경희대학교 식품생명공학과
박천석 교수
E-mail : cspark@khu.ac.kr
국립낙동강생물자원관
정동현 전임연구원
E-mail : dhjung@nnibr.re.kr
전분(녹말, starch)은 전세계적으로 가장 많이 생산되는 식량 자원 중 하나이며, 우리 나라를 비롯한 세계 각국의 식생활에 필수 불가결한 가장 중요한 식이 성분이다. 일반적으로 사람에 의해 섭취된 후 소화 장관계를 거치면서 분해되어 사람에게 필수적인 에너지 원으로 사용이 된다. 하지만 일부는 사람 내 존재하는 소화 효소에 의해 분해되지 않는 전분들이 존재하게 되는데 이를 저항 전분(resistant starch)이라 한다. 저항 전분은 위와 소장에서 분해되지 않은 상태로 대장까지 도달하며 대장 내 상존하는 공생 미생물들에 의해 분해되어 그들의 생장에 필요한 에너지원으로 사용되며, 또한 몇몇 장내 미생물에 의해 인체에서 중요하게 역할을 하는 단쇄 지방산(short chain fatty acids)과 같은 대사 산물로써 전환이 된다. 이러한 단쇄 지방산은 아세트산, 프로피온산, 부티르산 등으로 이루어져 있으며 인체에서 면역력을 높이고 건강을 유지하고 향상시키는 대단히 중요한 역할을 하는 것으로 연구가 되고 있다. 이러한 기능성으로 인해 저항 전분은 식품 소재로써 그 관심이 매우 증가되고 있으며, 이러한 저항 전분을 분해하는 장내 미생물에 대한 연구 또한 매우 중요하다. 현재까지 저항 전분을 분해하는 사람 장내 미생물에 대한 연구는 초기 단계이며, 본 기고에서는 현재까지 진행이 되어 있는 연구를 중심으로 그 내용을 살펴보려 한다.
인간의 몸에는 우리가 가지고 있는 세포의 100만배 이상의 미생물이 존재하는 것으로 알려져 있으며, 이러한 미생물들이 가지고 있는 유전체는 인간 유전체의 400배에 달하는 것으로 이야기하고 있다. 다양한 종의 인체 미생물 (human microbiota)은 인간의 몸에서 하나의 기관처럼 그 기능을 수행하는 것으로 여겨진다. 사람의 몸에서는 대장 내에 가장 많은 종류의 미생물이 존재하며 환경, 나이, 식습관, 영양, 항생제 및 프로바이오틱스의 섭취 등에 의해 항상 유지 및 변화를 한다. 대장 내 미생물은 사람의 건강 조절에 매우 큰 영향을 미치는 것으로 밝혀지고 있는데, 최근 연구에서는 장내 미생물의 호스트에 대한 작용이 장내의 질병(IBD, IBS, coeliac disease, CRC 및 CDI 등) 뿐만 아니라 장외의 질병(obesity, Type II diabetes, metabolic syndrome, allergy 및 asthma 등)의 발병에도 상당히 크게 영향을 끼친다고 보고가 되고 있다 [1]. 사람이 섭취하는 다양한 종류의 탄수화물들 중 소화되지 않는 식이섬유와 같은 비소화성 탄수화물은 대장까지 도달하여 장내 미생물에 의해 분해되어 장내 미생물 균총을 풍부하게 만들고 중요한 이차 대사 산물들을 생성하여 사람이 건강을 유지하는데 있어 중요한 역할을 한다 [2]. 이렇듯 장내 미생물의 주요 기능 중 하나는 사람의 게놈(genome)에 존재하지 않는 다양한 탄수화물 활성 효소(carbohydrate-active enzyme)들이 존재한다는 것인데, 최근 게놈 분석 기술의 발전과 함께 그와 관련된 발전된 연구들이 보고되고 있다.
최근, 건강에 긍정적인 영향을 주는 단쇄 지방산의 생성을 활성화시키는 식품 소재로써 저항 전분이 각광받고 있다. 저항 전분은 불용성 섬유보다 높은 품질을 얻을 수 있는 특징으로 인해 식품 가공 자원으로도 관심을 끌고 있다. 일반적인 전분은 섭취 시 사람이 가지고 있는 소화 효소에 의해 포도당으로 분해되어 대부분 소장에서 흡수가 된다. 1992년 Englyst는 소화율에 기초하여 전분의 분류를 제안하여 빠른 소화성 전분(rapidly digestible starches, RSD), 느린 소화성 전분 (slowly digestible starches, SDS), 그리고 저항 전분 (resistant starches, RS)으로 분류하였다 [3]. 사람의 소화 효소에 저항성을 가져 섭취 후 120 분 이내에 소장에서 분해되지 않는 전분을 저항 전분이라 하는데, 대부분 전분 입자의 구조를 유지한 상태로 대장까지 도달하게 된다 [4]. 저항 전분은 물리적으로 효소의 접근이 불가능한 전분(type I), 전분 입자의 구조적인 형태로 인해 전분 분해 효소로부터 저항성을 가지는 전분(type II), 호화 후 노화 되어 결정화 된 전분(type III), 그리고 화학적으로 변성된 전분(type IV), 아밀로오스와 지방의 복합체(type V) [4] 등의 5 가지 타입으로 구분된다.
<저항 전분의 종류와 예>
| RS type | Description | Example |
|---|---|---|
| RS I | Physically inaccessible starch | Coarsely ground or whole-kernel grains |
| RS II | Granular starch with the B- or C- polymorph | High-amylose maize starch, raw potato, raw banana starch |
| RS III | Retrograded starch | Cooked and cooled starchy foods |
| RS IV | Chemically modified starches | Cross-lined starch and octenyl succinate starch |
| RS V | Amylose-lipid complex | Stearic acid-complexed high-amylose starch |
저항 전분은 낮은 혈당지수(glycemic index)를 가지며, 섭취 후 대장에 도달하여 저항 전분을 효과적으로 분해할 수 있는 효소들을 가진 미생물들에 의해 분해된다. 분해 산물은 분해 미생물 자신 또는 주위의 다른 장내 미생물들도 생장할 수 있는 에너지원으로 이용된다. 이러한 분해 기전으로 변화된 장내 미생물군은 페놀, 담즙산, 암모니아 및 비만과 관련된 지방 대사 물질 등과 같은 해로운 산물들을 감소시킨다 [5, 6]. 또한 몇몇 장내 미생물들의 대사 활동으로 아세트산, 프로피온산, 부티르산 등과 같은 단쇄 지방산이 생성된다 [7]. 단쇄 지방산은 결장 세포(colonocytes), 간(liver) 및 말초신경 세포(peripheral tissues)의 에너지 대사에 이용되며 장내 미생물과 인체의 주요 신호 물질로써 역할을 하여 [8] 암, 심혈관 질환, 소화관계 질환을 감소시키는 것으로 알려져 있다 [9]. 저항 전분은 장내 미생물의 단쇄 지방산의 생성에 있어서 필수적인 전구체인 pyruvate 생합성에 가장 많이 사용되는 고분자 물질이다. 따라서, 대장까지 도달하는 저항 전분은 단쇄 지방산의 생성에 있어 매우 중요하다고 할 수 있다.
![장내 미생물의 단쇄 지방산 생성 경로 [10]](/webzine/2020_03/include/img/sub/img-sub02-02-pic1.png)
<장내 미생물의 단쇄 지방산 생성 경로 [10]>
2012년 영국 Flint 그룹에서는 저항 전분 분해와 관련된 사람의 장내 미생물에 대한 연구를 ISME 저널에 발표하였다 [11]. 이 연구 결과에서는 Ruminococcus bromii가 사람 장내에서 저항 전분을 분해하는데 있어 핵심적인 역할을 하는 미생물이라고 보고하였다. 더불어, Eubacterium rectale, Bacteroides thetaiotaomicron, 그리고 Bifidobacterium adolescentis가 사람 장내에서 저항 전분을 분해하고 이용하는데 있어 가장 풍부하게 발견되는 미생물들이라 보고하였다. 위에 언급된 미생물 중 현재까지 B. adolescentis를 제외한 3 종 미생물의 전분 분해 기전에 대해 조금씩 연구되어 있다. 3 종의 미생물은 서로 비슷한 전략으로 전분을 분해하는데, 세포 표면에 부착된 다수의 단백질 시스템을 통해 전분을 분해하는 것으로 밝혀졌다. 이 시스템에서 핵심적인 분해 역할을 하는 세포 표면 단백질은 탄수화물 결합 도메인 (carbohydrate binding domain)등을 포함하고 있으며 이 도메인을 사용하여 전분 입자에 부착된 후에 전분을 분해할 수 있는 다른 단백질들이 전분에 작용하여 효과적으로 전분을 분해하는 것으로 알려져 있다.
가장 먼저 밝혀지고 연구가 많이 된 미생물은 Bac. thetaiotaomicron이다. 2000년대 초반 Salyers는 Bac. thetaiotaomicron의 전분 분해와 관련된 기전의 이해를 위한 기초 연구를 수행하여 다수의 논문을 발표하였다 [12-16]. Salyers는 일반 전분 분해을 위한 Bac. Thetaiotaomicron 세포 표면에 존재하는 다수의 단백질 시스템을 보고하였고 이것들은 총체적으로 starch utilization system(Sus system)이라고 불리게 되었다. 여러 연구를 통하여 Sus system이 Bac. bacteroides가 전분 입자에 결합하는 것을 가능하게 하는 것으로 확인이 되었다. 더불어, 지속적으로 수행된 미생물 게놈 시퀀싱 프로젝트를 통하여 이러한 Sus system이 Bac. thetaiotaomicron을 포함하여 다른 많은 Bacteroidetes에 존재한다는 것이 확인되었다. Sus system의 주요 특징은 다수의 유전자의 조합 반응을 통해 전분의 부착과 분해가 수행된다는 것이다. Sus system은 세포 외막에 존재하는 SusC, SusD, SusE, SusF, SusG를 포함하여 SusR, SusA, SusB, SusC, SusD, SusE, SusF, SusG의 8 개의 인접한 유전자들이 만들어 내는 단백질로 구성되어 있으며, 전분 분해는 아래와 그림에서 보여주는 바와 같이 7 단계로 설명된다. 1 단계: 글리칸(glycan)을 표면 캡슐 다당층(surface capsular polysaccharide layer)를 통해 이동시킨다. 2 단계: 글리칸은 전분에 직접 결합하는 SusD와 같은 외막 단백질에 의해 포획된다. 3 단계: 세포 표면 상에 결합된 글리칸은 SusG와 같은 외막 효소에 의해 분해되어 작은 올리고당이 분해되고 SusC를 통해 세포질 공간으로 수송된다. 4 단계: 작은 올리고당은 SusA 및 SusB와 같은 주변 세포질 효소에 의해 단당 또는 이당으로 분해된다. 단계 5와 6: 가수 분해된 당류는 다당류 활용 유전자를 활성화시키는 전사 조절자에 대한 신호를 유도한다. 단계 7: 가수 분해된 당류는 세포질로 운반된다.
<Bac. thetaiotaomicron의 starch utilization system 모델 [17]>
E. rectale는 사람 장내에서 일반적으로 자주 발견되는 미생물이다. E. rectale은 단독으로 저항 전분을 높게 이용하지는 못하지만 저항 전분을 섭취 시 증가하는 장내 미생물로써 전분 분해 기전에 대한 연구가 보고되었다. 2015년 Cockburn은 E. rectale이 전분을 에너지원으로 사용하여 미생물이 성장하는 동안 만들어지는 단백질들에 대하여 연구하였다 [18]. Glycoside hydrolase 13 그룹의 2 개의 효소와 3 개의 ABC transporter solute-binding 단백질들이 전분 분해에 관여하는 것으로 보고되었다. 이들 단백질들은 세포 표면에 존재하는 단백질들로써 서로 복합 작용하여 효과적으로 전분을 포획, 분해하고 분해 산물을 세포 내부로 보내는 역할을 한다. 아래 그림에서 보는 바와 같이 E. rectale은 펩티도글리칸 층에 고정되어 있는 EUR_21100 단백질의 N-말단에 위치한 5 개의 탄수화물 결합 도메인 (CBM)을 이용해 전분을 포획, 분해하여 말토올리고당을 생성한다. 생성된 말토올리고당은 막단백질인 EUR_01860에 의해서 더 분해가 되어 글루코즈 및 말토즈가 생성되고 이 분자들은 solute-binding 단백질인 EUR_01240, EUR_01830 및 EUR_31480에 의해 세포 내부로 이동되어 대사 과정에 사용된다.
<E. rectale의 starch utilization system 모델 [18]>
Bac. thetaiotaomicron과 E. rectale은 저항 전분의 분해를 효과적으로 하는 주요 미생물은 아니며 시험관 내 배양 시 5% 정도의 제한적인 이용률을 보인다. 실질적으로 R. bromii와 B. adolescentis가 40% 이상의 높은 이용률을 보이는 저항 전분 분해성 장내 미생물이다. 특히 R. bromii는 사람의 장내 상존 비율이 높아 저항 전분을 효과적으로 이용하는데 중요한 역할을 하는 것으로 보고가 되어 있다. 2015년 Xiaolei 등은 게놈 및 단백질-단백질 상호 작용 연구를 통해 저항 전분 분해성 R. bromii의 전분 분해 시스템을 체계적으로 보고했다 [19]. 그들은 R. bromii가 전분 및 전분 과립을 이용하기 위한 매우 특별한 시스템을 가지고 있다고 밝혔다. 전분을 에너지원으로 R. bromii를 배양하고 proteomic 분석을 통해 signal peptide를 가지는 GH 13 효소인 amy1, 2, 4, 9, 10, 12가 발견되었다. 이들 중 amy4, 9, 10, 12는 dockerin을 보유하고 있으며 그 중에서 amy4에는 cohesin 모듈이 존재한다. 이러한 cohesin-dockerin 상호 작용은 일반적으로 cellulose 분해성 Ruminococcus 및 여러 종류의 cellulose 분해 미생물에서 발견된다. 하지만 전분을 분해하는 균주에서의 cohesin-dockerin 상호 작용은 처음 보고가 된 것이다. 재조합 융합 단백질로써 R. bromii에 존재하는 4 개의 cohesin과 11 개의 dockerin의 결합 작용을 조사한 결과, amy4와 amy9 효소의 dockerin은 막단백질인 sca2 단백질과의 결합을 통해 세포 표면에 존재하는 것으로 예측되었다. 또한 amy4, 9, 10 및 12의 dockerin은 sca3과 sca4 단백질과 결합하여 복합체가 형성될 수 있었으며 amy4, 9 및 10 효소는 추가 복합체로써 amy4의 cohesin과 결합이 가능하여 단백질-단백질 결합 작용을 통해 다중 효소 복합체를 형성할 수 있다. 그리고 이 amylosome이라고 불리우는 효소 복합체에 포함된 CBM을 통해 저항 전분에 부착하여 효과적으로 저항 전분을 분해한다.
<R. bromii의 starch utilization system 모델 [19]>
Bifidobacterium 속은 다양한 기능성 식품에서 프로바이오틱으로써 사용되는 아주 중요한 미생물 속이다. 1899년 Tissier가 모유 수유 중인 유아의 대변에서 bifidobacteria를 최초로 분리한 이후, 다양한 bifidobacteria가 인체, 곤충 및 동물의 장내, 발효 식품, 하수, 담수와 같은 다양한 생태 환경에서 분리되어 왔다. Bifidobacateria의 게놈은 2008년에 처음 분석이 되었고 [20], 지금까지도 많은 양의 bifidobacteria의 게놈 데이터가 보고되고 있다. 2015년 Liu는 이러한 유전 정보를 활용하여 bifidobacteria가 전분 분해에 있어 유전적인 이점이 있다고 보고하였다. 그들은 전분 분해에 참여하는 탄수화물 분해 효소들이 Bacteroidetes의 게놈보다 bifidobacteria의 게놈에 더 풍부하게 존재한다고 보고하였다 [21]. 2014년 Milani는 bifidobacteria 게놈에서 탄수화물 대사에 참여하는 유전자는 12% 이상으로 매우 많은 coding 유전자가 탄수화물 대사와 관련되어 있다고 하였다 [22]. 또한, sub-species를 포함하는 47 개의 Bifidobacterium들 중 5.5%의 핵심 bifidobacteria의 coding 유전자가 탄수화물 대사와 관련되어 있다고 주장하였다 [23]. 그러나, 전분 이용과 관련된 사람 장내 핵심 bifidobacteria의 전분 이용과 관련된 세부적인 단백질 수준의 유전자 전략은 거의 연구되지 않았다. 따라서, 유전자 분석에 기초한 핵심 Bifidobacterium의 전분 대사를 연구함으로써 Bifidobacterium의 저항 전분 분해 전략을 이해할 수 있을 것이다. 본 연구진은 2018년 한우의 위액을 저항 전분과 배양하고 메타지놈을 수행한 후, 균주를 분리한 결과, Bifidobacterium 속이 저항 전분 분해에 깊게 관여한다는 사실을 발표하였다 [24]. 2018년 Centanni는 저항 전분을 섭취시킨 마우스에서 발현되는 유전자들을 연구한 결과 B. pseudolongum이 저항 전분 분해와 관련된 핵심 미생물이라고 보고하였다 [25].
<한우의 위액과 저항 전분 배양 시 변화되는 균총 [24]>
또한 본 연구진은 2018년 사람 장내에서 60% 이상의 매우 높은 저항 전분 이용률을 보이는 B. adolescentis를 분리하였고 genomics, transcriptomics 결과와 효소학적 연구를 통하여 저항 전분 분해 효소들을 발견하였고 저항 전분 분해와 관련돤 다양한 미생물학적, 효소학적 연구를 마무리 중이다.
사람 장내에서 전분 분해에 관련이 된다고 보고된 가장 대표적인 4 종의 미생물은 Bacteroides thetaiotaomicron, Eubacterium rectale, Ruminococcus bromii와 Bifidobacterium adolescentis이다. 현재까지 B. adolescentis를 제외한 3 종의 전분 활용 전략에 대한 유전적 연구가 보고되었다. 이들은 전분 분자를 포획하는 방법으로 전분을 분해하는데 B. adolescentis도 이들과 유사한 전략으로 저항 전분을 분해할 것으로 예상된다. Bifidobacteria의 많은 종이 프로바이오틱스로 이용되고 있으며, 따라서 bifidobacteria의 저항 전분 분해 기전에 관한 연구는 특히 중요하다. 배양, genomics 및 transcriptomics를 통한 Bifidobacterium의 단백질 연구는 인간의 장과 같은 저항 전분이 풍부한 특정 환경에서 Bifidobacterium이 어떻게 생존하는지 이해하기 위한 중요한 기초가 될 수 있다. 저항 전분 분해 관련 Bifidobacterium의 분자유전학적 정보와 생화학적 연구는 기질 경쟁이 치열한 장내 환경에서 Bifidobacterium의 프로바이오틱스로서의 역할과 기능을 한층 강화할 수 토대가 될 수 있을 것이다.
