Microbiome은 자연적으로 인체 내부, 혹은 표면에 서식하는 미생물군을 지칭하는 용어로 병원성이 아닌 경우 공생적(symbiotic) 관계로 볼 수 있으며 인간과 microbiome의 관계의 경우 대표적으로 장내 미생물과 인체의 관계가 가장 잘 알려져 있습니다. Microbiome engineering은 Probiotics와 장내 미생물의 생장을 촉진하는 Prebiotics를 모두 포함하는 연구 분야이며 우리 연구실에서는 효과적인 prebiotics 대량생산과, 개량된 probiotics 균주 개발을 위하여 형질전환과 CRISPR 기법을 이용한 균주 개량, 생물 반응기 최적화 등의 연구 방법을 이용하고 있습니다.
Probiotics는 적절한 양으로 투여되었을 때, 숙주에게 건강상의 이익을 주는 살아있는 미생물(live microorganisms that, when administered in adequate amounts, confer a health benefit on the host)을 지칭합니다. 대부분의 Lactobacillus, Bifidobacterium 속 미생물들이 Probiotics로 분류되며 이와 더불어 효모인 Saccharomyces boulardii 또한 probiotics로 이용되고 있습니다. Probiotics는 장 건강 개선, 면역반응 향상, 혈중 콜레스테롤 수치 저하, 그리고 암 예방 등 다양한 건강기능성 효과를 가지는 것으로 보고되어 있으며 최근에는 면역치료제로서의 가능성 또한 대두되고 있습니다.
우리 연구실에서는 prebiotics를 생산할 수 있는 microbial cell factory로써 S. boulardii 를 engineering한 연구를 진행했습니다. Microbial host를 선정할 때는 안정성과 건강기능성을 함께 고려하는 것이 중요하며, S. boulardii 는 이에 적합한 특성을 가진 균주로 알려져 있습니다. 이렇게 개발한 microbial cell factory를 이용하여 장내에서 직접적으로 prebiotics와 같은 건강기능성 물질을 생산하는 대사경로를 도입하거나 더 나아가 치료용 단백질을 발현하여 분비한다면, 질병에 실질적인 치료제로 활용될 수 있을 것이며 장내미생물이 건강에 미치는 영향에 대한 이해를 확장시킬 것입니다.
Schematic representation of NAOS production by engineered Saccharomyces boulardii (본 연구실 선행결과, Microbial Cell Factories 20:160, 2021, IF=5.328)
Prebiotics는 인체 내부에서 자체적으로 소화되지 않고, 체내 또는 장내의 미생물에 의해 발효될 수 있는 올리고당의 탄수화물 또는 식이섬유의 형태를 포괄합니다. 프리바이오틱스는 장내 유익균인 probiotics의 먹이가 되어 선택적으로 유익균의 생장을 돕고 이와 동시에 유해균의 생장을 억제할 수 있으며, 결과적으로 장내 균총에 긍정적인 변화를 일으켜 인체에 유용한 효과를 줄 수 있다고 알려져 있습니다. 적절한 프리바이오틱스 섭취는 숙주의 장 건강 개선, 면역 체계 증강, 혈압, 암 예방 등의 효과를 나타낼 수 있다고 보고되고 있습니다.
특히, 모유의 주 성분인 모유유래올리고당(Human Milk Oligosaccharides, HMO)는 영유아(0~24개월)의 장내 비피도박테리아의 성장을 돕는다고 보고되어 있으며 영유아의 장내 병원성 세균과 바이러스 감소, 설사 및 호흡기 질환 감소, 염증 감소, 장염 감소, 두뇌발달 및 지적능력 증가 등 다양한 기능성을 나타내는 연구가 활발히 진행되고 있습니다.
우리 연구실에서는 HMO와 기능 및 구조적으로 유사한 신규 푸코실화당류(Fucosyl-oligosaccharides, FOS)를 개량된 균주를 이용하여 대량 생산하는 연구를 수행하였으며. 이를 통해 부가가치가 높은 FOS를 경제적, 친환경적으로 생산할 수 있는 가능성을 제시하는 연구를 수행하였습니다.
Biosynthetic routes for producing various fucosyl-oligosaccharides (본 연구실 선행결과, ACS Synthetic Biology 8(2):415-424, 2019, IF=5.571)
