Multimodal phenotyping reveals plant-food-related dietary information in serum Raman spectra of community-dwelling Japanese adults

수십 년 동안 의사들과 과학자들은 우리가 무엇을 먹느냐가 장기적인 건강을 결정한다는 사실을 이해해 왔습니다. 채소, 과일, 통곡물이 풍부한 식단은 심장병과 당뇨병의 위험을 낮추는 반면, 가공육과 설탕이 든 음료를 많이 섭취하는 식단은 그 반대의 결과를 초래한다는 것을 우리는 알고 있습니다. 이를 측정하기 위해 연구자들은 종종 사람들이 얼마나 많은 양의 건강한 음식을 먹고 불건강한 음식을 먹는지 합산하는 점수 체계를 사용합니다. 이러한 점수는 개인의 전반적인 식단 품질을 나타내는 하나의 숫자로 표현됩니다. 하지만 단 하나의 숫자는 전체 이야기를 들려줄 수 없습니다. 두 사람이 정확히 같은 점수를 가졌더라도, 완전히 다른 음식 조합을 통해 그 점수에 도달했을 수 있기 때문입니다. 더욱이, 사람들이 같은 음식을 먹더라도 그들의 몸은 각기 독특한 방식으로 반응합니다. 어떤 사람의 혈당은 식후에 급격히 치솟는 반면, 다른 사람은 안정적으로 유지될 수도 있습니다. 현대 과학의 큰 과제는 이러한 미세하고 개인적인 생물학적 차이를 어떻게 포착하느냐 하는 것입니다. 우리는 식단이 혈액에 흔적을 남긴다는 것은 알고 있지만, 그 흔적이 정확히 어디에 나타나는지, 그리고 그것을 어떻게 읽어내야 하는지는 여전히 배워가는 중입니다.

최근 일본의 한 연구팀은 약 400명의 지역 사회 거주 성인들의 혈액을 조사하여 이 퍼즐을 해결하고자 했습니다. 그들은 이 사람들의 혈액 샘플 안에 평소에 즐겨 먹는 특정 음식의 흔적이 숨겨져 있는지 확인하고 싶었습니다. 연구팀은 참가자들이 일정 기간 동안 무엇을 먹었는지에 대한 상세한 기록을 수집한 다음, 신선한 혈액 샘ages를 채취하여 세 가지 다른 유형의 테스트를 실시했습니다. 첫째, 그들은 의사들이 콜레스테롤이나 혈당 수치 등을 확인하기 위해 매일 사용하는 표준 혈액 검사를 수행했습니다. 둘째, 소화와 대사의 결과로 혈액 속에 떠다니는 아주 작은 분자들의 상세한 화학적 지도인 혈청 대사체(serum metabolome)를 분석했습니다. 셋째, 라만 분광법(Raman spectroscopy)이라는 기술을 사용했습니다. 이 방법은 혈청에 특정한 종류의 빛을 비추고 그 빛이 분자들에 부딪혀 어떻게 튕겨 나오는지를 측정합니다. 이는 마치 분자의 지문처럼 작용하여, 별도의 염료나 표지를 추가하지 않고도 샘량의 화학적 구성을 밝혀냅니다.

연구진은 먼저 식단 품질 점수에 따라 참가자들을 그룹화했습니다. 그 결과, 건강한 식습나를 나타내는 높은 점수를 가진 사람들은 일반적으로 지난 몇 년간 더 나은 건강 이력을 가지고 있다는 것을 발견했습니다. 이들은 입원 횟수가 적었고 혈압이나 신장 기능과 같은 표준 건강 검진 수치도 더 좋았습니다. 그러나 연구팀이 혈액 검사와 화학적 지도에서 얻은 복잡한 생물학적 데이터를 살펴보았을 때, 그룹들이 뚜렷하고 명확한 군집(cluster)으로 나누어지는 현상은 관찰되지 않았습니다. 즉, 건강한 식단이 '건강한' 생물학적 상태와 '불건강한' 상태를 완전히 구분 짓는 단 하나의 명확한 생물학적 모드를 만들어내지는 못했다는 것입니다. 좋은 식단을 가진 사람들과 좋지 않은 식단을 가진 사람들의 몸은 전체적인 관점에서 보았을 때 놀라울 정도로 유사해 보였으며, 이는 식단이 단순히 몸을 한 모드에서 다른 모드로 전환시키는 것이 아님을 시사했습니다.

하지만 연구진이 전체적인 점수가 아닌 특정 음식에 집중하자 이야기는 달라졌습니다. 그들은 더 정밀한 질문을 던졌습니다. "혈액 데이터를 통해 커피나 특정 채소와 같은 특정 음식을 얼마나 섭취했는지 예측할 수 있는가?" 연구진은 표준 혈액 검사와 화학적 지도가 이러한 일부 사항을 예측할 수 있지만, 라만 분광법이 결정적인 조각을 더해준다는 것을 발견했습니다. 커피나 특정 식물성 영양소를 포함한 많은 특정 식이 변수들에 대해, 혈액 내의 빛 산란 패턴은 다른 테스트들이 놓친 추가적인 정보를 제공했습니다. 이는 베타카로틴(주황색 및 노란색 채소에 들어있는 영양소)의 경우 특히 명확했습니다. 베타카로틴과 관련된 라만 패턴은 카로티노이드의 특징으로 알려진 분자의 특정 진동과 직접적으로 연결되어 있었습니다. 이는 빛이 혈액 속의 식물성 화합물의 물리적 존재를 실제로 포착하고 있음을 확인시켜 주었습니다.

이 발견이 더욱 중요한 이유는 베타카로틴의 신호가 고립된 사건이 아니었기 때문입니다. 베타카로틴을 가리키는 것과 동일한 빛의 패턴은 더 넓은 범위의 건강한 식물 기반 식품들과도 일치했습니다. 연구진이 이러한 신호의 방향을 지도화했을 때, 채소, 과일, 콩류, 그리고 전반적인 식단 품질 점수는 모두 같은 방향을 가리켰습니다. 반대로 가공육이나 설탕이 든 음료와 같은 덜 건강한 항목들의 신호는 반대 방향을 가리켰습니다. 이는 우리 몸이 혈액 속에 단 하나의 '식단 점수'만을 저장하는 것이 아님을 시사합니다. 대신, 음식의 영향력은 서로 다른 생물학적 층위에 걸쳐 분포되어 있습니다. 식단의 어떤 측면은 표준 혈액 검사에서 보이고, 어떤 측면은 화학적 지도에서 보이며, 또 어떤 측면은 빛이 혈액과 상호작용하는 방식에 의해 독특하게 포착됩니다.

이 연구는 우리의 습관적인 식단이 단 하나의 스위치처럼 작동하는 상태로 몸에 나타나는 것이 아니라고 결론짓습니다. 대신, 식단은 다양한 측정 유형에 걸쳐 추적 가능한 여러 차원으로 생물학 속에 엮여 있습니다. 단순한 식단 점수가 사람들을 두 개의 뚜렷한 생물학적 집단으로 나누지는 못할지라도, 우리가 무엇을 먹는지에 대한 구체적인 세부 사항은 우리가 적절한 도구로 들여다본다면 여전히 그곳에 남아 있습니다. 표준 의료 검사와 첨단 광학 스캐닝을 결합함으로써, 과학자들은 이제 단순한 점수를 넘어 우리가 먹는 식사의 구체적이고 추적 가능한 발자국을 이해하며, 음식이 우리의 생물학을 어떻게 형성하는지에 대한 더 완전한 그림을 볼 수 있게 되었습니다.