품에 흔히 함유되어 있으며, 유산균은 산과 담즙산염에 대한 내성 덕분에 상업적 용도로 특히 유용합니다. 유산균은 젖산과 박테리오신, 과산화수소와 같은 항균 화합물을 생성하기 때문에 병원균과 싸우는 데도 기능적인 역할을 합니다.

2020년, 게놈 시퀀싱을 통해 유전적 내용에서 명확한 차이를 발견한 후 락토바실러스를 25개의 새로운 속으로 재분류하는 박테리아 이름에 대한 공식 기록 저널에 재분류 제안서가 채택되었습니다. 이 새로운 분류에는 '락토바실러스'라는 기존 이름을 유지하는 속 1종과 새로 만들어진 락티플란티바실러스 및 기타 23개의 새로운 속이 포함되었습니다.

프로바이오틱스의 미래

유전자 염기서열 분석과 같은 획기적인 발전과 현대 기술의 놀라운 속도 덕분에 마이크로바이옴과 프로바이오틱스에 대한 이해가 크게 확대되어 인간 건강에 대한 지식이 비약적으로 발전했습니다. 

예를 들어, 분변 마이크로바이옴 시퀀싱을 통해 전문가들은 개별 마이크로바이옴의 프로필을 파악할 수 있으며, 이는 특정 건강상의 필요를 더 많이 이해하고자 하는 사람들에게 도움이 될 수 있습니다. 가장 인상적인 점은 누구나 온라인으로 구매할 수 있는 가정용 대변 마이크로바이옴 키트를 통해 자신의 마이크로바이옴에 대해 더 깊이 이해할 수 있다는 것입니다. 

이러한 키트를 사용하면 누구나 자신의 마이크로바이옴 프로필을 기반으로 자신의 건강 상태에 대해 자세히 알아볼 수 있으며, 이를 통해 어떤 프로바이오틱스가 최고의 효과를 제공할지 결정할 수 있습니다. 이러한 키트는 여전히 상당히 비싸지만, 많은 회사에서 다양한 결제 옵션을 통해 더 많은 사람들이 장 건강에 대해 더 잘 알 수 있도록 접근성을 높이기 위해 노력하고 있습니다.

과거와 현재 진행 중인 혁신은 프로바이오틱스의 연구와 적용에 새로운 가능성을 제시하고 있습니다. 예를 들어, 메타게놈과 같은 새로운 방법을 통해 인간을 대상으로 실시간 연구를 수행할 수 있습니다. 이 경우 자연에서 직접 게놈 DNA를 시퀀싱하는 방식이 사용됩니다. 이 방법은 연구자가 특정 박테리아 균주를 배양하여 염기서열을 분석할 수 있는 충분한 DNA를 추출할 수 있어야 했던 이전 방법보다 훨씬 간소화되었습니다. 이 기술을 통해 실험실에서 배양하기 매우 어려운 인간 미생물의 70%를 식별할 수 있게 되었습니다.

이와 같은 방법은 의학 및 생명공학 분야에서 중요할 수 있는 유전자, 유전자군, 암호화 단백질을 밝혀낼 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, 새로운 데이터 수집 방법이 이 분야를 발전시키는 데 도움이 되고 있습니다. 이러한 시스템은 프로바이오틱스와 면역 체계, 신진대사 및 마이크로바이옴 전체와의 상호작용에 대한 연구를 더욱 발전시킬 것입니다. 

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