같은 양을 섭취해도 개인별로 신진대사가 다른 이유

장내 특수 미생물, 장내 섬유질 분해 촉진

미스터리 해결? 이전에는 거의 알려지지 않았던 장내 미생물들이 왜 어떤 사람들은 다른 사람들보다 더 뛰어난 "음식 전환기"를 가지고 있는지 설명할 수 있다. 한 실험에 따르면 특정 고균은 장내 다른 세균들이 섬유질을 더 효율적이고 완벽하게 분해하도록 돕는 것으로 나타났다. 결과적으로 음식은 이러한 미생물의 숙주에게 더 ​​많은 에너지와 칼로리를 제공한다. 장내 이러한 "초고용량 미생물"의 특징은 메탄 생성 증가인데, 이는 바이오마커로 활용될 수 있다.

▲ 장내세균총은 우리의 소화에 큰 영향을 미친다.     

두 사람이 같은 양의 같은 음식을 섭취하면 같은 양의 칼로리를 섭취한 것이다. 그러나 에너지 공급 칼로리가 반드시 같은 양으로 신진대사에 도달하는 것은 아니다. 이는 어떤 사람들의 장이 다른 사람들보다 음식을 더 효과적으로 활용하고 더 많은 칼로리를 추출하기 때문이다.

그렇다면 왜 그럴까?

인간 "배출 가스" 분석

애리조나 주립대학교의 블레이크 더크스가 이끄는 연구팀은 이 문제를 연구했다. 이를 위해 연구팀은 17명의 피험자를 호텔처럼 밀폐된 방에 6일씩 두 번 머물게 했다. 이른바 '전실 열량계'에 장착된 센서는 피험자가 어떤 가스를 얼마나 많이 내쉬고 방귀를 뀌는지 지속적으로 측정했다. 과학자들은 또한 혈액과 대변샘플을 분석하고, 참가자들에게 소화관의 pH, 압력, 온도를 측정하는 센서를 삼키도록 했다.

이 데이터는 피험자의 신진대사에 대한 정보를 제공했다. 참가자들의 신체가 음식에서 얼마나 많은 에너지를 흡수하는지, 장내 세균총이 얼마나 활동적인지, 그리고 어떤 미생물이 존재하는지 보여주었다. 연구팀은 특히 장내 세균총이 메탄 수치가 높거나 낮은 사람들의 데이터를 비교했다.

실험 기간 피험자들에게 두 가지 다른 식단을 차례로 제공했다. 하나는 고도로 가공된 식품이 많고 섬유질이 적은 식단이었고, 다른 하나는 통곡물이 많고 섬유질이 많은 식단이었다. 두 식단은 서로 달랐지만, 탄수화물, 단백질, 지방의 전반적인 비율은 동일했다.

더 많은 메탄, 더 많은 칼로리

이 실험은 실험 참가자들이 일반적으로 가공식품보다 고섬유질 식단에서 더 적은 칼로리를 섭취하는 것을 보여주었다. 그 결과, 일부 참가자들은 실험 중 의도치 않게 체중이 감소했다. 이는 고섬유질 식단이 서구식 식단보다 건강에 더 좋고 덜 살찌는 경향이 있다는 이전 연구 결과를 뒷받침한다.

또한 유의미한 개인차도 나타났다. 일부 참가자들은 다른 참가자들보다 고섬유질 식단에서 더 많은 칼로리를 섭취했다. 이는 장내 세균총이 생성하는 메탄이 많을수록 더욱 두드러졌다. 이는 장내 메탄 생성 미생물이 소화 효율을 높여 음식에서 더 높은 에너지 흡수를 가능하게 한다는 것을 의미할 수 있다.

▲ 인간 대장에서 다량 영양소가 탄수화물일 때 수소영양 과정이 일어난다. 대장에 도달한 섬유질은 미생물에 의해 가수분해되고 발효되어 단쇄지방산(SCFA), 수소(H₂), 이산화탄소(CO₂)를 생성한다. 대부분의 단쇄지방산(SCFA)은 숙주에게 흡수되거나 대변으로 배출된다. 일부 수소(H₂)는 호흡이나 장내세균총(f latus)을 통해 방출되지만, 대부분은 대장에서 호모아세트산 생성, 이화 황산염 환원 또는 메탄 생성에 의해 대사된다. 수소영양 과정을 통해 생성된 아세트산은 숙주에게 흡수되거나 대변으로 배출됩니다. 수소영양 과정을 통해 생성된 메탄(CH₃)과 일부 황화수소는 호흡이나 장내세균총을 통해 배출된다. 그림은 바이오렌더를 사용하여 제작되었다. (출처:Methanogenesis associated with altered microbial production of short-chain fatty acids and human-host metabolizable energy / The ISME Journal)

 수소는 식품 분해를 억제한다

그 이유는 무엇일까?

장내 세균총이 섬유질을 분해하고 발효시키면 사용 가능한 단쇄 지방산 외에도 부산물로 수소가 생성된다. 그러나 이 수소가 장에 축적되면 섬유질의 추가 분해가 억제되고 남은 섬유질은 소화되지 않고 체외로 배출된다. 이러한 메커니즘은 이러한 식품 성분의 활용을 제한한다.

하지만 장에는 수소를 소비하여 메탄으로 전환할 수 있는 미생물도 있다. 이러한 특이한 미생물, 특히 메타노브레비박터 스미시(Methanobrevibacter smithii)는 고균과에 속하며, 그중 일부는 최근에야 발견되었다. 더크스와 그의 연구팀이 발견했듯이, 이 고균들은 장내 세균총에 있는 이웃 세균들이 섬유질을 소화할 때 발생하는 수소를 처리하여 소화를 돕는 것으로 보인다.

이용 조력자로서의 고균

이전에 간과되었던 고균은 어떤 사람들이 다른 사람들보다 음식을 더 효과적으로 소화하는 이유를 설명할 수 있다. 메탄 생성균은 이러한 사람들의 장내 세균총에 특히 많다. 실험에서 전체 피험자의 절반이 이러한 고균을 가지고 있었다. 더크스는 "같은 식단을 따르는 사람들도 다르게 반응할 수 있다. 이는 부분적으로 장내 미생물총의 구성 때문이다"고 말했다.

"인체 자체는 메탄을 생성하지 않고, 오직 고균만이 메탄을 생성한다. 따라서 메탄은 미생물이 단쇄 지방산을 효율적으로 생성한다는 것을 알려주는 바이오마커가 될 수 있다"고 애리조나 주립대학교의 수석 저자인 로사 크라이말닉-브라운은 덧붙였다.

체중 감량을 위한 개인 맞춤형 식단?

향후 메탄 측정치를 바이오마커로 활용하여 건강한 사람과 아픈 사람 모두의 체중 감량에 도움이 되는 개인 맞춤형 식단을 개발할 수 있다. 그러나 비만, 당뇨병 또는 기타 대사 질환이 있는 사람들의 장내 세균총이 고섬유질 식단에 어떻게 반응하는지 명확히 밝히기 위해서는 더 많은 참가자를 대상으로 한 후속 연구가 필요하다.

(ISME 저널, 2025; doi: 10.1093/ismejo/wraf103)

출처: Arizona State University