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2021 September Vol.34 No.3 ISSN 1598-8384

자유기고

모유올리고당과 마이크로바이옴

㈜에이피테크놀로지
송영하 박사E-mail : yhsong@aptech.biz



서론

모유수유는 오래전부터 아기에 영양을 공급해 주는 최적화된 방법으로 생각되어 왔고, 영유아 영양에 골드 스탠다드(Gold Standard)라는 것이 널리 알려져, 세계보건기구(WHO)에서는 생후 첫 6개월 동안은 모유만을 수유할 것을 권장하고 있다(Zhang et al., 2021). 모유 수유는 영유아기의 건강한 성장과 발달에 영향을 주며 필요한 영양소를 공급하게 된다. 모유를 수유한 영유아는 위장 및 호흡기의 감염, 비만, 당뇨, 아토피, 천식 같은 다양한 질병의 발병 줄어드는 것이 알려져 있다. 분석기술의 발달로 인해 모유에 다양한 유익한 성분들에 대한 분석이 가능하게 되고, 사람의 모유에만 특이적 구조를 갖는 모유올리고당(Human milk oligosaccharides, HMOs)이 과량 존재한다는 것을 알게 되었다 (O’Sullivan et al., 2018).


우유와 모유의 주요성분을 비교해 보았을 때, 단백질, 지방, 유당 등 다른 주요 성분의 차이는 크지 않지만 올리고당의 함량은 약 100~300배 정도 차이를 보인다. 이러한 올리고당을 모유올리고당 (Human milk oligosaccharides, HMOs)이라 명명하였으며 5~15 g/L 정도로 존재한다. 모유올리고당은 glucose, galactose, fucose, sialic acid, N-acetylglucosamine의 조합의 다섯 가지 단당으로 구성되나 그 조합과 구조형태가 다양하여 약 200 가지 이상 존재하는 것으로 밝혀졌다 (Bode and Jantscher-Krenn, 2012).


모유올리고당의 가장 큰 특징 중 하나는 사람은 분해할 수 있는 효소를 장내에 분비하지 않아 직접 소화가 불가능하다는 점이다. 하지만 장내 존재하는 미생물의 분해 효소에 의해 분해가 가능하여, 프리바이오틱스 역할이 기본이 되어 장내 환경을 조절하는 등 다양한 기능성을 보여준다. 이 글에서 모유올리고당이 주는 유익한 기능과 마이크로바이옴의 조절 역할에 대해 간략하게 소개하고자 한다.


표1
표1. 모유와 우유의 주요 영양성분 비교(Bode, 2012)


본론

장내환경 조절자로서 모유올리고당

모유올리고당은 장내 미생물의 선택적인 사용에 의해 장내미생물 군에 영향을 준다는 것은 이미 잘 알려져 있는 사실이다 (Garrido et al.2011). 영유아가 섭취한 모유올리고당은 사람의 소화효소로는 분해가 되지 않고 BifidobacteriumLactobacillus와 같은 장내 미생물이 생산하는 분해 효소에 의해 분해되어 장내미생물이 생존하게 된다. 장내 유해균이 존재할 경우 장 상피세포의 당사슬을 인지하여 감염이 시작되는데 모유올리고당이 장 상피세포와 구조적으로 유사하여  모유올리고당이 유해균과 부착하여 유해균이 배출되는 효과가 보고되었다 (Jantscher-Krenn et al., 2012). 뿐만 아니라, Kuntz et al.(Kuntz et al., 2008)의 연구는 모유올리고당이 장 상피세포의 apoptosis, proliferation, differentiation을 조절 할 수  있음을 보여주었으며, Anelioni et al(Angeloni et al., n.d.).의 연구는 모유올리고당의 처리가 장 상피세포의 유전자발현의 변화를 유도하여 세포 표면의 glycocalyx의 표현형을 변화 시킬 수 있음을 보여주었다. 이러한 결과는 모유올리고당이 유해균에 부착되어 배출시키는 역할뿐 아니라 장 내에서 직접적인 역할을 할 수 있음을 보여주는 예가 될 것이다. 또한 모유올리고당은 바이러스가 결합하는 수용체 결합에 대한 경쟁을 통해 바이러스의 감염을 예방할 수 있음도 보고 되었다 (Naarding et al., 2005).


장내에서 흡수되어 모유올리고당이 장벽을 통과하여 순환기에서도 작용을 할 수 있다. 예를 들어 모유를 수유하는 영유아의 소변에서도 모유올리고당을 확인할 수 있는데 이는 모유올리고당이 흡수되어 혈액을 통해 순환할 수 있다는 단서가 된다 (Rudloff et al., 2012). 이러한 보고는 모유올리고당이 순환기를 따라 이동하며 장외에 다른 기관에도 영향을 미칠 수 있음을 보여준다.


그림1
그림 1 모유올리고당의 유익한 기능(Akkerman et al., 2017)


모유올리고당과 장마이크로바이옴

앞서 언급된 바와 같이 모유올리고당은 장내에서 다양한 기능을 하는 것이 보고되었으며, 이는 기본적으로 영유아기에 장 성숙에 중요한 역할을 하게 된다. 모유올리고당 중 모체의 유전형에 가장 영향을 크게 받는 성분은 2’-푸코실락토오스인데 이는 모유에 가장 많이 포함되어 있는 모유올리고당이며, FUT2(fucosyltransferase 2)유전자 유전형에 의해 2’-푸코실락토오의 생산이 결정된다. FUT2 유전자의 돌연변이형태는 효소의 활성이 없어 2’-푸코실락토오스를 생산하지 못하며 non-secretor로 표현한다. 2015년 Lewis et al.는 2’-푸코실락토오스를 만드는 secretor와 돌연변이 유전형을 갖는 non-secretor의 산모-아기를 대상으로 신생아의 변에서 마이크로바이옴을 분석하였다. 이 연구에서 secretor 모체로부터 수유를 한 아기의 경우 상대적으로 비피도박테리아가 풍부하였으며, 특히 Bifidobacterium longum 그룹이 높게 나왔다. 반면 non-secretor의 경우 상대적으로 낮은 수준의 비피도박테리아가 존재하였으며 Bifidobacterium breve의 빈도가 높았다(Kuntz et al., 2008). 이러한 연구 결과는 특정 당사슬이 장내미생물균총의 형성에 영향을 줄 수 있음을 보여주는 예이다.  


영유아기 뿐 아니라 성인에게 모유올리고당을 섭취하게 한 경우도 Bifidobacterium의 균총에 영향을 주는 것으로 확인되었다. 모유올리고당을 개발하는 Glycom 사의 덴마크 연구진은 2’-푸코실락토오스와 LNT를 건강한 성인에게 섭취하는 시험을 진행하였는데, 20 g/Day로 2주간 섭취할 경우도 특이증상이 없음을 보여주었으며, 섭취전에 비해 대상자 군에서 Bifodibacterium 군집이 증가함을 보여주었다(Elison et al., 2016).    


Bifidobacterium이 장 건강에 중요한 역할을 하고 있음에 대해서는 인지하고 있으나 Bifodibacterium이 장내에 존재한다는 것으로 유익함을 설명하기에는 한계가 존재한다. 미생물은 환경에서 다양한 방식으로 서로 상호작용을 하고 있으며, 이중 하나가 2차 대사산물을 이용한 상호작용일 것이다. 이러한 대사산물은 모유올리고당을 대사 하여 생성되는 SCFA(short chain fatty acid)인 Acetate, Lactate, Propanediol 등이 있으며, 당가수분해 효소가 세포밖으로 분비되어 생성되는 fucose, sialic acid, N-acetylglucosamine등이 있을 수 있다. 최근에는 이러한 대사산물과 장내 미생물에 대한 영향을 보기 위한 여러 장내 미생물을 함께 배양하는 연구와 2차 대사산물을 이용한 배양 연구도 진행되고 있으며, 장내미생물균총의 변화를 관찰하기 위한 메타지놈 분석도 활발하게 이뤄지고 있다.


또한 2’-푸코실락토오스의 경우 미숙아에게 잘 발생하는 신생아괴사성장염(necrotizing enterocolitis, NEC)와 마이크로바이옴을 이용한 치료를 시도중인 염증성장질환(inflammatory bowel disease, IBD)와 같은 질병의 치료를 위한 비임상 및 임상 연구도 해외에서 진행 중이다.




맺음말

마이크로바이옴에 대한 관심이 높아짐에 따라 프로바이오틱스로서 기능인 “유산균의 증식 및 유해균 억제”의 수준보다 한단계 높은 수준의 연구가 활발하게 진행되고 있고 건강기능식품에서 의약용으로 발전하기 위한 연구에 대한 투자도 많아지고 있다. 본 글에서 언급한 모유올리고당은 인간세포 및 단백질에 특이적인 푸코실화와 시알릴화가 풍부하여 프리바이오틱스로 역할뿐 아니라 그 자체가 갖는 생리활성 기능에 대한 중요성도 인식하여 다양한 분야에 활발한 연구 진행 및 적용이 시도되고 있으며 앞으로도 많은 연구가 필요한 분야이다.


아직까지 몇몇 모유올리고당만이 상업화됨에도 불구하고, Grand View Research, Inc의 보고서에 의하면 모유올리고당의 시장은 연평균 성장률 (CAGR) 21.9% 로 예상되어 2025년에는 약 712억$ 를 넘을 것으로 전망하고 있다. 최근 많은 생명공학, 식품 기업들이 관심을 갖고 기술개발을 가속화하고 있어 지속적으로 시장이 성장할 것으로 기대되며 멀지 않은 미래에 모유와 거의 유사한 조합을 만들어 낼 것으로 예상된다.


마지막으로, 아직까지도 환경이 좋지 못한 국가에서 출생하는 아기들 중 많은 수가 장내 감염을 통해 고통을 받고 있으며, 사망에 이르기까지 한다.  모유올리고당의 생명공학적 생산 기술의 발전으로 장내미생물과의 조합을 이루어 면역 개선 등에 대한 연구로 고통을 받는 아기들에게도 도움을 줄 수 있길 바랜다.




REFERENCE

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