제2의 인간 유전체, 인체 Microbiomes으로 만드는 미래보물 > 칼럼

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  사람은 외부와 접촉하고 있는 부분인, 코, 입, 식도, 위, 소화기관, 생식기, 손 발, 피부등 모든 부분에는 약 7,000-10,000종류 이상의 미생물과 함께 살고 있다. 인간과 함께 사는 미생물의 수는 사람 세포수의 10배 이상인 약 100-200조 개 이상으로 무게로는 약 2Kg 정도로 추정한다. 2012년의 Nature지(468권) 표지는 아름다운 여성의 얼굴과 여성의 얼굴에 다양한 미생물이 덮여 있는 그림으로 장식되었고, “당신의 몸의 대부분 미생물들(Your body is mostly microbes)”라는 어쩌면 끔직한 말이 적혀있는데 실제로도 아주 작아서 눈에 보이지 않지만 미생물들로 신체 내외부에 아주 많이 있다. 이런 미생물들은 사람 몸 내외에서 다양한 역할을 하고 있어서  그간 몇 개의 유익 미생물위주로 개발되던 인체 미생물관련 제품이 이제는 총체적 미생물군인 Microbiomes을 통한 개발도 전환됨에 따라서 휠씬 개발 제품이 다양해지고 있다.. 

 

  인체와 함께 사는 미생물들의 총체적인 표현을 “인체 Microbiomes”이라 표현하고 있고  Microbiome은 Microbe(미생물)과 Biom(생물군 계)의 합성어로 인체 Microbiomes은 인간과 함께 살아가는 미생물 총 생태계와 이 미생물의 유전정보 전체로 표현된다. 인간과 미생물과의 연관 관계를 밝히는 인체 Microbiomes연구 결과에서 미생물이 단순한 소화기관에서의 영양 생리적 역할을 뛰어넘어 인간에 중요한 장기들과 같이 지금까지는 알려지지 않은 방법으로 인간건강과 질병에 깊게 관여하다는 것이 속속 밝혀지고 있다.

 

  인간유전체가 해석된 후 사람이 가지고 있는 생리 활성기능 물질인 유전자 수가 2만-2만 5천개 정도로 보고되고 있는데 비해서 함께 사는 인체 Microbiomes에 포함된 유전자 수는 780-800만개 이상으로 추정되어 인간에 비해서 300-400배 더 많은 생리기능을 가지고 있다.  생리기능 물질은 자체로서 신 기능소재로 유용하게 사용할 수 있을 뿐만 아니라 의학, 약학, 식품, 화학, 환경 등 산업에 새로운 콘텐트 제공할 수 있을 뿐 아니라 새로운 생리활성을 이영한 산업 신 공정개발을 가능하게 하여 4차 산업혁명에 중요한 방아쇠가 될 수 있다.

 

  내장 내에 서식하는 미생물은 소화기관내에서 소화, 해독등 정장작용을 하여 건강유지 하는데 중요 역할을 한다는 것이 이미 잘 알려져 있고 흔히 많이 마시고 있는 상용화된 유산균 제제가 대표적 예이다. 인체 Microbiomes의 연구의 시작은 정상인과 당뇨병 환자의 장내 Microbiomes을 비교한 2012년 Nature지(Qin et al)의 연구결과가 각광을 받으면서 시작되었다. 미생물 생태계인 Microbiomes을 구성하는 다양한 종류의 미생물 분포와 숫자뿐만 아니라 구조 및 기능의 연관관계 등이 당뇨병 환자와 정상인이 큰 차이를 보인다는 중요한 결과를 도출했는데, 결국 질병과 Microbiomes은 연관관계가 있다는 이야기다. 

 

  2013년 발표된 Science지(Walker & Parkhill et al.)에서는 미생물이 전혀 없는 무균의 쌍둥이 생쥐를 이용하여 그중 한 마리에는 비만한 어른 생쥐의 장내 분변을 장내에 집어넣었더니 결국 비만한 어른 생쥐와 똑같이 비만해 졌고, 다른  한 마리에는 마른 어른생쥐의 분변을 집어넣었더니 야위고 마른 생쥐가 되었다. 같은 방법으로 비만한 어른 생쥐의 분변을 집어넣은 생쥐에게 다이어트 음식인 저지방 고섬유질의 음식을 먹여도 역시 비만해 지는 것을 발견하였다. 특히, 비만한 생쥐와 마른 생쥐의 분변을 바꾸어 넣었더니 비만했던 쥐는 야위고, 마른 생쥐는 비만해 졌다. 지금까지는 비만해 지는 이유가 먹는 음식에 있다고 생각했는데, 그렇지 않고 분변에 살아 있는 Microbiomes에 미생물 때문에 생쥐가 비만해 진다는 놀라운 결과를 발견하였다. 

 

  놀랍게도 생쥐가 에너지원으로 사용하기 어려운 다이어트 식품인 저 지방에 고섬유질을 먹어도 비만해 지는 것은 생쥐자체는 그런 식품을 분해하거나 합성하지 못해서 이용하지 못하지만 생쥐 장내 Microbiomes에 포함된 미생물에는 얼마든지 섬유질을 분해하거나 지방질을 합성할 수 있는 기능을 가진 효소단백질이 존재할 수 있어서 결국은 고에너지의 식품으로 전환시킬 수 있는 가능성이 있기 때문에 살이 찌는 것이다. 어쩌면 전혀 놀라운 일이 아니고 우리가 알고 있는 과학적 지식으로도 얼마든지 설명할 수 내용 이다.    

 

  건강한 사람 장내 분변을 이식하는 대변이식(Fecal Microbiota Transplantation, FMT)기술이 유럽, 미국에서 유행하고 있는데, 건강한 사람의 분변의 Microbiomes을 코나 입으로 관을 통해서 주입하거나 내시경시술, 관장도구를 이용하여 환자에게 이식하는 기술이다. 상당히 많은 효과를 인정되고 특히, 클로스트리디움 디피실(Clostridium difficile)이란 병원균에 의한 난치성 대장염의 치료에서는 치료 성공률이 90%가 넘는 좋은 치료법으로 인정받고 있다. 이런 이유로 건강한 대변을 모으는 대변은행사업이 유행하고 건강할 때의 자기의 분변 Microbiomes을 은행에 보관했다가 건강상태가 나쁠 때 나중에 이식용으로 사용하기도 하고 건강요소가 검정된 대변은 앞으로 시장거래도 가능할 전망이다. 아울러, 몸속 독한 유해미생물을 없애고 유익한 미생물을 치환하다는 의미에서 해독치료 요법으로 각광을 받고 있어서 관심이 크고 특히 아토피나 체질개선 등에도 큰 효과가 있다고 인정된다. 

 

  비만에 대해서는 많은 연구 결과를 내어서 수많은 Microbiomes중 어떤 미생물이 비만억제에 효과가 있는지 밝혀서 비만에 대한 새로운 생물 의약 개발로 발전하고 있고 아토피 염증 관련 면역에 대한 연구 결과, 사람을 빨리 늙게 하는 노화와 관련된 Microbiomes, 뇌질환인 정신질환 치료/개선, 심혈관 질환 치료나 개선, 대사증후 감염/염증등 거의 모든 질병에 Microbiomes이 직 간접적으로 관련 되어 진단/치료가 가능하다는 연구증거가 발표되어 실용화되면 의 약학 분야에 파급효과가 지대할 것으로 예상한다. 

 

 최근의 Nature지(2017)에서는 한국인 부부 과학자가 2편의 놀라운 논문을 발표했는데, 자폐증의 원인을 밝히는 연구이다. 임신 중인 생쥐에 바이러스를 인위적으로 감염시키면 생쥐새끼가 자폐증 생쥐로 태어나는데, 생쥐 장내 Microbiomes에 존재하는 어떤 미생물을 없애면 태어난 생쥐가 자폐증에 걸리지 않는다는 재미난 결과를 발표하였다. 한걸음 더 나아가서 자폐증이 발생하는 뇌의 영역(SIDZ영역)에 바이러스가 감염되면서 만들어진 면역세포가 붙어서 자극하면 뇌 영역중  반복된 행동이나 사회성이 결여유발 지역으로 신호가 전달되어 결국 어린 생쥐는 자폐증이 걸리는 것을 밝혔다.  생쥐 Microbiomes에 한 종류의 장내세균을 항생제로 없애 버리면 흡착되는 면역세포가 줄어들거나, 뇌 영역중 사회성 결여나 반복 행동부위로 신호이 전달을 차단되어  태어난 생쥐가 자폐증이 걸리지 않는다는 놀라운 사실을 밝혔다. 신생아의 자폐증도 Microbiomes과 밀접한 관계가 있음을 밝혀 인체 Microbiomes의 중요성을 더욱 부각시켰다. 

    

 우리 몸에 함께 살아가는 인체 Microbiomes이 단순히 소화기관이나 피부에만 영향을 미치는 것이 아니라 신체에서 일어나는 모든 현상에 직 간접으로 작용하다는 중요한 사실이 과학적으로 증명되면서 세계 각국은 중요성을 인정하고 본격적으로 연구투자를 시작하였다. 인체 Microbiomes의 중요성을 인정한 미국 유럽이 2010년 국제대형 과제를 시작하여 30만종의 미생물과 Data base를 2017년 11월에 Nature 지에 발표하였다. 미국은  2015년 11월에 OSTP주관으로 인체Microbiomes 연구가 기획되어 오바마 정부임기 말기인 2016년 5월에 국가 Microbiome 이니셔티브(National Microbiome Initiative, NMI)가 추진되어 향후 2년 동안 1억2,100만$의 연구예산이 지원된다. 이외에 OECD, 일본, 캐나다, 중국에도 연구를 시작하고 관심이 고조되고 있고 다국적 기업인 Pfizer, Johnson & Johnson에도 연구소를 설립하고 연구를 착수하였다. 특히, 고령화 문제가 심화되면서 경제인구가 감소되고 만성질환을 근본적인 해결가능이 큰 방안으로 Microbiome으로 본 OECD는 중요성을 강조하고 기술개발과 제품혁신의 주요 요소로 BigData 분석 수집 활용 역량과 생명공학, ICT, 병원 임상등의 융복합 컨소시엄 구축을 강조하여 4차 산업 혁명의 기술 발전과 같은 방향을 제시한다.

 

  Microbiomes연구가 비만, 당뇨, 고혈압 등 만성질환과 치매, 자폐, 주의력결핍 과잉행동 장애, 천식, 아토피, 각종 암, 심혈관, 면역/염증 등 질병예측, 치료에 가능할 것으로 예측하고 기능 보조식품, 식의약품, 의료용 식품 등으로 건강기능식품도 재분류되어 전체 시장이 급격하게 확대될 것이다. 관련 산업이 2022년 5억 US$ 달하고 향후 2025년까지 연평균 21.1%의 높은 시장증대로 약 9억 US$의 시장이 예측(Markets and Marckets, 2017.3)되고 특히, 새로운 Microbiomes신약의 대두가 예측될 시는 훨씬 시장 규모가 클 것으로 예측한다.  Microbiomes의 기초 연구는 지금까지 우리가 생각하지 못하는 새로운 현상을 많이 발견할 수 있을 뿐만 아니라 인류에 미치는 파급효과가 지대하므로 앞으로 노벨상들을 받게 될 가능성이 크기 때문에 노벨상을 염원하는 우리도 관심을 가질 필요가 크다.  아울러 본고에서 언급하지 않은 동식물과 환경에 존재하는 Microbiomes의 연구로는 사료, 축산 수의, 신 화학합성, 환경 등에 관련된 산업의 발전과 환경보호와 기후변화 방지등에도 큰 역할을 할 것으로 기대한다. Microbiomes은 오늘날 유행처럼 번지고 있는 4차 산업혁명에 혁신의 방아쇠 역할로 기대가 크고 이를 잘 활용하여 융 복합을 해나가면 충분히 새로운 시장과 일자리 창출에 큰 역할을 할 수 있을 것으로 기대한다.  

 

    4차 산업혁명에서 화두가 되고 있는 “큰 물고기가 작은 물고기를 잡아 먹는 것이 아니고 빠른 물고기가 느린 물고기를 잡아 먹는다”라는 속도 이론에 정말 작지만 엄청나게 빠른 속도로 증식하고 있는 미생물군계인 Microbiomes과 비슷한 경향을 가진다. Microbiomes은  그 자체 시장뿐만 아니라 엄청난 시장 파급효과가 있어서 다음 세대의 기존의 의 약학, 농축식품, 화학, 환경산업등을 신 산업으로 유도하는 중요한 산업 개혁 지렛대로 작용할 것은 분명하므로 반듯이 발굴해야 될 보물임은 틀림없다. 

 

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기사입력 2017-12-20 17:30:00
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