HRB에 숨겨진 과학

HRB의 주요 특징

모유: 소아 영양의 최고 공급원

모유의 구성 성분

모유는 소아에게 가장 좋은 영양 공급원이며, 소아의 건강 발달에 지대한 역할을 합니다. 그 비결은 바로 모유만의 정교하고 특별한 성분에 있습니다.

모유는 소아의 성장과 발달에 필요한 필수 영양소와 다양한 생리활성 분자로 구성되어 있으며, 여기에는 탄수화물(주로 유당), 지방, 단백질, 모유 올리고당(HMO), 비타민과 미네랄, 면역 인자, 성장 호르몬, 모유 미생물, 그리고 라이소자임과 같은 항균 성분이 포함됩니다.

Bifidobacterium 증식 인자를 함유한 모유

모유는 일반적으로 비피더스균이 우세한 소아 장내 미생물군 형성에 중요한 역할을 합니다. 이렇게 비피더스균이 풍부한 장내 미생물군은 소아에게 다양한 건강상의 이점을 제공하는 것으로 알려져 있습니다. 분유 수유아의 장내 미생물군은 모유 수유아의 장내 미생물군과 다르며, 분유 수유아에서는 비피더스균이 더 적은 것으로 보고되었습니다[1]. 모유에는 소아 장내 비피더스균 증식을 촉진하는 선택적 인자로 작용할 수 있는 다양한 생리활성 물질이 함유되어 있습니다. HMO와 라이소자임은 모유에 존재하는 대표적인 두 가지 비피더스균 증식 촉진 인자로 여겨집니다.

Reference:

  1. 1Tannock G. W., Lawley B., Munro K., Pathmanathan S. G., Zhou S. J., Makrides M., et al. . (2013). Comparison of the compositions of the stool microbiotas of infants fed goat milk formula, cow milk-based formula, or breast milk. Appl. Environ. Microbiol. 79, 3040-3048.

모유와 친화성이 높은 HRB

Minami et al., Beneficial Microbes. (2016)

시험관 내 연구에서 37종의 비피도박테리아 균주가 모유에서 증식할 수 있는 능력을 평가했습니다.
결과는 유아에서 분리된 모든 HRB 균주(B. breve 및 B. longum subsp. infantis)가 모유에서 잘 자라는 반면 성인형 HRB (B. longum subsp. longum)는 균주 특이성을 나타낸다는 것을 분명히 보여주었습니다. 한편, 대부분의 비 HRB는 모유에서 하룻밤 배양 후 자라지 못하고 심지어 사멸했습니다 [1].

이와 동일하게 모유 수유아와 분유 수유아의 대변 내 미생물군 구성을 비교한 Tannock 외(2013)은 B. longum 및 B. breve와 같은 HRB 종이 모유 수유아에서 더 풍부하다는 것을 밝혀냈습니다[2]. 또한, 교차 임상 연구에서는 미숙아에게 2주 동안 B. longumsubsp.infantis를 보충했을 때 B. animalissubsp.lactis를 보충했을 때보다 장내 미생물군에서 비피더스균의 비율이 더 높았다고 보고했습니다[3].

Reference:

  1. 1Minami, J., Odamaki, T., Hashikura, N., Abe, F. and Xiao, J., 2016. Lysozyme in breast milk is a selection factor for bifidobacterial colonisation in the infant intestine. Beneficial Microbes 7: 53-60.
  2. 2Tannock G. W., Lawley B., Munro K., Pathmanathan S. G., Zhou S. J., Makrides M., et al. . (2013). Comparison of the compositions of the stool microbiotas of infants fed goat milk formula, cow milk-based formula, or breast milk. Appl. Environ. Microbiol. 79, 3040-3048.
  3. 3Underwood, M.A., Kalanetra, K.M., Bokulich, N.A., Lewis, Z.T., Mirmiran, M., Tancredi, D.J. and Mills, D.A., 2013. A comparison of two probiotic strains of bifidobacteria in premature infants. Journal of Pediatrics 163: 1585-1591.

HMO 대사

HMO란?

Prepared from Kunz et al., 2000, Annu Rev Nutr

모유 올리고당(HMO)은 모유에 풍부하게 존재하는 비결합형 복합 탄수화물입니다. HMO는 유당과 지방산에 이어 모유에서 세 번째로 풍부한 성분으로 알려져 있으며, 소아형 HRB의 증식을 선택적으로 촉진하고 장내 정착에 기여하는 Bifidobacterium 증식 효과를 나타냅니다.

HMO는 200가지 이상의 다양한 분자 구조를 포함합니다. 세 가지 유아형 HRB는 HMO를 대사하는 높은 능력을 나타냅니다. 예를 들어, B. bifidum은 HMO를 세포외에서 단당류와 이당류로 분해하여 스스로 흡수하고 교차 공급을 통해 다른 비피도박테리아와 공유할 수 있습니다. 대조적으로, B. longum subsp. infantis는 HMO를 거의 완전한 형태로 흡수하여 세포내에서 분해합니다 [1].

HMO 활용에 특화된 소아형 HRB

Prepared from Odamaki et al., 2015. Int J Genom.

일부 연구에서는 B. longum subsp. infantis가 HMO를 유일한 탄소원으로 이용하고 왕성하게 성장할 수 있음을 보여주었습니다 [2,3]. HRB와 비 HRB의 게놈 비교는 또한 HRB가 LNT를 동화할 수 있는 기능적 능력을 보여주었으며 [3], 특히 전형적인 HMO 이용 박테리아로 여겨지는 유아형 HRB 인 B. longum subsp. infantis가 그러했습니다 [4].

이 연구들은 소아형 HRB가 소아 숙주와 특정한 유전적 적응 및 긴밀한 협력 진화를 겪었음을 보여줍니다. 또한 이 연구들은 소아형 HRB가 HMO를 이용하는 데 특화되어 있음을 보여줍니다.

Reference:

  1. 1Ojima MN, et al. Priority effects shape the structure of infant-type Bifidobacterium communities on human milk oligosaccharides. ISME J. 2022;16(9):2265-2279.
  2. 2Asakuma, S., Hatakeyama, E., Urashima, T., Yoshida, E., Katayama, T., Yamamoto, K., Kumagai, H., Ashida, H., Hirose, J. and Kitaoka, M., 2011. Physiology of consumption of human milk oligosaccharides by infant gut-associated bifidobacteria. Journal of Biological Chemistry 286: 34583-34592.
  3. 3Odamaki, T., Horigome, A., Sugahara, H., Hashikura, N., Minami, J., Xiao, J.-Z. and Abe, F., 2015. Comparative genomics revealed genetic diversity and species/strain-level differences in carbohydrate metabolism of three probiotic bifidobacterial species. International Journal of Genomics 2015: 5678092015.
  4. 4Sela, D., Chapman, J., Adeuya, A., Kim, J., Chen, F., Whitehead, T., Lapidus, A., Rokhsar, D., Lebrilla, C.B. and German, J.B., 2008. The genome sequence of Bifidobacterium longum subsp. infantis reveals adaptations for milk utilization within the infant microbiome. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA 105: 18964-18969.

라이소자임 내성

선택적 인자로 작용하는 모유 속 라이소자임

Prepared from Minami et al., 2016. Beneficial Microbes

HMO뿐만 아니라 라이소자임 또한 소아 장내 Bifidobacterium 종의 선택적 정착에 중요한 핵심 요소일 수 있습니다.

모유에 함유된 라이소자임의 양은 일반적으로 소젖에 함유된 양보다 약 1000~3000배 더 많다고 알려져 있어, 특히 소아 건강에 필수적인 천연 ‘항생제’ 중 하나입니다.

최근 연구에 따르면 라이소자임의 존재는 모유와 비피더스균의 선택적 친화성에 기여하며[1,2] 소아의 장에서 우세한 종에도 영향을 미칠 수 있습니다.

HRB는 라이소자임 내성이 매우 강합니다.

Prepared from Minami et al., 2016. Beneficial Microbes

모리나가유업에서 실시한 생체외 연구[1]에 따르면 대부분의 소아형 HRB 균주는 중간 정도의 내성을 보인 반면, Non-HRB 균주는 모유와 계란 흰자의 라이소자임 모두에 민감했습니다.

더욱이, 라이소자임은 거의 모든 조직, 체액, 눈물, 콧물, 타액과 같은 분비물, 특히 모유에 자연적으로 존재합니다. 이러한 점에서 라이소자임 민감성은 인체 장내 비피더스균의 생존에 위협이 될 수 있으며, 따라서 라이소자임 내성을 가진 HRB가 인체 장내 정착에 더 적합할 수 있음을 시사합니다.

Reference:

  1. 1Minami, J., Odamaki, T., Hashikura, N., Abe, F. and Xiao, J., 2016. Lysozyme in breast milk is a selection factor for bifidobacterial colonisation in the infant intestine. Beneficial Microbes 7: 53-60.
  2. 2Rockova, S., Rada, V., Nevoral, J., Marsik, P., Vlkova, E. and Bunesova, V., 2012. Inter-species differences in the growth of bifidobacteria cultured on human milk oligosaccharides. Folia Microbiologica 57: 321-324.

ILA 생산 및 전환

ILA: HRB가 생산하는 새로운 물질

ILA란 무엇인가? ILA는 인돌-3-젖산으로, 방향족 젖산의 일종이며 유아에게 항균, 면역 조절 및 항염 효과가 있는 것으로 보고된 장내 대사산물이다. 최근 연구에 따르면 HRB (특히 유아형)는 높은 수준의 ILA를 생성할 수 있으며, 이는 HRB 유아 발달에 중요한 역할을 한다는 것을 시사한다 [1].

각 Bifidobacterium은 MRS-C 배지에서 37°C의 혐기성 조건하에 24시간 동안 배양되었습니다.
Sakurai T et al., Microorganisms. (2019)

HRB는 인돌을 ILA로 전환시키며, 이는 인체에 유익합니다.

Yong CC et al., Gut Microbes. (2024)

장내 세균이 생성한 인돌은 간에서 대사되어 대표적인 요독성 물질인 인독실황산염으로 전환됩니다. 인돌과 인독실황산염은 신부전 진행을 촉진하는 물질로 알려져 있습니다. 모리가나의 연구에 따르면 HRB는 대장균이 생성한 인돌을 트립토판(Trp)으로, 그리고 다시 인돌-3-젖산(ILA)으로 전환한다는 것을 보여줍니다. HRB는 요독성 물질의 전구체인 인돌을 유익한 ILA로 전환하는 유전자를 함유하고 있습니다 [2].

Reference:

  1. 1Sakurai, T.; Odamaki, T.; Xiao, J.-z. Production of Indole-3-Lactic Acid by Bifidobacterium Strains Isolated fromHuman Infants. Microorganisms 2019, 7, 340.
  2. 2Yong, Cheng Chung et al. “Human gut-associated Bifidobacterium species salvage exogenous indole, a uremic toxin precursor, to synthesize indole-3-lactic acid via tryptophan.” Gut microbes vol. 16,1 (2024)

엽산 생성

HRB 시험관 내에서 엽산을 생성하는 능력이 매우 뛰어납니다.

Prepared from Sugahara et al., 2015. Bioscience of Microbiota, Food and Health

HRB와 비 HRB 엽산을 생산하는 능력에 차이가 있습니다. 시험관 내 연구 [1]에서 44개 비피도박테리아 균주의 엽산 생산 능력을 평가했습니다. 결과는 HRB 균주가 시험관 내에서 높은 수준의 엽산을 생산할 수 있는 반면, 대부분의 비 HRB 균주는 그렇지 않다는 것을 분명히 보여주었습니다.

HRB 감염된 쥐는 엽산 수치가 더 높았습니다.

Prepared from Sugahara et al., 2015. Bioscience of Microbiota, Food and Health

HRB 균주가 장에서 직접 엽산을 합성할 수 있는 능력은 동물 연구에서 확인되었습니다 [1]. 무균 마우스에 0일째에 단일 HRB 균주(B. longum subsp. longum) 또는 비 HRB (B. animalis subsp. lactis)를 투여했습니다. 7일, 14일, 21일, 28일에 분변 및 혈청 분석을 수행했습니다.

HRB (B. longum)에 감염된 쥐의 대변 엽산 농도와 헤모글로빈 양은 비 HRB (B. lactis)에 감염된 쥐에 비해 유의하게 높았습니다.

이 연구들은 HRB가 엽산 생산에 있어 우수함을 입증했으며, 이는 엽산을 생산하는 HRB 균주가 빈혈 예방에 더욱 유익하고 숙주에게 건강상의 이점을 제공할 수 있음을 시사합니다.

Reference:

  1. 1Sugahara, H., Odamaki, T., Hashikura, N. and Xiao, J.-Z., 2015. Differences in folate production by bifidobacteria of different origins. Bioscience of Microbiota, Food and Health 34: 87-93.
엽산이란 무엇인가요?

엽산은 비타민 B9라고도 하며, 인체 대사에 중요한 역할을 합니다. 엽산 결핍은 신경관 기형, 거대적혈구빈혈, 암, 알츠하이머병, 심혈관 질환의 위험을 증가시킵니다.

미생물 릴레이

"미생물 릴레이"는 장내 미생물들이 어떻게 역할을 분담하는지를 설명하는 용어입니다.
그리고 섬유소 유래 대사산물을 마치 바통처럼 전달합니다. 두 번째 주자는 이 "바통"(대사산물)을 세 번째 주자(프로피온산 생성 박테리아)에게 전달하는 중요한 역할을 합니다. 따라서 식이섬유를 미생물 기질로 섭취하는 것 외에도 두 번째 단계에 주의를 기울이는 것이 중요합니다.

HRB 두 번째 단계에서 기능하며, 일부 인간이 선택한 HRB (예: B. longum subsp. longum)는 식이섬유 유래 성분을 흡수할 수 있는 능력도 가지고 있습니다 [1].

이 프레임워크는 소비자가 눈에 보이지 않는 미생물의 기능을 이해하는 데 도움을 주고, 제품 개발에서 "식이섬유와 HRB 결합"하거나 "HRB와 부티르산 생성 박테리아를 함께 투여"하는 것과 같은 개념의 타당성을 강화합니다.

Reference:

  1. 1Wong CB, Odamaki T, Xiao JZ. Insights into the reason of Human-Residential Bifidobacteria (HRB) being the natural inhabitants of the human gut and their potential health-promoting benefits. FEMS Microbiol Rev. 2020;44(3):369-385.