인터뷰 - 마이트의 H​​indgut에서 미생물 커뮤니티를 조사

흰개미와 그 장내 미생물은 매우 흥미롭고 복잡한 상호공생의 한 사례입니다. 저는 흰개미와 이러한 미생물들을 연구하여, 곤충과 미생물이 모두 사용할 수 있는 산물로 매우 복잡한 먹이원인 리그노셀룰로스를 분해하는 과정에서 각각의 구성 요소가 수행하는 다양한 역할들을 더 잘 이해하고자 합니다. 저는 Jared Ledbetter입니다.

저는 캘리포니아 공과대학교의 환경 미생물학 부교수이며, 환경 과학 및 공학 프로그램에 참여하고 있습니다. Caltech에 있은 지는 6년 반이 되었지만, 지난 17년 동안 저의 주된 연구 관심 분야는 다양한 흰개미의 후장에 서식하는 미생물 군집에 대한 연구였습니다. 매사추세츠주 우즈홀에서 진행된 미생물 다양성 여름 과정의 학생으로서 흰개미 장내 미생물학을 처음 접한 이후로, 저는 흰개미의 후장에 서식하는 다양한 미생물 종들의 정체와 기능에 깊은 관심을 가져왔습니다.

흰개미의 후장 미생물 군집은 생명체의 세 가지 도메인을 모두 포함하는 약 250종의 고유한 미생물 종으로 구성되어 있습니다. 여기에는 메타게놈 분석으로 확인된 Archaea, 혐기성 셀룰로오스 분해 원생동물(단세포 진핵생물), 그리고 스피로헤타(spirochetes)라고 불리는 박테리아 그룹의 수많은 신종을 포함한 매우 다양한 박테리아들이 포함됩니다. 흰개미 내에 서식하며 자연계의 다른 곳에서는 발견되지 않는 약 250종의 서로 다른 종들이 존재함에도 불구하고, 약 100년의 연구 후에도 우리는 이 다양한 미생물들이 수행하는 기능에 대해 매우 제한적으로만 파악하고 있습니다. 이는 숙주 곤충과 미생물 군집 사이에 발생하는 매우 흥미로운 상리 공생 관계로, 이들이 함께 셀룰로오스를 분해하여 숙주 곤충과 다양한 미생물 모두의 대사에 연료를 공급하는 생성물을 만들어냅니다.

따라서 지난 16년, 17년 동안 저는 이 종들이 누구이며 무엇을 하는지를 식별하는 데 매우 많은 관심을 가져왔습니다. 이 종들이 후장 내에서 서로 어떻게 상호작용하며, 숙주에게 어떤 이점을 제공하는가는 무엇일까요? 흰개미와 그 장내 미생물은 매우 매혹적이고 복잡한 상리 공생의 한 예입니다.

저는 흰개미와 그 미생물들을 연구하여, 매우 복잡한 먹이원인 리그노셀룰로오스를 곤충과 미생물이 모두 이용할 수 있는 생성물로 분해하는 과정에서 다양한 구성 성분들이 수행하는 여러 가지 역할을 더 잘 이해하는 데 관심이 있습니다. 흰개미의 장내 미생물을 연구하는 또 다른 이유는 흰개미가 전 지구적으로 매우 중요한 동물 집단이며, 열대 및 아열대 지역의 전 지구적 탄소 및 질소 순환에서 매우 결정적이고 중요한 역할을 하기 때문입니다. 또한 흰개미는 매우 다양합니다. 즉, 매우 많은 종류의 흰개미 종이 존재하며 그 개체 수 또한 매우 풍부합니다.

이 곤충들이 얼마나 성공적으로 적응했는지를 보여주는 한 가지 예로, 이들은 크기는 작지만 전 지구적 CO2 및 메탄의 중요한 배출원이라는 점을 들 수 있습니다. 흰개미가 목재를 이러한 생성물로 전환시킨 양 덕분에, 전 지구적 CO2의 약 2%와 전 지구적 메탄의 약 4%가 흰개미에 의해 발생하며, 이는 단일 동물 집단으로서는 상당히 상당한 수치입니다. 따라서 이 곤충 내에 존재하는 미생물과 그 활성을 연구함으로써, 우리는 이 곤충들과 그들이 전 세계적으로 성공할 수 있었던 기반을 더 잘 이해할 수 있습니다.

장내 미생물 내의 흰개미를 연구하는 것은 규모와 재현성 관점에서도 흥미롭습니다. 또한, 매우 흥미롭고 복잡한 환경이기 때문에 저는 어느 정도 수준에서 장내 미생물 내의 흰개미를 연구하고 있습니다. 하지만 후장 환경, 즉 이 후장 생태계는 다른 많은 환경과는 매우 다릅니다.

흰개미의 후장은 부피가 약 1 µL로 매우 작으며, 장 상피세포 또는 곤충의 외피에 의해 둘러싸여 있어 경계가 매우 명확합니다. 따라서 우리는 해당 환경의 경계를 매우 구체적으로 정의할 수 있습니다. 또한 이 환경은 매우 작기 때문에, 흰개미 한 상자에 200마리가 들어있다면 평균적으로 동일한 환경이 계속해서 반복되는 구조라고 할 수 있습니다.

흰개미의 장내 환경을 예를 들어 사르가소해(Sargasso Sea)와 비교한다면, 사르가소해는 거대하고 방대합니다. 그 너비는 수천 마일에 달합니다. 그 경계는 정의되어 있지만, 아마도 운영상으로만 그럴 것입니다.

사르가소해의 경계는 명확하지 않으며, 전 세계에 단 하나뿐입니다. 따라서 사르가소해 연구를 통해 해양 과학에 대해 많은 것을 배울 수 있으며, 이 지역을 연구하는 것은 매우 중요합니다. 하지만 보트를 타고 그곳까지 가야 한다는 점 등 몇 가지 까다로운 점들이 있습니다.

그곳의 일부 미생물에 대한 발견이 있더라도, 특정 시점에 그 미생물들이 어디에 있는지 알 수 없으며 위치가 수 마일씩 떨어져 있을 수 있고, 당연히 그 표본은 단 하나뿐입니다. 따라서 사가소해(Sargasso Sea)를 연구하면서 어떤 방식으로 섭동을 가하고, 이를 비교할 대조군으로서의 사가소해를 마련하는 것은 어렵습니다. 하지만 이들의 장내 미생물을 연구함으로써, 우리는 실제로 실험실 기술을 적용하기에 적합한 환경의 사례를 확보하게 됩니다.

우리는 해당 환경을 재현하고, 이를 교란시켜 대조군과 비교할 수 있습니다. 그리고 우리는 약 1mm 이내의 범위에서 이 모든 다양한 미생물 군집과 미생물 종들이 어떻게 상호작용하는지, 즉 이 1µL의 장 환경 내에서 어떻게 상호작용하는지 항상 파악할 수 있습니다. 따라서 저희 연구실에서는 이 미생물 군집의 비밀을 밝히는 데 도움이 될 수 있는 가용한 모든 기술을 사용하여 이 군집을 연구하고자 합니다.

물론 이 과정의 한 가지 측면은 해당 미생물 군집에 서식하는 종들을 배양하려고 시도하는 것이었습니다. 실험실 내 in vitro 환경에서 250종을 다루는 것은 매우 복잡하며, 박테리아의 순수 배양물을 연구할 수 있다면 연구 해석에 있어 비견할 데 없는 명확성을 얻을 수 있습니다. 저희의 노력 중 일부는 이 장내 군집에 접근하여 해당 군집으로부터 단일 종을 분리 및 배양하고, 그 종들의 생리학, 유전학 및 유전체학을 상세히 연구한 다음, 그것이 해당 군집 내에서 그 종의 기능에 대해 무엇을 의미하는지를 다시 분석하는 데 집중되었습니다.

이에 대한 예로 흰개미 장에 관한 당사의 연구가 있습니다. 스피로헤타(Spirochetes)는 나선형 모양의 생물로, 거의 모든 흰개미에서 풍부하게 발견됩니다. 흰개미에게는 스피로헤타가 존재하는데, 이들은 사실 매독의 원인균과 상당히 밀접한 관련이 있지만, 모든 건강한 흰개미에게서 이러한 스피로헤타를 확인할 수 있습니다.

따라서 아주 오랜 기간 동안 우리는 이러한 spirochetes가 숙주에게 긍정적인 영향을 주는 공생 관계일 가능성이 높다는 점은 알고 있었지만, 구체적으로 어떤 역할을 하는지는 알지 못했습니다. 약 10년 전, 저는 이러한 spirochetes를 in vitro에서 배양하는 데 성공했으며, 이제 우리는 이 spirochetes를 연구하여 그 생리학적 특성과 환경 내에서 어떤 작용을 하는지에 대해 많은 것을 배우게 되었습니다. 그 이전까지는 이러한 spirochetes가 환경에서 무엇을 하고 있었는지 전혀 알지 못했습니다.

이와 같이 우리는 이러한 순수 배양액을 연구함으로써 순수 배양 기반의 많은 발견을 이루어냈습니다. 또한 우리는 유전자 기반 방법을 사용하여 이 미생물 군집을 연구합니다. 특정 생리적 특성을 나타내는 특정한 유전자 유형이 있을 수 있으며, 우리는 이 군집 내에서 해당 유전자의 변이가 얼마나 존재하는지, 그리고 이러한 핵심 유전자를 인코딩하는 생물체는 누구인지 질문하며 연구를 시작할 수 있습니다.

따라서 질소 대사에 관여하는 유전자의 다양성과 탄소 대사의 핵심 측면을 연구함으로써, 이 후장(hind gut)에서 기능적으로 어떤 일이 일어나고 있는지 분석하기 시작할 수 있습니다. 또한 유전자 기반 메커니즘이나 유전자 기반 접근법을 사용하여 흰개미 내 생물체의 다양성을 평가할 수 있습니다. 리보솜 RNA 유전자를 마커 유전자나 바코드로 사용하여 이 군집에 얼마나 많은 종이 존재하는지, 그리고 아마도 그 풍부도는 어느 정도인지, 그리고 우리의 순수 배양액이 실제로 그 다양성을 어떻게 반영하는지 평가할 수 있습니다. 따라서 저희 연구실에서는 여러 가지 유전자 기반 기술을 사용하고 있습니다.

우리는 또한 메타제노믹스 연구를 수행하며, 이 미생물 생태계의 전체 게놈 함량을 분석하여 해당 커뮤니티 내에서 발생하는 모든 다양한 대사 과정이 무엇인지 파악하고자 했습니다. 따라서 제 연구실에서는 순수 배양을 연구하고, PCR 기반의 유전자 분석 기술과 메타제노믹스를 활용하며, 이 힌(hin) 장 내에 존재하는 효소 활성과 같은 활동들을 분석하고 있습니다.

또한 현미경 관찰을 통해 유기체가 장 내 어디에 위치하며 어떤 다른 세포들과 상호작용하는지 파악하고자 합니다. 궁극적으로 우리가 하고자 하는 것은 후장에 얼마나 많은 종이 존재하는지, 그들이 각각 무엇을 하며, 서로 어떻게 상호작용하는지를 이해하는 것입니다. 미생물 군집을 연구하는 데에는 자연계의 다른 군집 연구와는 구별되는 몇 가지 어려움이 있습니다.

숲이나 사바나를 산책하며 길을 따라 마주치는 다양한 식물과 동물 종을 관찰하는 것은 비교적 간단한 일입니다. 그리고 군집 생태학 분야에서는 지난 100년 동안 특정 군집에 얼마나 많은 식물과 동물 종이 존재하는지, 그리고 그 군집에서 얼마나 자주 발견되는지에 대한 질문을 던지기 위해 많은 방법과 접근 방식이 개발되었습니다. 나아가 시간이 흐름에 따라 이러한 생물체들을 군집 내에서 실제로 관찰함으로써, 그들이 직면하는 환경적 역동성과 환경적 자극에 대해 어떤 종류의 적응 방식을 갖추고 있는지 확인해 왔습니다.

사바나에서 코끼리나 사자를 관찰하며 그들의 적응 방식과 행동, 에너지와 먹이를 얻는 방법, 그리고 서로 어떻게 상호작용하는지를 살펴볼 수 있습니다. 이처럼 눈으로 볼 수 있는 생물체를 연구할 때는 관찰 과정이 상당히 직접적입니다. 또한, 다루고 있는 대상이 식물인지 동물인지 구분하는 것 역시 매우 간단합니다.

종의 관점이 아니라, 그들이 수행하는 역할의 관점에서 말씀드리는 것입니다. 어떤 생물을 보고 이것이 거의 확실히 광영양 생물, 즉 태양 복사 에너지를 흡수하여 유용한 에너지로 전환하는 생물이라고 말할 수 있습니다. 또는 어떤 매개 동물을 보며 이 동물이 주로 단백질을 에너지원으로 사용한다고 말할 수 있습니다.

하바나 커뮤니티나 삼림 커뮤니티를 걸으며 관찰할 수 있는 것들은 매우 많습니다. 하지만 미생물 커뮤니티를 연구할 때 이러한 관찰과 결론을 내리는 것은 훨씬 더 어렵습니다. 유기체들의 크기가 매우 작기 때문에, 성능이 아주 좋은 현미경을 사용하더라도 서로 다른 유기체들이 어떻게 다른지 명확하게 알 수 없는 경우가 많기 때문입니다.

즉, 미생물 군집 그 자체만 놓고 본다면, 그곳에 얼마나 많은 종이 존재하는지 그리고 그들의 상대적 분포가 어떠한지 판단하기 매우 어려울 수 있습니다. 또한, 현미경으로 해당 미생물 군집을 관찰하며 이 유기체들이 어떤 역할을 수행하는가라는 질문에 답하는 것 역시 매우 어려울 수 있습니다. 따라서 미생물 군집 연구의 주요 과제는 그곳에 누가 있으며 그들이 무엇을 하고 있는지 확인하는 것입니다.

따라서 미생물 군집 연구에서는 누가 존재하는지, 누가 활성 상태인지, 이 생물들이 어떤 역할을 하는지, 그리고 환경 변화에 어떻게 반응하고 적응하는지에 대한 정보를 추출하기 위해 다양한 기술을 사용해야 합니다. 제가 약 1990년경, 17년 전 흰개미 장내 미생물 군집 연구에 처음 관심을 갖게 된 이후로, 이 분야 전반에 걸쳐 수많은 기술적 진보가 있었으며, 이를 통해 저와 다른 연구자들은 미생물 군집, 특히 저의 경우에는 흰개미 장내 군집에 대해 훨씬 더 많은 것을 배울 수 있었습니다. 이러한 기술들은 상당 부분 유전자 기반 기술들입니다.

제가 처음 흰개미를 연구하기 시작했을 때에는 현미경을 사용하여 흰개미와 같은 미생물 군집을 관찰함으로써, 해당 군집 내에 존재하는 다양한 형태를 평가하고 아마도 얼마나 많은 서로 다른 종이 군집 내에 존재하는지에 대한 근사치를 얻을 수 있었습니다. 하지만 지난 15~17년 동안 매우 많은 유전자 기반 기술과 게놈 분석 기술이 개발되었으며, 이에 따라 흰개미 후장과 같은 미생물 군집에서 정보를 추출하는 우리의 능력이 매우 빠르게 변화했습니다. 이제 우리는 유전자를 거의 바코드 마커처럼 사용하여 다양한 생물체와 환경을 식별할 수 있습니다.

우리는 흰개미 후장과 같은 미생물 군집을 분석하여 특정 유전자를 다양성의 대리 지표로 활용함으로써 얼마나 많은 서로 다른 종이 존재하는지 확인할 수 있습니다. 또한, 해당 유전자를 바코드로 사용하여 배양액 내에 해당 유기체가 존재하는지 추적하거나, 그 바코드를 통해 군집 내 서로 다른 종의 풍부도 변화를 추적할 수 있습니다. 다른 유전자 기반 기술을 이용하면, 이 특정 효소를 인코딩하는 유전자가 이 군집 내에 존재하는지 확인할 수 있습니다.

그렇다면 이를 촉매하는 유기체의 변이는 얼마나 다양하며, 즉 몇 종류의 종이 존재하는지, 그리고 우리가 그러한 유기체들을 배양하여 보유하고 있는지는 어떠할까요? 그동안 미생물 군집을 연구하기 위해 유전자 기반 및 PCR(polymerase chain reaction) 기반의 여러 접근 방식이 시도되었으며, 이는 우리가 미생물 군집을 이해하는 방식을 근본적으로 변화시켰습니다. 이러한 변화는 모두 지난 20년 동안 나타났습니다.

흰개미와 그 장내 미생물에 대한 연구는 기초 연구 및 학술 연구 차원뿐만 아니라 생명공학 및 응용 연구 차원에서도 매우 흥미롭습니다. 흰개미는 나무를 섭취하고 분해합니다. 따라서 저는 자연계 최초의 복합 재료라고 할 수 있는 나무를 흰개미와 그 장내 미생물이 실제로 어떤 메커니즘을 통해 공격하는지 이해하는 것이 매우 중요하다고 생각합니다.

이것은 3층 라미네이트 복합재이며 매우 견고한 물질입니다. 이 곤충과 그 장내 미생물이 어떻게 이 복합재를 탈아미노화하고, 모든 구성 성분을 곤충과 미생물 모두 연료로 사용할 수 있는 생성물로 분해하는지를 진정으로 이해하는 것은 매우 매혹적인 일일 뿐만 아니라, 생명공학 및 산업 분야에서도 근본적인 관련성이 있습니다.

우리 사회는 아직 이를 완전히 이해하지 못하고 있습니다. 나무가 어떤 방식으로 분해되는지에 대해 실제로 이해하고 있는 부분은 매우 적습니다. 최근에는 식물 리그노셀룰로스, 즉 쌀겨, 옥수수 속대, 그리고 당분을 짜내고 남은 사탕수수 찌꺼기가 어떻게 분해되는지 더 깊이 이해하려는 관심이 매우 높습니다.

저가치의 리그닌 셀룰로오스 원료를 에탄올, 수소, 메탄 또는 기타 고가치 제품으로 전환하는 방법에 대한 관심이 매우 높습니다. 실제로 중요하게 고려해야 할 점은 흰개미가 항상 리그닌 셀룰로오스 목재를 분해하여 자체적인 바이오 연료로 전환한다는 사실이며, 산업적으로는 목재에 대한 이러한 초기 공격에 관여하는 효소가 무엇인지 이해하려는 관심이 매우 높습니다.

그렇게 되면 아마도 이러한 효소들을 다른 하위 공정들과 결합하여, 현재 산업계에서 이루어지는 방식이나 자연계에서 일어나는 방식과는 다른 새로운 공정을 개발할 수 있을 것입니다. 즉, 최적의 요소들만을 결합하여 목재를 원하는 생성물로 전환하는 새로운 방법을 고안하는 것입니다. 그것이 에탄올이든, 수소든, 메탄이든, 혹은 그 외의 어떤 것이든 가능할 것입니다. 제 연구실에서는 기본적으로 이러한 미생물 군집에 대한 근본적인 이해를 달성하고, 호스트와의 상호작용 및 리그노셀룰로오스 분해에서 호스트와 미생물 군집이 수행하는 역할에 관심을 두고 있습니다.

하지만 그러한 정보 중 일부를 활용하여 새로운 산업 공정을 개발하려는 시도에 상당한 관심이 있습니다. 지난 2년 동안 바이오 연료에 대해 많은 논의가 있었으며, 이는 바이오 연료 연구의 필요성과 가능성에 대한 관심을 불러일으켰다고 생각합니다. 하지만 솔직히 말씀드리면, 자금 지원 규모가 이러한 관심 수준에 상응한다고 생각하지는 않습니다.

바이오 연료 분야에는 맨해튼 프로젝트와 같은 사례가 없습니다. 바이오 연료 연구와 관련된 기초 연구에 대한 획기적인 대규모 투자는 이루어지지 않았습니다. 그리고 현재 리그노셀룰로스 분해에 대한 우리의 근본적인 이해가 매우 부족하기 때문에, 바이오 연료 이니셔티브를 추진한다면 이를 가능하게 하기 위해 기초 학술 연구부터 산업 현장에 이르기까지 모든 단계에서의 집중적인 투자가 반드시 포함되어야 한다고 생각합니다.

그리고 사람들이 이것이 2년, 5년 또는 10년 후에 실현되기를 원한다면, 사람들이 이를 달성하기 위해 시간과 노력을 투자할 수 있도록 자금을 투입해야 할 것입니다. 지난 20년 동안 미생물 군집을 연구하기 위해 유전자 기반 기술을 사용하는 우리의 능력은 매우 빠르게 발전했습니다. 우리 모두 앞으로 5년에서 10년 사이에 어떤 일이 일어날지 조금은 꿈꿔볼 수 있다고 생각하며, 10년 후에는 모든 종의 전체 게놈을 파악하고 시퀀싱하며 분석할 수 있는 능력을 갖추게 될 가능성이 매우 높다고 생각합니다.

흰개미의 후장에 최소 250종이 존재하며, 저는 우리가 각 종의 게놈 함량을 알고 있는 정보의 서류함과 같은 체계를 갖출 기회가 있을 것이라고 생각합니다. 이는 매우 획기적인 발견이 될 것입니다. 불과 10년 전만 해도 우리는 매우 잘 알려진 미생물들의 게놈을 처음으로 시퀀싱하고 있었기 때문입니다. 앞으로 10년이 더 지나면, 복잡한 미생물 군집 내로 들어가 지금까지 단 한 번도 자세히 연구된 적 없는 생물들의 게놈 정보에 접근할 수 있게 될 것이며, 이를 통해 이러한 생물들에 대한 연구를 처음으로 본격적으로 추진할 수 있을 것이라고 생각합니다.