지구상의 모든 생물들은 낮과 밤으로 이어지는 24시간의 자연주기에 궁극적으로 연결되어 있는데, 이 자연주기를 생체리듬(circadian rhythms)이라 한다. 동물은 물론 식물, 심지어 세균에 이르기까지, 생체리듬은 다양한 생물학적 기능을 제어하는 역할을 한다. 하지만 그러기 위해서는 한 가지 대가를 치러야 하는데, 인간의 생체리듬이 자주 - 빈번한 항공여행이나 야근 등으로 인해 - 교란되는 경우 당뇨병, 비만, 심혈관질환, 암에 취약하게 된다는 것이다.

생체리듬 교란과 질병 간의 관련성을 설명하는 이론들은 많지만, 최근 시행된 연구에서 과학자들은 한 가지 요인을 새로 추가했다. 새로 추가된 요인은, 놀랍게도 인간의 위장관에 서식하는 세균들이다. 이스라엘 바이츠만 연구소의 연구진은 최근 발표한 논문에서, "인간과 마우스를 대상으로 한 연구에서, 장내미생물의 생체시계가 숙주(인간)의 생체시계와 연동되어 있는 것으로 밝혀졌다"고 보고했다. 연구진에 의하면, 인간의 생체리듬이 교란될 때, 장내미생물의 생체시계도 역시 교란된다고 한다.

최근 몇 년 동안, 인간의 위장관에 서식하는 미생물군에 대한 관심이 폭발적으로 증가했다. 그리고 이 미생물군들은 - 면역질환에서 대사질환, 심지어 기분(mood)에 이르기까지 - 거의 전(全)분야에서 숙주에게 영향을 미치는 것으로 밝혀지고 있다. 장내미생물은 생체시계의 교란과 관련된 질병에도 관여하는 것으로 밝혀졌지만, 그 완전한 발병 메커니즘은 아직 밝혀지지 않았다. 이에 바이츠만 연구소의 에란 엘리나브 박사(면역학/미생물학)는 `미생물 자체의 생체리듬에 비밀이 숨겨져 있을 것`이라고 생각하고 연구에 착수했다.

이번 연구에서 엘리나브 박사가 이끄는 연구진은, 12시간 단위의 정상적인 밤/낮 사이클에서 사육된 마우스의 대변 샘플을 분석했다. 대변 샘플은 이틀 동안 6시간 간격으로 채취되었다. 분석 결과 위장관세균총의 60%는 다양한 세균으로 구성되어 있으며, 이 세균들의 개체수 및 상대적 점유율은 주야(晝夜)로 계속 변하는 것으로 나타났다. 즉, (마우스가 가장 활발하게 활동하는) 밤의 경우, 세균들도 역시 영양소를 소화시키고, 손상된 DNA를 회복시키고, 증식하느라 바쁜 것으로 나타났다. (이는 시간대별로 채취한 대변 속에서, 다양한 세균의 유전자활성을 분석한 결과 내려진 결론이다.) 이에 반해 (마우스가 활동하지 않는) 낮의 경우, 세균들도 역시 정리정돈(housekeeping) 단계에 들어가 해독작용, 주변의 화학물질 탐지, 편모생성 등에 주력하는 것으로 나타났다.

그런데 연구진이 마우스의 유전자에 돌연변이를 일으켜 생체시계의 작동을 중단시키자, 위장관세균 역시 밤낮의 변화에 따른 개체수 및 활성변화를 나타내지 못하는 것으로 나타났다. 이는 마우스의 생체시계가 위장관세균의 생체시계에 영향을 미친다는 것을 시사한다. 그러나 연구진이 시간감각을 잃은 마우스들의 위장관 세균을 정상적인(12시간 간격의 밤/낮 사이클이 유지되는) 환경에서 생활하는 마우스들의 장속으로 옮기자, 이들 세균은 일주일 이내에 정상리듬을 회복하는 것으로 나타났다.

연구진은 이상의 연구결과를 정리하여 Cell 10월 16일호(온라인판)에 실었다. "이번 연구결과는 매우 놀랍다. 선행연구에서는 많은 세균들이 광반응성 생체시계(light-responsive circadian clocks)를 갖고 있는 것으로 밝혀진 바 있다. 예컨대 남조류(cyanobacteria)의 경우가 그런데, 남조류는 빛을 이용하여 광합성을 한다는 특징이 있다. 그러나 동물의 대장 속에 깊이 박혀 있는 세균이 일주기(日週期)에 반응한다는 것은 전혀 뜻밖이다. 그들이 어떻게 밤과 낮이 바뀌는 것을 알 수 있을까? 아마도 숙주가 위장관세균에게 모종의 신호를 보내는 것 같다"고 연구진은 말했다.

연구진은 면밀한 관찰을 통해, 정상적인 마우스와 시간감각을 잃은 마우스의 중요한 차이점은 `식사 시간이 다르다`는 것임을 파악했다. 즉, 정상적인 마우스는 (활발히 활동하는) 밤에 먹이를 먹는데 반해, 시간감각을 잃은 마우스는 거의 시도때도 없이 먹이를 먹는 것으로 나타났다. 이에 연구진은 `식사시간이 신호일지도 모른다`는 생각을 떠올렸다. 이에 연구진이 정상적인 마우스의 식사시간을 바꾸자, 위장관세균의 개체수, 유형, 활성도 따라 바뀌는 것으로 나타났다. 한편, 시간감각을 상실한 마우스는 체중이 증가하고 인슐린저항성이 발생하는 것으로 확인되었다. 그런데 수면패턴이 불규칙한 사람들은 야식을 많이 하는 경향이 있으므로, 연구진은 "불규칙한 식생활습관이 위장관세균을 교란시켜 비만이나 당뇨를 초래한다`고 추론하게 되었다.

"물론 위장관세균이 모든 것을 결정하지는 않을 것이다. 불규칙한 수면과 식생활은 다른 경로(예컨대 스트레스호르몬 과잉분비, 인슐린 생성 등)를 통해서도 비만이나 당뇨를 초래할 수 있다. 그럼에도 불구하고 이번 연구는 매우 설득력이 높다"고 콜로라도 대학교의 롭 나이트 교수(미생물학)는 논평했다. 나이트 교수에 의하면, 최근 미국에서 이스라엘로 여행한 승객들을 대상으로 한 소규모 연구에서도, "시차적응이 안 된 환자들의 위장관 세균 구성은 비만이나 당뇨 환자와 유사하며, 시차적응이 완료된 다음에는 세균 구성이 정상으로 회복되었다"는 결론이 나왔다고 한다.

"가장 설득력이 높은 결과는, 시차적응이 안 된 사람의 대변 샘플을 건강한 마우스에게 이식한 결과, 마우스의 체중이 증가하고 혈당이 상승했으며, 체지방이 증가했다는 것"이라고 나이트 교수는 말했다. 그렇다면, 시차적응의 부작용을 `식사시간이나 방법의 신중한 조절`을 통해 예방·치료하는 것이 가능할까? 이에 대해 엘리나브 박사는 "그건 정보에 바탕을 둔 추측(educated guess)에 해당되는 이야기다"라고 응답했다. 출 처 : http://news.sciencemag.org/biology/2014/10/are-your-bacteria-jet-lagged (KISTI)