A Static Core in a Dynamic Inheritance: Spatial Partitioning and Redundancy Ensure Century-Long Stability of Jiuyao Microbiota
이 연구는 361세대에 걸친 구요(Jiuyao) 미생물 군집의 세기적 안정성이 핵심 종들의 정적인 핵심부와 공간적으로 구조화된 기능적 중복성에 의해 유지되며, 여기서 수분 함량이 군집 천이를 주도하고 표면-심부 간의 뚜렷한 구역 형성이 대사 완충 작용과 일관된 발효 성능을 보장한다는 것을 밝혀냈다.
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수천 년 동안 인류는 곡물이나 대두와 같은 단순한 재료를 치즈, 간장, 황주와 같은 복잡하고 풍미 가득한 식품으로 변형시키기 위해 고체 발효에 의존해 왔습니다. 이 고대의 기술은 음식물을 분해하여 새로운 맛을 만들어내는 박테리아, 효모, 곰팡이의 보이지 않는 공동체에 달려 있습니다. 이러한 미생물 팀은 필수적이지만, 과학자들은 이들이 어떻게 시간이 흘러도 조직적이고 일관되게 유지되는지 이해하는 데 오랫동안 어려움을 겪어 왔습니다. 많은 전통적인 과정에서는 이전 배치의 소량을 새 배치에 추가하여 발효를 시작하는데, 이를 '백슬로핑(back-slopping)'이라고 합니다. 큰 의문점은 날씨, 도구, 또는 원재료의 변화에도 불구하고 이 작은 미생물 공동체가 어떻게 매년 동일한 결과를 만들어내느냐는 것입니다. 만약 미생물 팀이 무너지면 맛이 변하거나 제품이 상하게 됩니다. 이 공동체를 안정적으로 유지하는 규칙을 이해하는 것은 이러한 고대의 기술을 보존하고 현대의 식품 생산을 개선하는 핵심입니다.
최근 중국의 연구진은 중국의 쌀술의 일종인 황주를 만드는 데 사용되는 전통 스타터인 '지우야오(jiuyao)'에 주목했습니다. 이 스타터는 단일 성분이 아니라, 1세기가 넘는 시간 동안 361세대에 걸쳐 전해 내려온 발효된 쌀과 약초로 이루어진 작고 둥근 공 모양입니다. 연구팀은 이 작은 공이 어떻게 수많은 세월 동안 자신의 정체성과 기능을 유지하는지 알고 싶었습니다. 여러 생산 주기에 걸쳐 지우야오 내부의 미생물을 추적함으로써, 그들은 안정성이 고정된 핵심 미생물 그룹과 미생물이 공 내부 어디에 사느냐에 따른 영리한 분업의 조합에서 온다는 것을 발견했습니다.
연구 결과, 지우야오 공동체는 해가 바뀌어도 주도적인 역할을 유지하는 특정 박테리아와 곰팡이의 '정적 핵심(static core)'을 중심으로 구축되어 있음이 밝혀졌습니다. 여기에는 박테리아 중에서는 Pediococcus pentosaceus와 Weissella cibaria가 포함되며, 곰팡이 중에서는 Saccharomycopsis fibuligera와 Saccharomyces cerevisiae가 포함됩니다. 전체 종의 수는 해마다 약간씩 변할 수 있지만, 이 핵심 플레이어들은 결코 주도적인 역할을 떠나지 않습니다. 이러한 일관성은 발효 과정이 항상 동일한 필수 작업자들과 함께 시작되도록 보장합니다. 그러나 연구진은 단순히 적절한 미생물을 갖추는 것만으로는 충분하지 않으며, 공 내부의 환경이 똑같이 중요한 역할을 한다는 것을 발견했습니다.
수분 함량은 미생물 공동체를 형성하는 가장 강력한 힘으로 나타났습니다. 연구진은 다양한 시기에 지우야오에 포함된 수분을 측정했으며, 이 단일 요인이 곰팡이 공동체의 변화 중 거의 절반을 설명하고 박테리아 변화의 상당 부분을 설명한다는 것을 발견했습니다. 발효가 진행됨에 따라 수분 수치는 꾸준히 떨어졌으며, 이 건조 과정은 특정 조건에서 생존하고 번성할 수 있는 미생물을 선택하는 필터 역할을 했습니다. 이러한 환경적 압력은 핵심 미생물이 장악하도록 도와 시스템을 안정시키고, 합류하려는 원치 않거나 유해한 유기체들을 효과적으로 차단했습니다.
연구진은 또한 지우야오 공의 물리적 구조를 면밀히 조사하여 표면과 중심부 사이의 놀라운 분업을 발견했습니다. 공기에 더 많이 노출되고 더 빨리 마르는 외층은 습하고 보호된 중심부와는 다른 미생물의 서식지가 되었습니다. 표면은 크고 단단한 음식 분자를 작은 조각으로 분해하는 데 뛰어난 사상균(filamentous fungi)이 풍부했습니다. 반면, 중심부는 알코올과 풍미 화합물로 전환하는 데 집중하는 효모와 유산균이 지배적이었습니다. 이러한 공간적 분리는 만약 한 부분이 어려움에 직면하더라도 다른 부분이 이를 보완하여 전체 과정이 원활하게 계속 진행될 수 있도록 했습니다.
미생물들이 어떻게 협력하는지 이해하기 위해 연구팀은 그들이 생성하는 화학 물질을 분석했습니다. 그들은 표면의 미생물과 중심부의 미생물이 서로 다른 시기에 서로 다른 세트의 화학 물질을 만든다는 것을 발견했습니다. 과정 초기에는 표면 미생물들이 단백질과 지방을 분해하는 데 바빴던 반면, 중심부 미생물들은 이미 풍미 전구체를 생성하기 시작했습니다. 시간이 흐름에 따라 중심부 미생물들이 지방산과 최종적인 술의 풍부한 맛을 주는 다른 화합물들의 생산을 주도했습니다. 위치에 따라 서로 다른 과업을 수행하는 이러한 조율된 노력은, 다양한 변동 속에서도 견고한 시스템을 만들어냈습니다.
또한 연구는 지우야오의 안정성이 미생물 자체뿐만 아니라 그들이 서로를 위해 만드는 환경에 달려 있다는 점을 보여주었습니다. 중심부 미생물들은 산을 생성하여 pH를 낮춤으로써 유해한 박테리아가 자랄 수 없는 환경을 만듭니다. 이 스스로 만든 방패는 유익한 미생물을 보호하고 발효가 안전하고 일관되게 유지되도록 보장합니다. 연구진은 이 시스템이 매우 효과적이어서, 정확한 미생물의 수는 약간씩 변하더라도 지우야오의 효소와 풍미 화합물을 포함한 화학적 구성이 여러 해에 걸쳐 놀라울 정도로 유사하게 유지된다는 것을 확인했습니다.
유전자 시퀀싱과 화학적 분석을 결 이러한 결합을 통해 연구진은 이 고대 스타터가 어떻게 작동하는지에 대한 상세한 그림을 구축했습니다. 그들은 지우야오의 안정성이 세대를 거쳐 전해 내려오는 작고 변하지 않는 핵심 미생물 그룹과, 수분 수치 및 온도가 서로 다른 과업을 위한 구역을 만드는 역동적인 환경이라는 두 가지 주요 요소에 달려 있음을 발견했습니다. 이는 전통적인 발효에 대한 새로운 사고방식을 제공합니다. 생산자는 모든 미생물을 통제하려고 노력하는 대신, 적절한 환경 조건을 유지하고 핵심 공동체를 보호하는 데 집중할 수 있습니다. 이 접근 방식은 수백 년 동안 정제된 독특한 특성을 잃지 않으면서도 전통 식품 생산을 현대화하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 이 연구는 발효 식품의 장수 비결이 고정된 작업자 팀과 그들이 살아가는 유연하고 변화하는 세계 사이의 균형에 있다는 것을 시사합니다.
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