허준의 동의보감은 건강한 삶을 위해 ‘오장육부(五臟六腑)’의 중요성을 강조하였다. 최근 현대인의 장 건강에 대한 관심이 증가하면서 몸속 미생물의 중요성을 증명하는 과학적 연구 성과가 증가하고 있다.

아시아태평양 이론물리센터(APCTP, 이사장 남궁원) 연구진들은 5백여종이 넘는 장내 미생물 생태계 지도의 제작·분석을 통해 장내 미생물의 환경이 당뇨병 환자에게 미치는 영향에 대한 연구 결과를 발표하였다.

아태이론물리센터 신진연구그룹(JRG) 프로그램으로 진행된 본 연구는 김판준 교수(現 KAIST 물리학과)의 연구 주도 및 연구진의 적극적 참여로 기작 중심 연구의 수학적 발판을 마련하였다.

복잡계 이론물리 분야 네트워크 분석기법을 활용한 장내 환경의 수학적 분석기법 개발과 미생물 생태계 지도를 구축하였고, 학계는 상기 연구를 통해 인체의 질병 탐색과 건강한 체내 환경 구축 등 생물학과 의학 분야의 관련 융합 연구 결과의 등장을 기대하고 있다.

인체의 건강과 질병 상태의 탐색에 유용할 미생물 생태계의 대동여지도 제작은 물리학과 생물학을 잇는 융합연구의 결실이었다. 포스텍 화학공학과, 미국 일리노이대 식품과학 및 인체영양학과, 미국 메이요 클리닉 외과학교실과 공동으로 진행한 이 연구는 세계 유수의 과학학술지 네이처 자매지인 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 6월 6일자로 게재되었다.

논문의 주요 내용은 다음과 같다.

1. 연구의 필요성

최근 급격히 발전한 미생물 유전체 염기서열 분석기술을 통하여 현대과학은 장내 미생물의 생태계가 인체의 건강 및 질병 상태와 매우 밀접한 연관이 있음을 보여준다. 예컨대 전세계적으로 그 증가 추세가 예사롭지 않은 비만, 당뇨병, 염증성 장 질환, 대장암, 알레르기, 심지어 몇몇 신경계 질환까지 장내 미생물 군집과 밀접하게 관련 있다는 실험 결과들이 지속적으로 보고되고 있다.

이러한 장내 미생물의 역할을 장내 생태계 수준에서 종합적으로 규명하기 위하여 기존에 단편적으로 알려진 미생물 상호작용들을 거대한 생테계 연결망으로 집대성하고 인체의 건강과 질병 상태 탐구를 위한 수학적 발판으로 삼자는 것이 본 연구의 취지였다.

2. 연구 내용

연구진은 4백여 편의 생물학 문헌을 심층 구독하고 복잡계 물리학 이론으로 그 지식을 체계적으로 조합함으로써 대사물질을 매개로 일어나는 장내 미생물 사이의 상호작용 연결망을 대규모로 구축하였다. 이 연결망은 5백여종이 훌쩍 넘는 장내 미생물의 생태계에 대한 대형 지도라고 볼 수 있다.

연구진은 이 대규모 연결망, 즉 장내 미생물의 생태계 지도가 특정한 건강 혹은 질병 상태의 사람이 가진 장내 환경의 분석에 요긴하도록 돕는 수학적 방법론을 체계적으로 개발하였다.

3. 연구 성과

복잡계 물리학에서 쓰이는 네트워크 분석 기법을 적용한 결과, 장내 미생물 사이의 관계가 마치 사람들 사이의 사회연결망처럼 계층적이면서 질서 있는 모습으로 발견되었고 이를 통해 미생물 사이의 연결망 분석을 체계화할 수 있음을 보였다.

장내 미생물 생태계의 대동여지도를 이용한 사례로서 제2형 당뇨병 환자의 장내 환경이 건강한 사람의 경우와 어떻게 다른지 분석하였다. 이를 통하여 건강한 사람과 제2형 당뇨병 환자의 장내 생태계 연결망을 핵심적으로 각각 지탱하는 미생물의 종류와 그 미생물 생태계에서 생산하는 대사물질의 종류를 추론함으로써 인체 건강에 잠재적으로 이롭거나 해로운 물질들 및 그 근간이 되는 장내 환경 특이적 미생물 연결망의 계층 구조를 제시하였다.

김판준 교수는 “이번 연구 결과는 장내 미생물이라는 인류의 건강 개선과 밀접한 주제에 기여했다는 점이 특히 중요하다”고 강조했다. 기존에 단편적으로 알려진 미생물 상호작용들을 거대한 생테계 연결망으로 집대성한 이 연구는 장 건강에 좋은 새로운 프로바이오틱스의 발굴 및 개인 맞춤형 의료시대의 개막에 큰 도움이 될 것으로 전망된다.

아태이론물리센터 정우성 사무총장은 본 연구 성과가 “정부의 기초과학 지원을 통한 연구기관의 능동적 융합연구 성과로서 기초과학의 중요성과 발전 가능성을 재차 확인하는 값진 노력의 결과”라며 연구진의 성공적 연구를 축하했다.