모든 사람들의 몸 안에는 약 1kg의 미생물이 항상 같이 살고 있다. 이들은 대부분 세균(박테리아)이고 그 외에도 바이러스, 곰팡이, 원생생물 등이 살고 있다. 무게 단위로 생각하면 대장에 가장 많은 세균이 살고 있고 소장은 물론 여성의 질내에도 세균들이 득실거린다. 수분을 빼면 분변의 약 절반은 세균으로 돼 있다. 이들은 우리 장 속에 있던 내용물이다. 미국 워싱턴대 생물학과 고돈 교수에 따르면 장 속에는 최소한 5백종 이상의 세균이 있고 숫자로는 1천조마리가 거주한다고 한다. 이는 한사람이 갖고 있는 세포의 숫자(약 60조개)보다 훨씬 많다.
이 세균들은 우리 몸을 떠나면 살기 어렵다. 대부분 산소가 있으면 죽기 때문이다. 식사할 때 음식물과 함께 일부 산소가 장내로 들어오지만 소장에 사는 세균 중 일부가 산소를 소모한다. 그 결과 소장의 아래쪽부터는 산소가 없는 환경을 좋아하는 세균들이 자리잡고 있다. 우리 살기도 힘든데 1kg나 되는 세균들을 평생 달고 다녀야 하는 운명을 탓할 필요는 없다. 오히려 미생물이 우리를 먹여살리기 때문이다.
지주와 소작농 관계
강심제로 쓰이는 식물인 디지털리스의 효과가 나타나려면 장내 세균이 약효 성분을 활성화시켜야 한다. 사람이 음식을 섭취하면 위와 소장에서 소화 효소를 이용해 음식물을 분해한 후 당, 아미노산, 비타민, 무기질 등을 섭취한다. 이때 소화 효소에 의해 분해되지 않는 영양소와 미처 흡수되지 못한 영양소들은 소장과 대장에 존재하는 세균들이 이용한다.
세균은 이들 영양소를 섭취해 증식하고 세균이 내놓는 배설물은 다시 장 속으로 배출된다. 이때 배설물 중 많은 부분이 소장과 대장벽을 통해 흡수돼 혈액으로 들어간다. 이 중에는 초산같은 유기산, 각종 비타민, 아미노산, 암모니아, 이산화탄소, 메탄, 수소 등 여러가지 물질들이 있다.
세균 유래 유기산은 우리 몸의 여러 조직에서 에너지원으로 사용된다. 하루에 약 2백-3백kcal 정도는 이들로부터 생긴다. 따라서 식량이 부족할 때 우리는 장내에 서식하는 세균 덕택에 하루 에너지의 약 10%를 더 공급받아 생존에 도움을 받는다. 우리가 비타민 결핍증에 걸리지 않는 것도 세균들이 생산해 공급해주기 때문이고 개를 포함한 일부 동물들은 자기의 변을 다시 먹음으로써 비타민을 보충한다.
고든 박사팀은 최근 장내 미생물이 어떻게 인체가 처리하지 못한 영양분을 소화해 우리가 흡수할 수 있는 형태로 내보내는지를 밝혀냈다. 박테로이즈 세타이오타오마이크론(BT)라는 긴 이름의 이 세균은 장내에 거주하면서 인체가 소화하지 못하는 탄수화물을 분해한다. 이 녀석은 이렇게 얻은 단당류 중 일부를 사용하고 나머지는 내놓는다. 인체가 지주라면 이 녀석은 소작농인 셈이다.
인삼의 약효도 미생물 덕분
건강한 대장환경을 유지하는데 유산균 발효 음료가 도움이 된다. 약효나 독성이 나타나는 것도 우리 몸 안의 미생물과 관련이 있다. 식물 약효 성분의 상당수는 식물체 내에서 배당체로 저장돼 있다. 배당체란 약효 성분이 물에 잘 녹는 포도당 같은 당분자와 결합된 형태로, 원래 불용성인 약효 성분이 세포액에서 녹을 수 있게 돼 저장이 쉬워진다.
그런데 약효 성분을 복용해도 배당체 상태로는 아무 효과가 없다. 배당체는 덩치가 커 세포막을 제대로 통과하기 어렵기 때문이다. 이때 등장하는 해결사가 비피더스같은 장내 세균들이다. 이들은 약효 성분에서 당분자를 떼어내는 효소를 갖고 있기 때문이다. 강심제로 쓰이는 디지털리스나 인삼의 효과도 장안에 미생물이 없으면 나타나지 않는다.
그런가 하면 배당체일 때는 독성이 없다가 장내 세균이 당을 떼어내면서 독성을 보이는 경우도 있다. 소철나무 열매에는 시카신이라는 배당체가 있는데, 장내에서 당이 떨어져 나가면서 MAM이라는, 암과 신경 질환을 유발하는 물질로 바뀐다.
장내 미생물이 인체의 유전자 활동에 직접 관여한다는 사실도 밝혀졌다. 연구자들은 무균 동물을 만든 뒤 장내에 BT를 이식했다. 이 세균이 들어간 동물의 장 조직을 검사한 결과 장 조직의 재생을 촉진하는 유전자, 이물질이 장 조직을 통과하는 것을 막는 유전자, 감염으로 인한 조직 손상을 막는 유전자의 활성이 무균 동물보다 높은 것으로 나타났다. 그 결과 장벽 모세혈관의 성장이 더 빨랐다.
추가 연구가 필요하지만 장내 세균이 없으면 장과 장 면역조직의 발달이 미약한 것으로 보아 장내 세균이 인간의 광범위한 유전자 활동에 영향을 미치는 것으로 보인다.
이런 연구들에도 불구하고 아직까지 이들 미생물의 본질과 기능에 대해서는 모르는 부분이 훨씬 많다. 태아가 엄마의 뱃속에 있을 때는 태아의 장내에 미생물이 없다. 세상에 태어나자마자 미생물들이 아기의 피부에 부착되고 장내로 들어간다. 아기의 장내에는 비피더스균이 가장 많이 자란다. 그 수많은 미생물 중에 왜 아기의 장내에는 비피더스가 가장 많이 자랄까 하는 것은 아직 수수께끼다. 분유를 먹는 아기의 경우에는 비피더스가 줄어들고 특히 이유식 이후로 비피더스가 줄어들며 노인이 되면 더욱 줄어든다. 비피더스는 장 건강을 지켜주는 가장 중요한 유익균으로 알려져 있다.
인체에 상주하고 있는 세균들은 외부의 병원균이 침투하는 것을 막아주기도 한다. 우리 몸의 면역계와 공동전선을 펴고 있는 셈이다. 여성의 질 속에는 다양한 균들이 살고 있는데, 건강한 질의 환경유지에는 락토바실러스같은 유산균이 중요한 역할을 한다. 정상적인 균들의 분포가 파괴되면 질내 감염이 발생할 가능성이 커진다.
피부에도 포도상구균 등 다양한 세균들이 살고 있다. 이들은 평상시 병원성 균이 피부에 서식하는 것을 막아주는 역할을 한다. 만일 몸을 깨끗이 한다고 이들 세균을 없애버리면 위생은 커녕 병원균의 침입을 받아 각종 질병에 시달리게 된다.
상황에 따라 유해균으로 변신
장내 세균이 장벽 모세혈관의 성장을 촉진시킨다는 사실이 최근 밝혀졌다. 무균상태에서 자란 생쥐의 장조직은 혈관(녹색) 생성이 미약하다(왼쪽). 반면 전형적인 장내 세균무리(가운데)나 대표적인 장내 세균인 BT를 넣은 경우(오른쪽), 혈관 생성이 활발함을 볼 수 있다. 이처럼 체내의 미생물은 인체를 여러 위험으로부터 지켜주지만, 세부적으로 들어가면 사람에게 유해한 활동을 더 많이 하는 종류들도 꽤 있다. 또한 같은 균이라도 상황에 따라 인체를 대하는 태도가 변한다. 사람과 사람 사이의 관계도 상황에 따라 변할 수 있는 것과 마찬가지다. 세균과 인체와의 관계는 특히 최근에 급격히 변했다.
인류는 5백만년 이상의 진화 과정을 통해 다른 동물과 마찬가지로 대부분의 기간을 식량이 부족한 상태에서 살아왔다. 그러나 최근 먹거리가 풍부해지면서 갑자기 영양 과잉의 상태가 됐다. 이런 상태에서 장내 세균이 하루 수백kcal를 공급하므로 결국 우리는 더 살찌게 돼버렸다.
이런 경우 장내 세균은 과잉 영양분을 여러가지 인체에 유해한 물질로 바꿔버린다. 육류 등 고지방식을 많이 먹으면 지방 대사 물질이 장의 세균에 의해 발암 물질로 바뀌어 대장암이 증가한다.
단백질은 이들 세균에 의해 분해돼 아미노산이 되고 아미노산은 다시 이들에 의해 암모니아나 아민같은 유해물질로 변한다. 간염 환자의 경우 암모니아가 매우 해롭기 때문에 암모니아를 배출하는 세균의 활동을 억제할 필요가 있다.
인체의 한 부위에서 살던 미생물이 다른 부위로 옮아가면 질병을 일으키는 경우도 많다. 몸의 상처난 곳이나 면역이 약한 다른 곳으로 들어가 감염시키는 것이다. 이들 중에는 백혈구 파괴 독소, 적혈구 파괴 독소, 세포막 파괴 독소 등을 갖고 있는 균들이 많다. 대장균은 실제로 우리의 대장 속에 상대적으로 적은 수가 존재한다. 대장균의 종류는 다양한데, 어떤 대장균은 대장에서 나와서 요도로 들어가 방광염을 일으킨다. 여성의 경우 요도가 짧기 때문에 누구라도 한두번 방광염에 걸리는 게 보통이다.
평소 요리를 하는 사람들은 피부를 잘 관리해야 한다. 요리를 할 때 손에 묻어 있던 균들이 음식과 섞이고 얼굴에 묻어 있던 균들이 조리중에 음식에 떨어진다. 특히 피부에 여드름 등의 화농이 있는 경우는 많은 수의 세균이 한꺼번에 음식으로 들어갈 수 있다.
집단 급식장에서 조리할 때는 조리와 음식 관리 시간이 늘어나게 되는데, 이때 균이 급속히 자라서 식중독의 주요 원인으로 작용한다. 조리중에 우리 몸에 붙어 있던 포도상 구균이나 대장균 등이 김밥이나 햄버거에 들어가서 식중독을 일으키기도 한다. 예전에는 음식은 손맛이라고 했지만 요리할 때 손과 음식이 오랜 시간 접촉하면 그만큼 식중독 가능성이 커지므로 주의해야 한다.
서로 타협하면서도 긴장 풀지 않는다
방광에 침투한 대장균의 모습. 면역세포의 공격을 피해 세포 사이로 숨고 있는 장면이다. 대장에서는 인체에 별 피해를 주지 않는 대장균이지만 방광에서는 염증을 유발할 수 있다. 인간의 유전자는 이제 다 알려지게 됐다. 그 중 세균으로부터 온 유전자가 2백개가 넘는 것으로 밝혀졌다. 또한 에이즈 바이러스가 속하는 레트로바이러스의 DNA가 전체 DNA의 1-2% 정도라고 한다. 이 사실은 과거 어느 시점에서 우리 몸 안에 살고 있던 미생물들의 유전자가 세포 속으로 들어와 자리잡았음을 의미한다. 즉, 미생물과 사람 간에 서로 유전자까지도 교환한 것으로 볼 수 있다.
지구 생명의 역사를 더 거슬러 올라가면 오늘날의 모든 동식물 유전자의 조상도 미생물 유전자로부터 진화해온 것이니 미생물과 우리는 좀더 큰 생명 체계의 운행에서 같이 어울려 순행하는 것이다.
미생물에 의해 인류는 수많은 질병에 걸려 왔고 그 질환들로부터 벗어나고자 끊임없이 노력해 왔다. 이런 노력은 의식적으로 이뤄지는 것도 있다.
하지만 우리가 의식하지 못하는 가운데 우리의 세포와 조직도 미생물의 위협에 대한 방어 시스템을 계속 개발해 왔다. 그런데, 그 공격과 방어의 현상에서 절묘한 타협이 이뤄지는 듯이 보인다. 어떤 미생물은 인체의 상태를 자신이 살기 유리하게 바꾸는 것으로 추측된다.
예를 들어 바닷물에 사는 세균으로 인간에게 콜레라나 식중독을 일으키는 비브리오균을 보자. 이들은 사람의 장내로 들어오면 설사를 유발하는 독소를 생산해 사람으로 하여금 설사를 일으키게 한다. 그러면 이 설사를 타고 비브리오균은 다시 자신들이 살기에 좋은 환경으로 흘러갈 수 있게 된다. 물론 인간이 설사를 일으켜 우리 몸안에 들어온 세균을 다시 배척하는 것으로 볼 수도 있다. 어쩌면 상호 간의 적절한 타협일 수 있다.
다른 하나의 예는 미생물이 몸안에 들어왔을 때 고열이 나는 경우다. 미생물이 독소로 인간을 공격하는 것일 수도 있고 인간이 열을 발생시켜 들어온 미생물에게 고통을 주는 것일 수도 있다. 이 절묘한 기(氣) 싸움에서 누가 이기겠는가.
인류가 미생물로 인해 고통을 받는다는 것을 알게 된 후로 학자들은 미생물을 퇴치하는 무기인 항생제를 발견했고 예방 백신을 개발해 왔다. 그 덕분에 인간의 수명이 현저히 길어지고 세계인구가 증가했지만 결과적으로 인체내 미생물의 숫자도 함께 늘었다.
인간보다는 미생물의 돌연변이와 변신이 한결 빨리 이뤄진다. 사람들이 그동안 항생제를 남용한 결과 거의 모든 항생제에 죽지 않는 새로운 병원성 균인 ‘슈퍼 박테리아’가 등장하기도 했다. 인간과 미생물 사이의 공격과 방어, 타협은 앞으로도 계속 전개될 것이다. 그러나 그 균형이 급격히 무너져 미생물과 인간의 필승 또는 필사의 전쟁이 일어난다면 미생물이 승리할 것이다.
물론 미생물은 인간에게 크게 승리해 봤자 자신들에게 유리할 것이 별로 없다. 무서운 병원성 균이 유행해 사람들이 집단적으로 사망한다면 침입한 미생물들도 자신이 살 수 있는 터전이 그만큼 사라져 결국은 그들도 같이 없어지고 말기 때문이다. 그렇다고 하더라도 미생물은 인간을 물리치고 새로운 대상을 찾아나서면 되는 것이 아닐까.
우리 세포는 미생물의 모임?
진핵세포의 세포내 소기관인 미토콘드리아의 전자현미경 사진. 독자적인 DNA를 갖고 필요한 단백질을 스스로 만든다. | 글 | 강석기 기자·sukki@donga.com | 1960년대 후반, 유명한 천체물리학자 칼 세이건의 아내였던 미국의 이론생물학자 린 마굴리스는 ‘순차적인 세포내공생 이론’이라는 당시로는 도발적인 주장을 담은 원고를 저명한 과학출판사인 아카데믹 프레스에 보냈다. 수개월간 초조하게 답을 기다리던 그녀는 편집자의 서명도 없는 짤막한 거절편지와 함께 원고뭉치를 돌려 받았다.
이런 우여곡절을 거쳐 마굴리스의 책은 ‘진핵세포의 기원’이란 제목으로 예일대 출반부에서 1970년 출판됐다. 그로부터 수년 뒤, 아카데믹 프레스가 자신들의 명성에 큰 오점을 남겼다는 사실이 점차 분명해졌다. 마굴리스의 이론이 정설로 받아들여지면서 교과서에도 실렸기 때문이다. 그렇다면 ‘순차적인 세포내공생 이론’이란 무엇인가.
지구상에 생명이 출현한 이래 10억년이 넘는 기간 동안 생명체는 모두 오늘날의 세균처럼 세포핵이 없는 원핵세포였다. 마굴리스는 이런 세포들이 서로 공생관계를 이루면서 오늘날과 같은 진핵세포가 출현했다고 주장한다. 즉 고온의 해저에서 유황을 산화시켜 살아가던 박테리아와 물속을 헤엄치는 박테리아가 먼저 합쳐졌다. 이들이 오늘날 원생생물의 조상이다.
그 뒤 수억년이 지난 어느날 산소로 호흡하는 박테리아가 이 생물체 속으로 들어왔다. 약 20억년 전에 일어난 이 사건으로 세포는 섭취한 영양분을 효율적으로 분해해 에너지를 얻게 됐다. 이때 들어온 박테리아가 진핵세포의 호흡을 담당하는 세포내 소기관인 미토콘드리아다. 이렇게 새 손님을 맞은 생명체가 바로 우리들의 조상이다.
한편 이들 중 일부에게 광합성을 하는 녹색의 박테리아가 편입했다. 오늘날 엽록체라고 불리는 이 녀석들은 햇빛을 받아 양분을 만들어내 세포가 자급자족할 수 있게 했다. 식물은 이 생명체가 진화해 나타났다.
마굴리스는 인간을 비롯한 진핵세포로 이뤄진 생명체들도 결국 미생물들의 공생이 기원이라고 주장했다. 그 뒤 미토콘드리아와 엽록체가 세포핵과는 별개의 독자적인 DNA를 갖고 있으며 필요한 단백질을 스스로 만든다는 사실이 밝혀졌다. 그리고 이들 DNA의 염기서열도 박테리아와 비슷했다. 결국 인체는 20억년 전에 입주한 박테리아의 활동덕에 에너지를 얻어 살고 있는 셈이다.
그렇다면 몸의 주인공은 나인가, 미생물인가 대답에 앞서 도대체 이런 질문이 의미가 있는지를 생각하게 된다.
