19/05/2026
[5월][농생대 주요소식] ‘토종 포자생성 프로바이오틱스를 활용한 생체내 미세플라스틱 독성 조절 작용기전 규명’ 연구 강민근 박사과정생 인터뷰
동물미생물학 연구실 소속 강민근 박사과정생을 만나, 최근 발표한 ‘토종 포자생성 프로바이오틱스를 활용한 생체내 미세플라스틱 독성 조절 작용기전 규명’ 연구의 결과에 대해 이야기를 나누었다.
Q. 해당 연구를 시작하게 되신 계기에 대해 소개 부탁드립니다.
A. 안녕하세요. 서울대학교 동물미생물학 연구실에서 박사과정을 진행중인 강민근입니다. 저는 김영훈 교수님의 지도 아래, “인류가 직면한 환경문제를 농축산 유래 미생물자원을 활용해 해결하자”는 방향으로 다양한 연구를 수행하고 있습니다. 이번 연구는 그중에서도 미세플라스틱 문제를 기주동물-미생물-미세플라스틱 상호작용 관점에서 접근한 연구입니다.
미세플라스틱은 이제 특정 오염 지역에만 국한된 문제가 아니라, 상수도, 토양, 해양, 극지방과 같은 다양한 환경에서 검출되는 전 지구적 환경문제가 되었습니다. OECD 보고에 따르면 2019년 기준 생산된 플라스틱의 대부분은 화석연료 기반 플라스틱이며, 생산된 플라스틱의 상당 부분이 폐기물로 전환되고 일부는 생태계로 유출됩니다. 이렇게 환경으로 유입된 플라스틱은 풍화와 침식 과정을 거치며 더 작은 미세플라스틱으로 분해되고, 결국 생물체와 생태계 전반에 영향을 줄 수 있습니다.
그 중에서도 본 연구는 polystyrene, 즉 PS 계열 미세플라스틱에 주목했습니다. PS 계열 미세플라스틱은 환경에서 빈번하게 검출될 뿐 아니라, 기존 연구에서 PP나 PE보다 상대적으로 높은 독성 위험도를 보이는 플라스틱으로 보고되어 왔습니다. 또한 무척추동물과 척추동물 모델에서 수명 감소, 소화 기능 저하, 행동 이상, 내분비계 교란 등 다양한 생물학적 위해성과 연결될 수 있다는 점도 중요한 배경이 되었습니다.
따라서 본 연구는 PS 계열 미세플라스틱의 생물학적 독성을 줄일 수 있는 새로운 대응 전략을 찾기 위해 시작되었습니다. 특히 저희는 농축산 환경에서 유래한 유용 bacteria가 미세플라스틱과 상호작용하면서 기주동물에게 미치는 미세플라스틱 독성이 조절될 수 있는지를 생체모델인 예쁜꼬마선충을 이용해 확인하고자 했습니다. 이를 통해 미세플라스틱 문제를 단순히 물리적으로 제거하는 수준을 넘어, 생물체 내부에서의 독성 조절과 숙주 반응까지 함께 이해하고자 했습니다.
Q. 연구를 진행하시면서 가장 어려웠던 점이 있었다면, 무엇이었나요?
A. 본 연구에서 사용한 생체모델인 예쁜꼬마선충, Caenorhabditis elegans는 adult phase에서도 크기가 약 1,000 µm, 즉 1 mm 정도에 불과합니다. 실험 과정에서는 해부현미경을 통해 하루 종일 개체를 관찰해야 했기 때문에 눈이 시리고 목과 어깨가 아픈 경우가 많았습니다. 특히 반복적으로 관찰을 하다 보면, 집에 돌아가 잠이 든 뒤에도 꿈속에서 예쁜꼬마선충을 계속 관찰하는 꿈을 꿀 정도였습니다.
이처럼 작은 생명체를 장시간 집중해서 관찰하는 과정은 체력적으로 쉽지 않았지만, 실험의 완성도를 높이기 위해 반드시 견뎌야 하는 부분이었습니다. 그럼에도 불구하고 예쁜꼬마선충은 이름처럼 제가 정말 애정을 가지고 다룬 생물체입니다. 투명한 몸을 통해 내부 구조와 생리적 변화를 직접 관찰할 수 있다는 점에서, 왜 ‘예쁜꼬마선충’이라는 이름이 붙었는지 자연스럽게 이해하게 됩니다.
Q. 연구 결과에 따르면 LG3의 경우 미세플라스틱과 결합하여 biofilm을 형성했다고 하셨는데, 이것이 독성을 증폭시키는 주요 원인으로 볼 수 있을까요?
A. 밀웜 장관에서 분리한 LG3 균주의 경우 PS계열 미세플라스틱의 독성을 증폭시켰습니다. 미세플라스틱과 결합해 biofilm을 형성한 것은 독성 증폭과 관련된 중요한 원인 중 하나로 볼 수 있습니다. 다만 저희 연구에서는 독성이 단순히 biofilm 형성 하나만으로 발생했다고 해석하기보다는, 미세플라스틱과 LG3의 상호작용 과정에서 여러 독성 관련 요인이 함께 만들어진 것으로 보았습니다.
실험을 통해 LG3가 미세플라스틱 표면에 부착해 biofilm 상태로 존재할 때 LPS 생합성과 관련된 특성이 증가하는 것을 확인했습니다. 실제로 미세플라스틱에서 분리한 LG3 biofilm-derived cells를 예쁜꼬마선충에 먹였을 때, 기주동물인 예쁜꼬마선충의 수명을 감소시키는 경향이 나타났습니다. 이는 미세플라스틱 표면에서 형성된 LG3 biofilm 상태가 숙주 독성과 연결될 수 있음을 보여줍니다.
하지만 독성 증폭의 원인은 여기서 끝나지 않았습니다. LG3와 미세플라스틱이 상호작용하는 과정에서 생성되는 대사산물, 특히 2-phenylethanol 역시 예쁜꼬마선충의 생존에 영향을 줄 수 있음을 확인했습니다. 또한 LG3와 같은 플라스틱 분해 관련 bacteria가 미세플라스틱 표면을 산화적으로 변형시키면, 이렇게 변형된 미세플라스틱 자체도 기존 입자보다 더 강한 독성을 나타낼 수 있었습니다.
따라서 LG3에 의한 독성 증폭을 하나의 단일 기전으로 설명하기보다는, 미세플라스틱 표면에서의 biofilm 형성, LPS 관련 세포 특성 변화, LG3 유래 대사산물, 그리고 산화적으로 변형된 미세플라스틱 입자가 함께 작용한 결과로 해석하고 있습니다. 즉, biofilm 형성은 중요한 출발점이자 핵심 요인 중 하나이지만, 최종적인 독성 증폭은 미세플라스틱과 bacteria의 복합적인 상호작용에서 비롯된다고 사료됩니다.
Q. SCGB1이 생성하는 isobutyrate, isovalerate 같은 대사산물이 숙주의 DAF signaling과 연결된다고 하셨는데, 이 과정이 독성 완화에 어떻게 기여하는지 간단히 설명해주시면 감사하겠습니다.
A. 우리나라 순창 지역의 청국장에서 분리한 SCGB1 균주의 경우 PS계열 미세플라스틱의 독성을 경감시켰습니다. SCGB1은 미세플라스틱과 상호작용하는 과정에서 isobutyrate와 isovalerate 같은 대사산물을 증가시켰고, 이 물질들이 예쁜꼬마선충의 DAF-12 및 DAF-16 signaling과 연결되는 것을 확인했습니다. DAF-12와 DAF-16은 숙주의 stress response와 생존 조절에 중요한 역할을 하는 factor이기 때문에, 이 pathway가 활성화되면 미세플라스틱에 대한 숙주의 저항성이 높아질 수 있습니다.
실제로 isobutyrate와 isovalerate는 미세플라스틱 노출 조건에서 예쁜꼬마선충의 생존을 개선했고, 특히 isovalerate는 장 내 미세플라스틱 축적도 수준도 줄였습니다. 따라서 SCGB1의 보호 효과는 bacteria-derived metabolites가 숙주의 DAF signaling을 조절해 미세플라스틱에 대한 스트레스 반응을 낮추고, 장 내 입자 축적을 완화하는 방향으로 작용한 결과로 해석할 수 있습니다.
Q. 이 연구가 향후 건강기능식품이나 치료 기술로 발전할 가능성은 어떻게 보시나요?
A. 의도치 않은 섭식을 통해 체내로 유입된 미세플라스틱은 장에 도달한 뒤, 가장 먼저 장내에 공생하는 bacteria와 마주하게 됩니다. 저와 지도교수님은 바로 이 지점에서 장내 bacteria가 미세플라스틱 문제에 대한 중요한 생물학적 대안이 될 수 있다고 생각하고 있습니다.
이번 연구에서는 Enterobacter 속 LG3와 Bacillus 속 SCGB1이, 같은 PS계열 미세플라스틱 노출 조건에서도 예쁜꼬마선충의 생리 반응을 서로 다르게 조절한다는 점을 확인했습니다. 특히 LG3는 미세플라스틱 독성을 증폭시키는 방향으로 작용한 반면, SCGB1은 isobutyrate와 isovalerate 같은 대사산물을 통해 숙주의 DAF signaling과 연결되며 생존율 개선과 장 내 미세플라스틱 축적도 감소에 기여할 수 있음을 보여주었습니다.
다만 이 결과가 곧바로 건강기능식품이나 치료 기술로 이어진다고 말하기는 어렵습니다. 현재 단계에서는 예쁜꼬마선충을 이용한 기초 연구이기 때문에, 포유류 모델과 인체 적용 가능성에 대한 추가 검증이 반드시 필요합니다. 그럼에도 불구하고 이번 연구는 미세플라스틱 독성을 단순히 물리적으로 제거하는 관점을 넘어, 장내 bacteria와 bacteria-derived metabolites를 활용해 숙주의 방어 반응을 조절할 수 있다는 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 있습니다.
앞으로의 차세대 probiotics는 단순히 장 건강을 개선하는 수준을 넘어, 미세플라스틱과 같은 환경유해인자, 즉 exposome으로부터 숙주를 보호하는 기능성을 갖춘 방향으로 발전할 수 있다고 생각합니다. 그런 점에서 본 연구는 환경오염물질에 대응하는 새로운 probiotic 전략의 기초 자료가 될 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.
Q. 연구 결과가 인체 적용까지 이어지기 위해 해결해야 할 과제는 무엇이라고 생각하시는지 궁금합니다.
A. 가장 중요한 과제는 예쁜꼬마선충에서 확인한 현상이 포유류와 인체에서도 동일하게 나타나는지를 검증하는 것입니다. 예쁜꼬마선충은 장 투명성, 짧은 수명, 유전적 분석의 용이성 때문에 독성 평가와 기전 연구에 매우 유용한 생체모델입니다. 하지만 인체의 장 구조, 면역계, 장내 bacteria 생태계는 훨씬 복잡하기 때문에, 이번 연구 결과를 곧바로 사람에게 적용할 수는 없습니다.
따라서 먼저 mouse와 같은 포유류 모델에서 SCGB1 또는 SCGB1 유래 대사산물이 미세플라스틱 노출에 따른 장 손상, 염증 반응, 장내 입자 잔류, 장내 bacteria 조성 변화 등을 완화할 수 있는지 검증해야 합니다. 특히 isobutyrate와 isovalerate가 실제 포유류 장 환경에서도 DAF signaling에 해당하는 stress response pathway나 barrier function 조절과 연결되는지 확인하는 과정이 필요합니다.
또 하나 중요한 부분은 안전성입니다. Probiotic 또는 기능성 소재로 발전하기 위해서는 해당 bacteria가 병원성, 항생제 내성, 독소 생성 가능성을 갖고 있지 않은지 철저히 평가해야 합니다. 또한 살아있는 bacteria를 사용할 것인지, 특정 대사산물이나 postbiotic 형태로 사용할 것인지에 따라 안전성 평가와 개발 전략도 달라질 수 있습니다.
Q. 이번 연구가 한국 토종 프로바이오틱스의 과학적 가치 측면에서, 어떤 점에서 의미가 있다고 생각하시는지 궁금합니다! (경쟁력 등)
A. 이번 연구는 한국 토종 프로바이오틱스의 가치를 단순히 “청국장에서 분리한 유익균”이라는 점에 두지 않고, 환경유해인자에 대응할 수 있는 기능성 생물자원으로 확장했다는 점에서 의미가 있다고 생각합니다. 기존 프로바이오틱스 연구는 주로 장 건강 개선이나 면역 조절에 집중되어 왔지만, 앞으로는 미세플라스틱과 같은 환경유해인자로부터 숙주를 보호할 수 있는 기능성도 프로바이오틱스의 가치를 높이는 중요한 전략이 될 것이라고 생각합니다.
특히 이번 연구에서는 한국 전통 발효식품인 청국장에서 유래한 포자생성 균주 SCGB1이 PS 계열 미세플라스틱 노출 조건에서 숙주의 생존율을 개선하고, 장 내 미세플라스틱 잔류를 줄일 수 있음을 확인했습니다. 더 나아가 이 효과가 단순한 현상에 그치지 않고, isobutyrate와 isovalerate 같은 균주 유래 대사산물, 그리고 숙주의 DAF signaling과 연결될 수 있음을 제시했다는 점에서 과학적 의미가 있습니다.
또한 포자생성 균주는 보관 안정성, 제형화 가능성, 산업적 활용성 측면에서 장점을 가질 수 있습니다. 따라서 충분한 안전성 검증과 포유류 모델 연구가 뒷받침된다면, 한국 토종 프로바이오틱스는 단순한 장 건강 소재를 넘어 환경유해인자에 대응하는 차세대 기능성 소재로 발전할 가능성이 있다고 생각합니다.
21기 김태은, 23기 이선재