장내 마이크로바이옴이 운동을 하게 만든다. 

건강한 장내미생물군(마이크로바이옴, mcrobiome)이 운동을 유도한다.

장(소화관)과 뇌를 연결된 신경회로는 생쥐가 쳇바퀴를 돌릴 때 뇌에서 도파민이 합성되도록 돕는데 이때 건강한 장내세균들이 중요한 역할을 한다.

장은 음식을 소화하고 신진대사를 조절하고 감염을 막는 데 역할을 하는 온갖 미생물들이 득실거리는 정글 같은 곳이다. 그런데 이제 장내 미생물들이 복부를 넘어 다른 신체부위에 영향을 미치는 또 다른 예를 제시했다. 즉, 펜실바니아대학의 과학자들은 운동시 생쥐의 장내세균들이 계속 운동하게 만드는 도파민합성을 자극하였다고 지난 12월 14일 Nature지에 보고 하였다.

“이 연구는 내가 본 연구 중에 가장 설득력있는 연구입니다.” 이 연구에 참여하지 않은 캘리포니아대학의 진화 생리학자인 Theodore Garland Jr.의 말이다. “이 연구는 그 동안 각 분야에서 독립적으로 알려져 있던 서로 다른 조각들을 예전에 시행된 적이 없는 방법으로 한곳에 모은 셈이죠.”

“(운동은) 우리 인류가 다양한 질병으로부터 자신을 보호하기 위해 고안한 가장 효과적인 생활방식이죠.”  논문의 공동저자인 Christoph Thaiss의 말이다. 운동은 분명 물리적인 활동이지만 운동을 하느냐 마느냐는 정신적인 상태에 좌우된다.  

이전의 연구자들은 이미 장내세균들이 근육조직이나 심혈관계에 영향을 준다는 사실을 알고 있었다. 하지만 Thaiss는 이런 발견들을 모아 장내세균들이 운동에 미치는 영향을 보다 광범위하게 조사하였다. 이들은 8가지 혈통이 섞인 199마리의 생쥐들을 실험에 사용하여 단일 품종에서 나올 수 있는 오류를 줄였다. 여러 종류의 항생제를 이용하여 생쥐들의 장내 마이크로바이옴에 변화를 주었다.  어떤 생쥐는 온전하게 유지하고 있고 어떤 생쥐는 부분적으로 또는 전체 마이크로바이옴이 제거된 상태로 만들었다.

이런 상태에서 각 생쥐들을 2가지 방법으로 운동을 시켜 조사하였다: 작은 런닝머신에서 계속 뛰게 만들어 얼마나 운동을 계속할 수 있는지 측정하였다. 또 다른 방법은 쳇바퀴를 넣어두어 그들이 원할 때 언제든 운동을 할 수 있게 만들었다. 모든 조건을 같게 했지만 마이크로바이옴이 줄어든 생쥐는 런닝머신에서 쉽게 지쳤고 쳇바퀴를 돌리는 횟수도 줄어들었다. 이에 대해 연구자들은 운동에 대한 욕구가 줄어든 것에 기인한다고 보았다.

Thaiss는 이런 행동 변화에 신경학적인 해석을 위해 이 생쥐들의 운동을 전후하여 도파민의 생성을 관장하는 striatal spiny neuron(선조체에 위치한 가시뉴런,)들에 대해 RNA 시퀀싱을 시도하였다. 그 결과 마이크로바이옴에 이상이 있는 개체들은 도파민 생성과 관련된 유전자들의 발현이 감소한 것을 볼 수 있었다. 정상인 생쥐에서도 인위적으로 이 신경들을 억제하여 도파민 생성을 억제하면 마이크로바이옴을 제거한 생쥐와 비슷한 운동 양상을 보였다. 이 실험들의 결과를 토대로 Thaiss는 도파민이 운동하려는 경향을 만드는 주요한 요인이며 생쥐의 장에 사는 마이크로바이옴 구성이 뇌에서의 도파민 생성에 영향을 미친다고 보았다. 그 결과들은 통해 Thaiss는 장내 마이크로바이옴이 제거된 생쥐들은 소위 “runner’s high”라고 부르는 운동의 쾌감을 주도하는 도파민의 폭증을 경험하지 못하기 때문에 운동에 소극적이라는 결론을 내렸다.

이제 질문은 어떻게 장내 미생물이 뇌의 도파민 생성에 영향을 주는가?로 옮아 갔다. 이를 위해 소화관들과 뇌를 연결하는 신경을 선택적 약물처리를 이용해 억제하였다. 결과는 마이크로바이옴이 정상이어도 이들 신경이 억제되면 운동하는데 소극적이었다. 이는 이들 미주신경위 자극이 운동량을 결정하는 역할을 한다는 것을 보여준다. 마지막으로 특정 항생제를 이용하여 어떤 박테리아의 대사체가 신경에 영향을 미친 것인지 알아보고자 했다.

이들은 생쥐가 운동할 때 일부 미생물들의 지방산 아마이드(fatty acid amide, FAA) 생성이 가장 잘 일어난다는 것을 발견하였다. 이들 FAA는 endocannabinoid라는 신경전달물질을 만들어낸다. 연구자들은 사람 몸에 흡수되지 않는 FAA합성 억제제를 이용하여 박테리아에만 영향을 주는 실험을 수행하였고, 그 결과 박테리아가 만드는 FAA가 소화관 뉴런의 수용체에 영향을 주어 뇌에서의 도파민 합성을 자극한 것임을 알 수 있었다.

“이들이 설계한 전체 스토리는 정말 아름답습니다.” “이 이상 잘 할 수는 없을 거에요.”라고 독일베를린의 Institute of Microbiology, Infectious Disease and Immunology 의 면역학자인 Frabcesca Ronchi는 말했다.

Thaiss의 다음 목표는 이를 인간에게 적용하는 연구를 하는 것이다. Garland박사에 의하면 사람의 경우는 동기를 분석하는 건 생쥐에 비해 훨씬 복잡하며 사람의 운동에 대한 보상은 여러 요인들이 있다고 한다.

사람은 생쥐와 달리 운동을 잘 할 경우 다양한 형태의 보상을 받는게 사실이다. Ronchi박사에 따르면 언젠가는 암이나 파킨슨씨병이나 알츠하이머씨병 환자처럼 운동이 필요한 사람들에게 운동을 자극하는 방법이 알려질 것이다. 다루기 어려운 신경 보다는 훨씬 접근 가능한 장내 마이크로바이옴을 통해 이런 목적을 달성할 수 있다면 좋을 것이다. 하지만 “아직까지는 공상과학일 뿐이죠.”라고 말을 맺었다.

<이글은 아래의 기사를 번역한 것입니다.>

The Scientist, Mice, With a healthy gut microbiome are moremotivated to exercise. By Katherine Irving, Dec 16, 2022

원논문:

Dohnalova L et al., 2022, A microbiome-dependent gut-brain pathway regulates motivation for exercise. Nature 612: 739-747