이번 글에서는 잠깐 졸업 논문과 관련한 이론을 복습하고 가도록 하겠습니다.
이번에 다뤄 볼 주제는 '장내 미생물간의 관계(association between Gut Microbiotas)'입니다.
우선, 전에 읽었던 책1)의 미생물과 관련한 인상 깊은 구절을 인용하며 시작해보겠습니다.
“미생물은 크기가 작고 보유한 유전자 수도 적어 개별 미생물의 기능은 매우 한정적이어서 독자적으로 생존하기가 쉽지 않다. 따라서 미생물은 서로 연결되어 상호의존하며 살아가는 능력을 수십 억 년 동안 장구한 시간에 걸쳐 진화시켜왔다. 이 상호연결성이 미생물의 특출한 능력이다.”- < 미생물, 모든 것을 연결하는 지구의 주인 >
이러한 '상호연결성'을 특징으로 가지는 미생물은 사람의 장(창자, intestine) 내에도 존재합니다. 인간의 위장관(gastrointestinal tract)은 미생물이 안전하게 살아갈 수 있는 서식체를 제공하고, 미생물들은 여러 유용한 대사물질을 제공하며 외부 침입균의 생장을 억제할 뿐만 아니라 인간 면역력의 정상적 성숙에도 기여1)하기에 위장관과 미생물은 상리공생(commensalism) 또는 상조공생(synergism)으로서 서로에게 benefit을 주기에 함께 하도록 진화가 되었기 때문입니다(상리공생과 상조공생의 개념은 아래에서 다뤄보겠습니다).
그렇게 사람의 장은 수 천개의 장내 미생물 종들로 구성된 복잡한 생태계로 되어 있으며, 미생물의 게놈(genone)이 사람 자신의 게놈보다 150배나 많이 들어있다2)고 합니다.
위장관과 미생물 간의 관계 말고도, 앞서 말했듯 미생물은 상호연결성을 특징으로 갖기에 장내미생물 끼리도 공생(symbiosis)의 관계를 갖습니다. 그러면서도 서로 영향을 주지 않는 관계도 있고, 서로에게 해를 끼치는 관계도 있습니다. 이에 대해 하나씩 알아보도록 하겠습니다.
1. Commensalism (편리공생)
편리공생이란 한쪽 생물체는 다른 생물체와의 관계를 통해 이득을 보는 반면, 다른 생물체는 이득을 보지도 해를 받지도 않는 상호관계3)를 뜻합니다. 즉, 미생물 간의 상관관계가 '양(positive)'이면서 한 방향(one-direction)이라고 볼 수 있습니다.
이러한 관계는 특정 미생물(giver)이 다른 미생물(consumer)에게 giver에겐 필요 없는 무언가를 제공해주는 관계로 볼 수 있는데, 예로 장내 미생물 2가 장내 미생물 1의 대사산물이나 부산물(water product)로 생장(growth)하는 경우2)가 있습니다.
또한 한 종의 미생물 그룹이 다른 미생물의 생장에 적합한 환경을 만드는 것도 편리공생의 관계로 볼 수 있다고 하는데요, 일례로 한 미생물 집단에 의해 생물막*이 형성되면 또 다른 미생물 부착하여 생장하는 현상1)을 관찰할 수 있다고 합니다.
* 생물막 : 미생물들의 다양한 상호작용과 공생이 이루어날 수 있는 공간으로, 순차적으로 부착되는 한 종 또는 여러 종의 미생물이 부축하여 군집을 이루는 형태1)
2. mutualism(상리공생)
상리공생은 공생에 참여하는 서로 다른 두 종 모두가 이익을 얻는 상호 관계4)입니다.
즉, 두 미생물이 함께 존재할 때 두 미생물 모두 혼자 있을 때보다 생장이 빨라지는 경우2)로, 양 방향(bi-direction)의 관계로 볼 수 있습니다. 특히, 상리 공생은 두 생물 간의 대사가 서로 의존적이어서 각각 분리되면 생존이 불가능한 관계1)라고 합니다.
3. synergism (상조공생)
상조공생도 상리공생처럼 공생할 때 두 종 모두 이득이 되는 관계인데, 상리공생과 달리 분리되어도 생명력을 유지할 수 있는 관계1)를 의미합니다.
책1)의 사례에 따르면, 미생물 중 Chromatium 종과 Desulfovibrio 종은 상조공생 관계라고 하는데, Chromatium 종은 유기물과 황산염을 제공하고, Desulfovibrio 종은 이산화탄소와 황화수소를 공급하며 탄소와 황의 순환을 서로 연결시켜 서로의 생존에 도움이 된다고 합니다.
대표적인 상조 공생의 사례로는, 악어와 악어새의 관계, 즉 악어새가 악어의 이빨을 청소해주면서 찌꺼기를 먹이로 먹는 그런 관계가 있죠.
4. amensalism (편해공생)
편해공생은 공생을 하는 2종 중 한쪽은 억제되거나 죽지만 다른 한쪽은 영향을 받지 않는 관계 (negative하게 one-direction)로, 상대편이 만들어내는 화학 분비물에 손상을 입거나 죽는 항생작용이 그 예5)입니다.
대표적으로, 미생물인 Streptomyces 균들은 항생물질을 생산하여 다른 세균들을 용해시켜 양분으로 섭취한다1)고 합니다.
5. Neutralism (중립)
중립은 말 그대로, 공생하는 두 종이 서로가 서로에게 영향을 미치지 않는 관계입니다. 즉, 상관관계가 없는 관계라고 볼 수 있습니다.
다음으로 공생 외의 상호작용 유형인 '경쟁'과 '기생'이 있는데, 하나씩 살펴보겠습니다.
6. Competition (경쟁)
말 그대로 서로 다른 미생물들이 동일 자원에 경쟁해야 할 때 발생하는 경쟁 관계입니다.
즉, 경쟁적인 두 종의 미생물 중 한 종이 서식지를 차지하거나 그 환경에서 우세해지면 그 종의 미생물이 다른 종보다 빨리 생장하여 그 서식지를 점유하게 되는 것으로 이런 예로, 위장관의 미생물 군집이 다른 병원성 미생물의 생장을 억제하는 경우1)가 있습니다.
결국 양 측 모두 사상자를 내게 되는 '전쟁'처럼 동일한 자원을 차지하기 위한 종 간의 경쟁은 그 종의 입장에서 단기적으로 봤을 땐 양 방향(bi-direction)으로 negative하다고 볼 수 있습니다.
물론, 장기적으로 봤을 땐 경쟁을 통해 강해진 미생물이 후손에게 유리한 형질을 물려줄 수 있을 순 있을 것 같습니다(물론 진화는 목적이 없고 우연의 산물이지만, 그래도 가만히 있기보다 뭐라도 준비되어있으면 좋은 기회가 올 수 있을테니까요).
7. Parasitisim (기생)
기생은 두 미생물 간의 기생관계는 하나의 미생물에겐 이득이 되고 다른 미생물엔 해가 되는 관계로, 일시적으로 숙주와 기생체가 공존하는 시기가 있지만 이는 기생체가 숙주에서 집락을 형성하며 이때 숙주가 면역을 획득하면 기생체는 죽게되고 기생체가 계속 증식하면 숙주는 병에 걸려 죽게 됩니다1).
이러한 장내미생물 간의 관계는 다음과 같이 분류해볼 수 있습니다.
| 공생 유형 | 관계 특성 |
| 편리공생(commensalism) | positive one-directional correlaton |
| 상조공생(synerigsm) & 상리공생(mutualism) | positive bi-directional correlation |
| 편해공생(amensalism) | negative one-directional correlation |
| 경쟁(competition) | negative bi-directional correlation |
| 기생 (parasitism) | positive one-direction & negative one-direction correlation |
사실 미생물 간의 상호작용말고도 인체 미생물은 체 내의 다양한 요인들에 의해 다양한 생태계를 형성하고 있습니다(그래서 불면증이나 알츠하이머병과 같은 질병과의 병리학적 기전과 장내 미생물의 분포가 연관이 있는게 아닐까 싶습니다). 마지막으로 책 속 또 다른 인상 깊은 구절을 인용하며 글을 마치도록 하겠습니다.
"인체 미생물은 성별, 인종, 지역, 나이, 식생활의 차이에 따라 역동적인 변화를 나타낼 뿐 아니라, 한 개인의 인체 내에서도 부위별로 서식조건이 달라 여러 종류의 미생물이 존재한다. 인체 부위에 따라 미생물의 생장에 필요한 영양분과 산소, pH, 삼투압, 온도 및 수분 등이 차이를 나타내므로 서식환경과 조건이 미묘하게 다른 인체의 신체 표면과 내부 장기에는 각기 다른 미생물이 분포하여 복잡하고 다양한 생태계를 형성하고 있다." - < 미생물, 모든 것을 연결하는 지구의 주인 >
참고자료
1) 김규원, 미생물, 모든 것을 연결하는 지구의 주인, 서울대학교 출판 문화원, 2022
2) Heinken A, Thiele I. Anoxic Conditions Promote Species-Specific Mutualism between Gut Microbes In Silico . Appl Environ Microbiol 81. (2015).
3) NAVER 지식백과, 시사상식사전, 편리공생
편리공생
서로 다른 생물체 사이의 관계의 하나로 한쪽 생물체는 이득을 보지만 다른 한쪽의 생물체는 이득도 해도 받지 않는 상호관계를 일컫는다. | 외국어 표기 | 片利共生(한자) commensalism(영어) | 한쪽
terms.naver.com
4) NAVER 지식백과, 식물학백과, 상리공생
상리공생
상리공생은 공생에 참여하는 참가자 모두 서로에게서 이익을 얻는 공생으로 생태계에서 중요한 역할을 한다. 육상생태계와 해양생태계에서 모두 발견되며 다양한 관계가 알려져 있다. [목차] 1.
terms.naver.com
5) NAVER 지식백과, 물백과사전, 편해공생
편해공생
공생을 하는 2종 중 한쪽은 억제되거나 죽지만 다른 한쪽은 해를 입지 않는 관계. 공생을 하는 2종 중 한쪽은 억제되거나 죽지만 다른 한쪽은 해를 입지 않는 관계이다. 편해 공생에는 한쪽은 영
terms.naver.com
