A global genomic and structural resource for the human skin microbiome

인체는 고립된 유기체가 아니라, 우리 몸 위와 속에 살아가는 미생물들이 북적이는 거대한 생태계이자 풍경입니다. 이 미생물들이 보금자리로 삼는 수많은 장소 중에서도 피부는 광활하고 노출된 전선과 같습니다. 피부는 건조하고 산성도가 높으며 영양분이 부족한 환경임에도 불구하고, 박테리아, 진균, 바이러스, 고세균의 복잡한 공동체를 부양하고 있습니다. 수십 년 동안 과학자들은 이 피부 마이크로바이옴이 우리의 면역 체계가 어떻게 기능하는지 가르치고 물리적 장벽을 온전하게 유지하는 데 중요한 역할을 한다는 점을 이해해 왔습니다. 그러나 이 세계를 바라보는 우리의 시각은 흐릿했습니다. 피부는 장(gut)에 비해 미생물이 적고, 인간의 DNA가 샘플 내의 미생물 신호를 압도하는 경우가 많기 때문에, 연구자들은 그곳에 살고 있는 생물들을 완전한 라이브러리로 구축하는 데 어려움을 겪어 왔습니다. 누가 그곳에 있으며 그들이 무엇을 할 수 있는지에 대한 포괄적인 목록 없이는, 이 공동체가 어떻게 건강을 유지하는지, 혹은 질병이 닥쳤을 때 어떻게 변하는지를 이해하기 어렵습니다.

이제 한 연구팀이 훨씬 더 넓은 그물을 던져, 인간 피부의 숨겨진 다양성을 밝혀주는 방대한 새로운 자원을 만들어냈습니다. 중국 전역에서 새로 수집한 수천 개의 샘플과 전 세계의 기존 데이터를 결합함으로써, 그들은 피부 미생물로부터 거의 50만 개에 달하는 게놈을 재구성했습니다. '글로벌 스킨 메타게노믹 데이터(Global Skin Metagenic Data)'로 알려진 이 노력은 피부에 서식하는 수만 종의, 과학자들이 이전에 보지 못했던 종들을 드러냅니다. 이 연구는 단순히 이러한 새로운 생물들을 나열하는 데 그치지 않고, 그들의 유전적 청사진을 그려내어 그들이 어떤 역할을 수행하는지 추측합니다. 연구진은 아직 연구되지 않은 단백질의 3차원 구조를 예측하기 위해 고급 컴퓨터 모델을 사용하여, 이전에 보이지 않았던 방대한 생물학적 기능의 저장고를 발견했습니다. 이 작업은 피부 마이크로바이옴을 신비롭고 잘 이해되지 않는 층에서서 상세하고 고해상도의 지도로 변화시키며, 우리 몸이 미생물 세계와 어떻게 상호작용하는지에 대한 새로운 토대를 제공합니다.

이 새로운 지도를 만들기 위해 연구진은 엄청난 양의 유전 물질을 수집했습니다. 그들은 다양한 연령, 피부 유형, 건강 상태를 아우르는 중국 자원봉사자들로부터 수집한 12,409개의 피부 샘플을 시퀀싱하였고, 전 세계 공공 데이터베이스의 4,396개 샘플을 추가했습니다. 또한 실험실에서 배양된 박테리아와 진균으로부터 얻은 약 3,000개의 게놈도 포함했습니다. 강력한 컴퓨터를 사용하여 이 DNA 조각들을 완전한 게놈으로 조립함으로써, 그들은 452,397개의 독특한 미생물 게놈을 재구성했습니다. 이 과정은 종 수준의 범주를 나타내는 11,891개의 박테리아 및 고세균 그룹, 165개의 진균 그룹, 그리고 87,770개의 바이러스 그룹을 식별할 수 있게 해주었습니다. 아마도 가장 중요한 점은, 이 중 거의 43,000개의 종 수준 그룹이 기존 데이터베이스에서 일치하는 항목을 찾지 못했다는 것이며, 이는 이들이 과학계에 완전히 새로운 존재임을 의미합니다. 이러한 발견은 피부 미생물의 알려진 계통도를 거의 77% 확장하며, 우리 피부 위의 생명 다양성이 이전에 상상했던 것보다 훨씬 더 풍부하다는 것을 보여주었습니다.

연구는 이 새로 발견된 미로들이 그림자 속에 숨어 있는 희귀한 이상 현상이 아니라, 널리 퍼져 있고 풍부하다는 것을 발견했습니다. 이들은 얼굴의 기름진 영역, 팔다리의 건조한 패치, 그리고 신체의 습한 주름 사이에 서식합니다. 이들은 건강한 피부뿐만 아니라 원반형 루푸스 에리테마토수스(discoid lupus erythematosus), 백반증(vitiligo), 원형 탈모증(alopecia areata), 안드로겐성 탈모증(androgenic alopecia)과 같은 다양한 질환이 있는 피부에도 존재합니다. 실제로 일부 질병 상태에서는 이 알려지지 않은 미생물들이 전체 미생물 군집의 4분의 1 이상을 차지하기도 했습니다. 연구진은 또한 이 새로운 유기체들이 무엇을 하고 있는지 조사했습니다. 그들의 유전자를 분석한 결과, 이 미확인 미생물들이 영양분을 처리하고 비타민을 생성하는 독특한 능력을 갖추고 있음을 발견했습니다. 또한 이 새로운 그룹들이 항생제 내성 유전자를 보유하고 있다는 사실을 발견했는데, 이는 과학자들이 알려진 박테리아만을 찾아왔기 때문에 피부가 간과되어 온 숨겨진 약제 내성의 저장고임을 시사합니다.

박테리아 외에도 연구진은 오랫동안 무시되어 온 풍부한 바이러스와 진균의 세계를 밝혀냈습니다. 그들은 약 192,000개의 바이러스 게놈을 식별했는데, 대부분은 박테리아를 감염시키는 바이러스인 박테리오파지(bacteriophages)였습니다. 이 바이러스들은 박테리아 숙주와 복잡한 관계를 형성하며, 잠재적으로 박테리아 개체수를 조절하는 자연적인 조절자 역할을 합니다. 연구는 이 많은 바이러스가 피부에 특이적이며 장이나 해양에는 존재하지 않는다는 점을 보여주며, 피부 환경의 독특함을 강조했습니다. 마찬가지로, Malassezia라는 속이 지배적인 피부의 진균 구성 요소 또한 이전에 알려지지 않은 많은 종을 포함하고 있음이 밝혀졌습니다. 연구진은 서로 다른 진균 그룹이 복잡한 화학 화합물을 생성하는 전문화된 능력을 갖추고 있으며, 이것이 그들이 가혹한 피부 환경에서 살아남거나 인간 숙주와 특정 방식으로 상호작용하는 데 도움이 될 수 있음을 발견했습니다.

이 연구의 가장 혁신적인 측면 중 하나는 연구팀이 '기능적 암흑 물질(functional dark matter)' 문제를 어떻게 다루었는가 하는 점입니다. 생물학에서 과학자들은 종종 유전자가 단백질처럼 보이지만 기존 데이터베이스의 어떤 단백질과도 일치하지 않아 그 기능을 알 수 없는 경우를 마주하게 됩니다. 이를 해결하기 위해 연구진은 17억 개 이상의 단백질 서열에 대한 3차원 구조를 예측했습니다. 인공지능을 사용하여 이 단백질들의 형태를 모델링함으로써, 정확한 유전 서열을 알지 못하더라도 그들이 무엇을 할 수 있는지 추론할 수 있었습니다. 그들은 알려진 일치 항목이 없는 79,434개의 단백질 그룹에 집중했습니다. 이 중 1,018개에 대해 고신뢰도 3D 모델을 생성했습니다. 이 모델들은 이 단백질들이 효소로서 작용하여 미생물이 영양분을 분해하거나 분자를 운반하는 데 도움을 줄 것임을 시사하는 독특한 모양과 포켓(pockets)을 드러냈습니다. 발견된 내용 중에는 의학이나 산업에 잠재적으로 사용될 수 있는 새로운 유형의 효소가 포함되어 있었으며, 이는 미지의 유전 코드 목록을 잠재적 도구의 라이브러리로 바꾸어 놓았습니다.

연구진은 또한 바이러스와 그들이 감염시키는 박테리아 사이의 관계를 추적했습니다. 그들은 바이러스가 특정 박테리아 그룹을 표적으로 삼는 경향이 있으며, 특히 피부에서 흔히 발견되는 특정 유형의 박테리아를 선호한다는 것을 발견했습니다. 이는 바이러스가 단일 박테리아 종이 독점하는 것을 방지함으로써 피부 마이크로바이옴을 형성하는 데 결정적인 역할을 할 수 있음을 시사합니다. 연구는 심지어 새로 발견된 미지의 박테리아들도 이 바이러스 네트워크의 일부라는 점을 보여주었으며, 이는 이 숨겨진 플레이어들이 더 넓은 생태계에 통합되어 있음을 나타냅니다. 이러한 상호 연결된 관점은 환경 변화나 숙주의 건강 변화에 직면했을 때 피부 마이크로바이옴이 어떻게 안정성과 회복력을 유지하는지를 설명하는 데 도움을 줍니다.

이 포괄적인 자원은 인간 피부에 대한 우리의 이해를 한 단계 크게 도약시킨 것입니다. 생물들이 우리 몸에 살고 있으며 그들이 사용하는 유전적 도구에 대한 상세한 목록을 제공함으로써, 이 연구는 피부 마이크로바이옴 연구의 발전을 늦추었던 주요 장벽을 제거했습니다. 이는 피부가 박테리아, 진균, 바이러스, 고세균이 복잡한 방식으로 상호작용하는 복합적인 다계통(multi-kingdom) 생태계임을 보여줍니다. 수천 종의 새로운 종을 발견하고 그 잠재적 기능을 매핑한 것은, 이 미생물들이 인간의 건강에 어떻게 영향을 미치는지에 대해 여전히 배울 것이 많다는 것을 시사합니다. 이 팀이 만든 데이터와 도구는 이제 다른 과학자들이 사용할 수 있도록 공개되었으며, 그들은 이를 통해 새로운 질문을 탐구하고, 더 나은 진단법을 개발하며, 우리 피부의 자연적인 거주자들과 싸우기보다는 그들과 협력함으로써 피부 질환을 치료하는 새로운 방법을 찾을 수 있을 것입니다.