Genomic and ecological specialization of Methanobrevibacter species shape human methane emission and overall gut ecosystem function
80명의 다중 오믹스 데이터를 통합함으로써, 본 연구는 인간의 메탄 배출이 단순히 메탄 생성균의 풍부함뿐만 아니라 다양한 대사 능력을 가진 서로 다른 *Methanobrevibacter* 종의 존재에 의해 유도되며, 특히 새롭게 확인된 단순화된 계통인 (*Candidatus Methanobrevibacter hominipaucus*)가 저배출 개인의 특징을 나타내고 전반적인 장내 미생물 활성 감소와 상관관계가 있음을 밝혀냈다.
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인간의 장 속에는 우리가 먹는 음식을 분해하고 부산물로 가스를 방출하며 끊임없이 활동하는 거대하고 보이지 않는 미생물의 세계가 존재한다. 이 가스들 중 메탄은 고대 단세포 생물인 고균(archaea)이라는 특정 집단에 의해서만 생성된다는 점에서 독특하다. 박테리아가 우리 장내의 가장 유명한 거주자이지만, 이러한 고균 또한 대부분의 성인 장 속에 존재한다. 다만 이들은 보통 전체 군집에서 매우 적은 비율을 차지할 뿐이다. 과학자들은 개인이 숨을 쉴 때 배출하는 메탄의 양이 개인마다 크게 다르다는 사실을 오래전부터 알고 있었다. 어떤 이들에게는 이 가스가 거의 감지되지 않는 반면, 다른 이들에게는 풍부하게 나타난다. 이러한 차이는 단순한 호기심의 대상이 아니라 음식이 소화계를 통과하는 속도와 연관되어 있으며, 높은 메탄 수치는 종종 느린 움직임 및 변비와 관련이 있다. 그러나 오랫동안 연구자들은 단순히 이 메른 생성 미생물의 수가 가장 중요한 유일한 요소라고 가정해 왔다. 만약 어떤 사람이 고균을 더 많이 가지고 있다면 메탄을 더 많이 생성할 것이고, 더 적게 가지고 있다면 더 적게 생성할 것이라는 논리였다. 문제는 이 단순한 숫자가 전체 이야기를 들려주는 것인지, 아니면 우리 내부에 살고 있는 고균의 구체적인 종류가 우리의 건강을 형성하는 데 더 복적인 역할을 하는지였다.
그라츠 의과대학교의 한 연구팀은 이보다 훨씬 더 세밀하게 관찰함으로써 이 수수께집을 풀고자 했다. 그들은 80명의 자원봉사자 집단을 모아 메탄 수치를 정밀하게 측정하고, 그들의 내부에 살고 있는 미생물의 유전 물질을 분석하기 위해 대변 샘플을 수집했다. 연구진은 단순히 메탄 생성자의 총수를 세는 대신, 고급 시퀀싱 기술을 사용하여 정확히 어떤 종들이 존재하는지를 식별했다. 그들은 단순한 숫자를 세는 기존의 아이디어가 불완전하다는 것을 발견했다. 개인이 배출하는 메탄의 양은 단순히 얼마나 많은 고균을 가졌느냐가 아니라, 어떤 특정 종이 장내를 지배하고 있느냐에 의해 결정되었다. 연구진은 장내 미생물이 서로 다른 유형의 메탄 생성자에 의해 정의되는 세 가지 뚜렷한 상태 중 하나로 자리 잡는다는 것을 발견했다. 메탄을 많이 배출하는 사람들의 경우, 장내는 보통 두 가지 잘 알려진 종인 Methanobrevibacter smithii와 Methanobrevibacter intestini에 의해 지배되었다. 반면, 메탄을 아주 적게 배출하는 사람들은 연구팀이 Candidatus Methanobrevibacter hominipaucus라고 명명한, 이전에 알려지지 않고 특성이 규명되지 않은 계통에 의해 지배되고 있었다.
연구는 이 서로 다른 종들이 단순히 같은 것의 변형이 아니라, 서로 다른 생활 방식과 능력을 갖춘 전문가라는 점을 밝혔다. 높은 메탄 생성자인 M. smithii와 M. intestini는 광범위한 대사 도구를 보유하고 있다. 이들은 메틸화된 물질을 포함한 다양한 화학 화합물을 소비할 수 있으며, 환경으로부터 수소 가스를 포착하여 메탄으로 바꾸는 데 매우 효율적이다. 이러한 효율성은 장내에서 다른 박테리아가 음식을 더 철저하게 분해하여 남겨지는 찌꺼기를 줄이는 더 활발한 발효 과정을 유도하는 것으로 보인다. 낮은 메탄 생성자인 M. hominipaucus는 유전적 청사진을 볼 때 구조가 간결한 전문가로 보인다. 이 종의 게놈은 더 작으며, 다른 두 종이 사용하는 많은 화학 화합물을 사용할 수 있는 능력이 결여되어 있다. 이들은 더 좁은 범위의 먹이원에 의존하며 수소를 소비하는 데 덜 효율적인 것으로 보인다. 결과적으로 이 종을 가진 사람들의 장 환경은 다르다. 여기에는 처리되지 않은 음식 입자와 더 많은 수소 가스가 포함되어 있는데, 이는 발효 과정이 높은 메탄 그룹만큼 깊거나 멀리까지 진행되지 않음을 시사한다.
이러한 고균의 차이는 장의 전체 생태계 또한 변화시킨다. 연구진은 이러한 서로 다른 고균들과 함께 사는 박테리아들 또한 구별된다는 것을 발견했다. 높은 메탄 상태에서는 박테리아 군집이 더 다양했으며, 고균이 필요로 하는 수소를 생성하는 튼튼한 섬유를 분해하는 데 뛰어난 많은 종을 포함하고 있었다. 낮은 메탄 상태에서는 박테리아 군집이 덜 다양했으며, 음식물을 처리하여 더 많은 당분과 기타 영양소를 미변환 상태로 남기는 유형의 박테리아들을 포함하고 있었다. 연구팀은 또한 추적 가능한 형태의 탄소를 알려진 고균의 분리 배양물에 먹이는 특수 추적 기술을 사용하여, 이 유기체들이 자신의 몸을 구축하고 가스를 생성하기 위해 이용 가능한 음식을 실제로 사용하고 있음을 확인했다. 결과는 높은 메탄 종이 실험실에서 분리할 수 없었던 낮은 메탄 종의 유전적 데이터로부터 추론된 기능적 특성과 비교했을 때, 에너지 생산과 성장 측면에서 실제로 더 활발하다는 것을 보여주었다.
이러한 발견은 우리가 내뱉는 메탄이 단순히 얼마나 많은 미생물이 존재하는지의 척도가 아니라, 우리 장 생태계의 구체적인 구성 방식을 보여주는 창이라는 점을 시사한다. 어떤 유형의 메탄 생성자인지가 나머지 군집이 어떻게 기능하는지를 결정하며, 음식이 어떻게 분해되고 가스가 어떻게 관리되는지에 영향을 미친다. 연구진은 또한 이러한 상태들이 장의 이동 속도와 연결되어 있다는 점에 주목했다. 높은 메탄 종을 가진 사람들은 대변 이동이 느리고 대변이 단단한 경향이 있었는데, 이는 미생물이 음식을 완전히 분해할 수 있는 시간을 더 많이 주기 때문이다. 낮은 메탄 종을 가진 사람들은 장 통과 시간이 더 빨랐으며, 이는 왜 더 많은 미처리 음식이 체내에 남아 있는지를 설명해 줄 수 있다. 비록 이 연구가 어떤 상태가 건강에 더 좋거나 나쁘다는 것을 증명하지는 않았지만, 이 고대 유기체들의 다양성이 인간 소화에 핵심적인 요소임을 확립했다. 새로운 종을 식별하고 이것이 친척 종들과 어떻게 다른지를 보여줌으로써, 이 연구는 단순한 숫자를 세는 단계를 넘어 이러한 미생물 거주자들이 인간의 생리학을 형성하는 데 수행하는 구체적인 역할에 대한 더 깊은 이해을 향해 나아가고 있다. 이 작업은 단일한 유기체 집단 내에서도 인간의 장 환경을 형성하는 놀라운 전문화가 존재한다는 점을 강조한다.
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