장내 미생물 군집 분포도, 고세균은 1.2% 차지

문광주 기자 / 기사승인 : 2022-01-19 23:30:34
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- 1천 개 이상의 서로 다른 고세균이 장에 서식, 이전에 가정한 것보다 훨씬 다양
- 1,167개의 확인된 고세균 게놈 중 8.3%는 아직 알려지지 않은 종
- 특정 종의 출현과 그들이 생산하는 단백질로 연령대, 생활 방식 알 수 있어
- 180만 개의 고세균 단백질 목록, 고세균의 생리와 신진대사 이해와 장내 세균과 인간 숙주와의 의사소통을 해독하는 데 사용

장내 미생물 군집은 생각보다 다양하다.
고세균은 장내 미생물 군집의 1.2%를 차지


미생물 군집에서 중요한 역할을 하는 고세균:
우리의 장내 미생물 군집은 박테리아와 바이러스로 구성되어 있을 뿐만 아니라 고세균의 영향도 받는다. 장내 미생물 군집에 대한 광범위한 분석에서 연구자들은 1천 개 이상의 서로 다른 고세균을 식별할 수 있었을 뿐만 아니라 이러한 원시 미생물의 수많은 새로운 종을 발견했다. 이 인간의 고세균 카탈로그는 현재 Nature Microbiology 저널에 게재되었다. 

▲ 여기에 표시된 메타노브레비박터(Methanobrevibacter) 속과 같은 고세균도 우리 장에 서식한다.

© Dr_Microbe/게티 이미지


Archaea는 박테리아, 원핵 생물과 유사하므로 세포핵이 없다.
그러나 그들은 세포 구조와 신진대사가 다른 유기체의 세포구조, 신진대사와 크게 다르기 때문에 생명의 가계도에서 자신만의 아주 오래된 가지를 형성한다. Archaea는 온천이나 심해와 같은 극한의 환경 조건을 가진 곳에서 생활하는 것으로 가장 잘 알려져 있다. 고세균은 우리 피부에서도 발견됐다.

1천 개 이상의 서로 다른 고세균이 장에 서식한다.

우리 몸 안에 있는 고세균은 어떠할까?
킬 대학의 신시아 마리아 치바니(Cynthia Maria Chibani)가 이끄는 연구팀은 최근 어떤 고세균 종이 인간의 장내 세균총에서 발생하는지 조사했다. 이를 위해 연구원들은 기존의 수많은 미생물 군집 연구 데이터를 평가했으며, 각 연구에는 관련된 테스트 대상자의 장의 개별 미생물 군집화에 대한 완전한 유전 정보가 포함되어 있다.

새로운 분석은 인간의 고고유종과 그 생물다양성에 대한 최초의 포괄적인 설명을 제공한다. 따라서 인간의 고세균은 1,167개의 고세균 게놈으로 구성돼 있어 이전에 가정한 것보다 훨씬 다양하다. 대부분의 장내 식물상은 이산화탄소, 포름산염 또는 아세테이트와 같은 장내 세균의 분해 생성물을 메탄으로 전환시키는 메탄 생성 고세균을 포함한다. 여기에는 고세균 속 Methanobrevibacter가 포함되며, 이는 인간 장내 고세균의 많은 부분을 차지한다.

▲ 그림 1: 인간 GIT의 Archaeal genomes(1,167)은 archaeome의 분류학적 확장을 보여준다. 다음 특성(왼쪽에서 오른쪽으로)으로 표시되는 99% 유사성('계통')으로 클러스터링된 게놈의 계통 발생 수: 초고속 부트스트랩 값을 포함해 제안된 원래 분류군(계통 발생 수의 가지에 별으로 표시됨). 종 대표는 굵은 게놈 번호로 강조 표시. 분리, 알려지지 않은 속 및 종의 대표자는 게놈 번호 옆에 색칠된 점으로 표시. 대표 게놈의 분류학적 소속은 순서, 속 및 종 수준으로 표시. 균주 수준 분류군에 할당된 게놈의 수는 회색 히스토그램에 표시. 기원은 이 게놈과 그 대표자를 조립할 수 있는 샘플의 기원을 표시한다. 원형 차트는 원점의 비율을 표시. 대표 게놈의 각 게놈 크기는 메가베이스(Mb, 갈색 막대)로 표시. 담즙염 가수분해효소(파란색, BSH) 및 산소 저항성 유전자(녹색), 그리고 잠재적으로 adhesin/adhesin-like/'Flg_new'를 코딩하는 게놈의 존재와 함께 숙주 상호작용에 관여하는 유전자의 부재 및 존재에 대한 개요가 있다. domain16 단백질(주황색). 게놈(균주 목록)은 MaGe Microscope를 사용하여 분석되었고 유전자는 자동 주석이 양성일 때 존재하는 것으로 계수됐다('추정' 주석은 ​​양성으로 계수됨). (출처: 관련논문 A catalogue of 1,167 genomes from the human gut archaeome)

알려지지 않은 종과 고세균 감염 바이러스

그러나 연구원들은 인간의 장을 통한 발견의 여정에서 아직 알려지지 않은 종과도 마주쳤다.
1,167개의 확인된 고세균 게놈 중 0.85%는 알려진 속에 할당될 수 없었고 8.3%는 아직 알려지지 않은 종에서 나왔다. 몇 가지 다른 고세균이 이미 알려져 있지만, 인간의 장에서 처음으로 발견됐다.
▲ 그림 2: 지리적 기원, 인구 통계 및 건강 측면을 다루는 다양한 메타데이터 범주에 대한 게놈 분포.

"새로 발견된 수많은 종 외에도 우리는 고세균을 감염시킬 수 있는 이전에 알려지지 않은 유형의 바이러스도 식별할 수 있었다"고 Chibani는 보고했다. 장내 세균총의 박테리아가 박테리오파지 형태의 바이러스 기생충을 갖고 있는 것처럼 장내에는 고세균을 숙주로 하는 바이러스도 있다. 새로 확인된 94개의 고세균 바이러스 중 91개가 일반적인 속 Methanobrevibacter를 공격했다.

▲ 그림 3: 인간의 장내 미생물군유전체 분포 및 해당 통합 단백질 카탈로그의 고고학적 게놈.

장 고세균은 "그들의" 사람들에 대한 정보를 제공한다.

연구자들은 내장에 있는 고세균의 목록을 작성하는 것 외에도 고세균의 내장에 서식하는 180만 단백질의 기능도 분석했다. 이를 위해 그들은 생물 정보학적 방법을 사용해 소위 단백질 클러스터, 즉 기능적으로 유사하거나 관련된 단백질 그룹을 구성했다.
2만8000개 이상의 단백질 클러스터를 조사함으로써 장내 고세균 성분과 인간 대상의 사회인구학적 특성 사이의 중요한 상관관계가 발견되기를 바랐다. "예를 들어, 특정 종의 출현과 그들이 생산하는 단백질은 한 국민의 연령대나 생활 방식에 대한 결론을 도출하는 데 사용될 수 있다"고 Chibani는 설명했다.

그리고 실제로, 그들이 만든 단백질 카탈로그를 기반으로 연구자들은 피험자가 도시 또는 시골 생활 방식을 주도했는지 여부를 100% 확실하게 예측할 수 있었다. 출신지, 건강 상태 또는 성별에 대한 예측은 여전히 ​​70% 이상의 정확도로 이루어질 수 있다.

앞으로 해야 할 일이 많이 남아 있다.

전반적으로 과학은 Archaea의 완전한 다양성을 식별하기 시작했다.
예를 들어, 현재 우리 장내 세균총에서 확인된 고세균이 대장암이나 염증성 장질환과 같은 질병에 어느 정도 영향을 미치는지는 아직 완전히 밝혀지지 않았다. 그러나 과학자들은 이러한 고세균이 예를 들어 억제 대사 산물을 소비함으로써 병원성 박테리아의 활동을 지원할 수 있다고 가정한다.

연구 커뮤니티에서 생성한 180만 개의 고세균 단백질 목록은 향후 고세균의 생리와 신진대사를 더 이해하고 장내 세균 및 인간 숙주와의 의사소통을 해독하는 데 사용될 수 있다.
(Nature Microbiology, 2022; doi: 10.1038/s41564-021-01020-9)

출처: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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