인간 장내 세균이 복합 탄수화물과 다른 고분자를 분해하여 생성한 대사산물은 주변 미생물이 무산소 호흡에 이용합니다. 그러나 장내에서 다른 식이 화합물의 교차 공급이 에너지를 생성하는 산화환원 반응을 유발할 수 있는지는 아직 불분명합니다.
2025년 8월 4일, 예일 대학교 연구진이 Cell의 자매지인 Cell Host & Microbe에 "Metabolic cross-feeding of a dietary antioxidant enhances anaerobic energy metabolism by human gut bacteria"라는 제목의 연구를 발표했습니다.
이 연구는 식이 항산화제 에르고티오네인의 대사 교차 공급이 인간 장내 세균의 무산소 에너지 대사를 향상시킨다는 사실을 밝혔습니다.
이 획기적인 연구에서 연구팀은 서로 다른 문에 속하는 장내 세균이 무산소 조건에서 에너지를 생성하기 위해 공통의 식이 항산화제를 교환한다는 것을 입증했습니다. 공생 박테리아인 Clostridium symbiosum은 에르고티오네이네이스 효소를 암호화하는데, 이 효소는ergothioneine(버섯 유래 항산화제)를 전자 수용체인 thiourocanic acid (TUA)로 전환합니다. 자일란 분해 박테리아인 Bacteroides xylanisolvens는 이후 TUA를 환원시켜 ATP 합성을 크게 향상시키고 세균 성장을 촉진합니다. 더욱이 TUA는 특정 인간 분변 미생물 군집에 의해 선택적으로 생성되고 소비됩니다.
장내 에르고티오네인 항상성과 대장암 사이의 새로운 연관성과 일관되게, 에르고티오네이네이스 유전자가 대장암 환자의 분변 메타게놈에서 유의하게 풍부한 것으로 나타났습니다.
이러한 종합적인 발견은 공생 항산화 영양소의 교차 공급이 미생물 에너지 대사를 향상시키는 방식을 밝혀내며, 이는 질병 위험의 개인 간 차이를 설명할 수 있습니다. 구체적으로:
C. symbiosum의 에르고티오네이네이스는 식이 에르고티오네인을 TUA로 전환합니다;
B. xylanisolvens는 TUA를 전자 수용체로 이용하여 대조군 대비 ATP 생산을 2.3배 증가시킵니다;
TUA 역학은 인간 마이크로바이옴 전반에 걸쳐 선택적 생산/소비 패턴을 보여줍니다.
특히, 에르고티오네인-TUA 대사 축은 대장암 환자에서 특히 활발했으며, 에르고티오네이네이스 유전자 풍부도가 질병 진행과 상관관계를 보였습니다(p<0.01). 이 산화환원 기반 교차 공급 메커니즘은 식이 항산화제, 장내 미생물 생태 및 암 감수성 사이의 새로운 연관성을 나타낼 수 있습니다.
Clostridium symbiosum은 에르고티오네인(EGT)을 thiourocanic acid(TUA)로 대사합니다;
TUA는 Bacteroides xylanisolvens에 의해 이용되어 무산소 성장 및 ATP 합성을 향상시킬 수 있습니다;
인간 분변 미생물 군집은 대사 교차 공급을 통해 EGT를 환원된 TUA로 전환할 수 있습니다;
TUA 생산을 담당하는 유전자는 대장암 환자의 분변 메타게놈에서 풍부하게 나타납니다.
종합적으로, 이러한 결과는 항산화 영양소의 공생적 교차 공급이 미생물 에너지 대사를 향상시킨다는 것을 입증하며, 이 메커니즘은 질병 위험 감수성의 개인 간 변이를 설명할 수 있습니다.
논문 링크: https://www.cell.com/cell-host-microbe/fulltext/S1931-3128(25)00280-X
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