Strain-resolved comparative genomics and functional characterization of culturable lactic acid bacteria from Guizhou sour soup
본 연구는 귀주(Guizhou) 수수(sour soup) 유래 배양 가능한 유산균에 대한 포괄적인 균주 해상도 기반의 유전체 및 표현형 자원을 구축하여 종 특이적 기능 구조를 밝히고, 생명공학적 응용을 위해 높은 담즙산 가수분해 효소 활성과 콜레스테롤 제거 능력을 갖춘 우수 균주를 식별하였다.
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발효 식품은 단순히 보존된 식재료 그 이상이며, 미생물의 살아있는 도서관과도 같습니다. 단 한 그릇의 신선한 수프나 치즈 한 덩이 안에는 수많은 균주가 공존하며, 각 균주는 고유한 유전적 지침을 지니고 있습니다. 과학자들은 이러한 식품 속에 서로 다른 종의 박테리아가 존재한다는 사실을 오래전부터 알고 있었지만, 최근의 이해에 따르면 단일 종 내에서도 개별 균주는 매우 다르게 행동할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다. 어떤 균주는 인간의 장이라는 가혹한 환경에서 살아남는 데 탁월한 반면, 그와 유전적으로 가까운 친척 관계인 다른 균주는 고전할 수도 있으며, 어떤 균주는 식사의 콜레스테롤을 제거하는 데 매우 효과적인 반면 다른 균주는 그렇지 않을 수도 있습니다. 이러한 차이는 중요한데, 발효 식품의 잠재적인 건강 효능이 단순히 존재하는 박테리아의 넓은 범주가 아니라, 이러한 구체적이고 개별적인 특성에 달려 있기 때문입니다. 전통 식품의 진정한 가치를 끌어내기 위해 연구자들은 단순히 어떤 종이 존재하는지를 식별하는 것을 넘어, 어떤 균주가 실제로 원하는 기능을 수행하는지 확인하기 위해 개별 균주 사이의 미세한 유전적 차이를 조사해야 합니다.
중국 구이저우성의 산악 지역에서는 '수르우(sour soup)'라고 알려진 전통 요리가 이러한 미생물적 변이의 풍부한 저장고 역할을 합니다. 이 요리는 재료와 발효 과정에 따라 빨간색과 흰색의 두 가지 주요 종류로 나뉩니다. 연구팀은 이 수프 속에 있는 박테리아의 생태를 탐구하여, 살아있는 박테리아의 포괄적인 컬렉션을 구축하고 그들의 유전적 청사진을 지도화하여 무엇이 그들을 독특하게 만드는지 이해하고자 했습니다. 그들은 현지 상인들로부터 샘플을 수집하고 실험실에서 수천 개의 개별 박테리아 군락을 정밀하게 분리하는 것으로 시작했습니다. 이 방대한 풀(pool)에서 연구팀은 수프에서 발견되는 가장 흔한 유산균 유형인 Lacticaseibacillus paracasei, Lactiplantibacillus plantarum, Limosilactobacillus fermentum를 대표하는 172개의 뚜렷한 균주를 선별했습니다. 연구팀은 각 균주의 전체 게놈을 시퀀싱하여, 모든 종의 구성원이 공유하는 핵심 지침과 각 균주가 보유한 가변적인 추가 유전자를 비교할 수 있는 상세한 유전적 카탈로그를 만들었습니다.
유전적 분석 결과, 이 박테리아들은 과학자들이 '오픈 팬게놈(open pan-genome)'이라고 부르는 특성을 가지고 있음이 드러났습니다. 이는 균주들이 공통된 필수 유전 세트를 공유하면서도, 각 균주가 매우 다양하게 나타나는 고유한 추가 유전 물질을 보유하고 있음을 의미합니다. 연구팀은 L. paracasei가 기능적 역량을 확장하기 위해 이러한 추가적인 가변 유전자에 크게 의존하는 반면, L. plantarum과 L. fermentum은 더 큰 비율의 공유된 핵심 유전자를 유지하고 있다는 것을 발견했습니다. 연구팀이 질병을 일으키거나 항생제 내성을 부여할 수 있는 것과 같은 안전 관련 유전자를 조사했을 때, 172개 균주 모두에서 아무것도 발견되지 않았으며, 이는 이 박테리아들이 추가 연구를 하기에 안전하다는 것을 시사합니다. 그러나 유전적 지도만으로는 전체 이야기를 들려주지 못했습니다. 연구진은 담즙염을 분해하는 데 도움을 주는 효소인 담즙산 가수분해효소(bile salt hydrolase) 생성 유전자와 보호용 당 코팅을 만드는 데 관여하는 유전자를 조사했습니다. 이러한 형질에 대한 유전적 구조는 존재했지만, 단순히 이 유전자들이 존재한다고 해서 박테ら가 실제 테스트에서 잘 수행할 것이라는 보장은 없었습니다.
유전적 차이가 어떻게 실제 기능으로 번역되는지 확인하기 위해, 연구진은 균주들을 엄격한 물리적 테스트에 노출시켰습니다. 그들은 인간의 소화 과정을 모사하여, 위와 유사한 산성 조건에 박테리아를 노출시킨 후 중성에 가까운 장내 환경에 노출했습니다. 결과는 생존 여부가 특정 균주에 따라 크게 달라짐을 보여주었습니다. 어떤 균주는 전 과정을 통해 번창한 반면, 어떤 균주는 빠르게 사멸했습니다. 또한 연구팀은 다양한 조건, 특히 담즙염이 존재하는 환경에서 액체 배지로부터 콜레스테롤을 제거하는 박테리아의 능력을 테스트했습니다. 여기서 유전과 성능 사이의 연결은 더욱 복잡해졌습니다. 담즙을 분해하기 위한 특정 유전적 설정을 가진 균주가 반드시 담즙이 없는 균주보다 콜레스테롤을 더 잘 제거하는 것은 아니었습니다. 대신, 콜레스테롤 제거 능력은 특정 환경과 해당 개별 균주가 가진 고유한 특성의 조합에 크게 좌우되었습니다.
가장 놀라운 발견은 최고의 성과를 낸 균주들이 항상 가장 명백한 유전적 이점을 가진 것들은 아니었다는 점입니다. 표준 조건에서 한 L. paracasei 균주는 콜레스테롤의 거의 72%를 제거한 반면, 담즙염이 존재하는 환경에서는 여러 L. plantarum 균주가 57%에서 64% 사이의 제거율을 유지하며 프로바이오틱스 연구에 사용되는 잘 알려진 참조 균주보다 뛰어난 성능을 보였습니다. 이러한 결과는 박테리아의 유전 코드를 단순히 보는 것만으로는 복잡한 환경에서 박테리아가 정확히 어떻게 행동할지 예측할 수 없음을 입증합니다. 연구진은 유전적 매핑이 연구할 박테리아를 좁히는 강력한 도구이긴 하지만, 직접적인 테스트를 대체할 수는 없다고 결론지었습니다. 가장 효과적인 균주를 건강 적용 목적으로 찾기 위해서는, 유전체에 대한 통찰력과 박테리아가 실제로 어떻게 생존하고 기능하는지를 측정하는 실제 실험을 결합해야 합니다. 이러한 통합적 접근 방식은 구이저우 수르우와 같은 전통 식품으로부터 적절한 박테리아를 선택하기 위한 더 명확한 경로를 제공합니다.
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