Gut Microbiota and SCFA

인간의 장내 건강 관련해서 SCFA 는 긍정적인 지표로 해석되고 있습니다. 

특정 장내미생물이 생산한 acetate, propionate, butyrate 등의 대사물들은 면역 시스템 조절, 장 점막 보호 등 중요한 역할을 한다고 알려져 있습니다. 또한, 최근 연구에서는 gut-brain axis 에도 영향을 미친다는 결과도 등장하였습니다. 

 

해당 부분에 대해 조금 더 구체적인 지식이 필요하다고 생각해서 SCFA 생산 과정, SCFA 의 효과 등에 대해 조금 더 자세하게 알아보려고 합니다.

 

google scholar 에 SCFA gut microbiota 의 키워드로 검색했을 때 인용수가 높은 3개의 논문을 바탕으로 합니다.

 

1) Douglas J. Morrison & Tom Preston, 2016

2) Rudimar Luiz Frozza, 2020

3) Barbara M. Makker, 2013

 

 

1. SCFA (Short Chain Fatty Acids, 단쇄지방산) 의 소개

 

SCFA 는 1 ~ 6개의 짧은 탄소체인을 갖는 포화 지방족 유기산입니다. 대표적인 SCFA 로는 acetate (C2), propionate(C3), butyrate(C4) 등이 있습니다. 위 3개의 SCFA 가 6:2:2 의 비율로 존재했을 때 장내 항상성이 잘 유지되고 있다고 여겨집니다.

 

SCFA 는 장내 미생물군이 수행한 비소화성 탄수화물의 발효로 인해 생성되는 주요 산물입니다.

 

여기서 비소화성 탄수화물이 사용되는 이유는, 대장에 존재하는 미생물이 해당 물질을 사용하기 위해서는 소장에서 흡수 또는 소화되지 않아야 하기 때문입니다.

 

이에 해당되는 물질에는 대표적으로 oligosacchardies, polysacchardies (pectin, inulin 등), resistant starch 등이 있습니다. 흔히 말하는 프리바이오틱스가 바로 이것들이라고 할 수 있습니다.

 

 

2. SCFA synthesis pathway

 

 

 

대표적인 SCFA 의 생산 경로는 위와 같습니다.

 

acetate 는 비교적 다양한 박테리아에 의해 합성된다고 알려져 있지만 propionate 와 butyrate 는 제한된 종에 의해 합성되며 조금 더 기질 특이적인 특성이 있습니다.

 

 

2-1. acetate

acetate 는 크게 두 가지 경로로 합성됩니다. 

   

   1) pyruvate 의 decarboxylation 으로 acetyle-CoA 생성 -> acetyle-CoA 의 가수분해 -> acetate 

 

다양한 균이 해당 pathway 를 통해 acetate 를 합성할 수 있습니다. (주요 합성 경로)

( Prevotella spp., Ruminococcus spp., Bifidobacterium spp., Bacteroides spp., Clostridium spp., Streptococcus spp., A. muciniphila, and B. hydrogenotrophica)

 

   2)  Wood-Ljungdahl pathway 통한 acetyl-CoA 로부터 acetate 의 합성

 

 

 

2-2. propionate

propionate 는 몇 개의 genus 들에서만 합성되며 기질 특이적인 특성이 있습니다. 대표적인 propionate 생산 균주로는 Akkermansia municiphilla 가 있습니다. 크게 3개의 pathway 통하여 합성됩니다.

 

   1) succinate pathway : phosphoeonlpyruvate using synthesis (주요 합성 경로) -> Bacteroidetes, several Firmicutes

 

   2) acrylate pathway : lactate to propionate (using lactoyl-CoA dehydratase) -> Coprococcus catus

 

   3) propanediol pathway : 1-2-propanediol using synthesis -> Salmonella enterica, R. inulinivorans  

 

 

 

2-3. butyrate

propionate 합성과 마찬가지로 기질 특이적인 특성이 있습니다. RS (저항전분) 이 가장 주요한 butyrate 합성에 관여하는 물질입니다. 주요 생산 균주는 Ruminococcus brommi 가 있습니다. 

 

   1) two acetyl-CoA -> β-hydroxybutyryl-CoA, crotonyl-CoA and lastly to butyryl-CoA

             1-1 ) butyryl-CoA  -> butyrate ( phosphotransbutyrylase, butyrate kinase enzymes 관여 )

             1-2 ) butyryl-CoA  -> butyrate ( acetate CoA-transferase 관여)

 

사람의 장내에서는 1-2) pathway 가 더 선호되는 것으로 보이며 Coprococcus species. F. prausnitzii, E. rectale, E. hallii, and R. bromii 등에 의해 합성됩니다.

 

 

 

3. SCFA 의 역할

이렇게 다양한 경로로 생산된 SCFA 는 주로 H + 의존성 또는 나트륨 의존성 모노카르복실레이트 수송체(각각 MCT 및 SMCT)를 통해 결장세포에 흡수됩니다. 결장세포에서 대사되지 않는 SCFA는 문맥 순환으로 운반되어 간세포의 에너지 기질로 사용됩니다. 따라서 결장 유래 아세테이트, 프로피오네이트 및 부티레이트의 극히 일부만이 전신 순환 및 기타 조직에 도달합니다

 

주요한 SCFA 의 생체 내 역할은 다음과 같이 정리할 수 있습니다.

 

1. 다양한 기관으로 흡수되어 에너지원으로 사용 (인간의 경우 일일 칼로리 요구량의 10% 까지 제공)

2. 지질 및 포도당 대사 조절에 관여하는 G protein-coupled receptors 에 의해 감지되는 기질로서의 역할

3. 신체의 지방산 합성, 산화 및 지방 분해 사이의 균형을 조절

4. 포도당과 콜레스테롤 대사 조절하여 항상성 유지에 관여

5. 일부 연구에서는 NF-κB, IL-6 등 면역인자의 활성을 억제하는 등 면역에도 관여를 확인하기도 함

 

실제, SCFA  를 무균쥐에 투여했을 때 식이 유발 비만과 인슐린 저항성으로부터 쥐를 보호하는 효과를 확인하였습니다. 다만, 비만인 생쥐와 사람의 경우 대변 내 SCFA 양이 증가하는 등 조금은 모순된 효과도 확인되었다고 합니다. 추가로, 대변 내 SCFA 양이 실제 장내 SCFA 양을 대변할 수 있는지에 대해서도 의문부호가 붙습니다.

 

 

저희 연구실에서도 질량분석기 장비를 사용하여 대변 내 SCFA 의 양을 확인하고 있습니다. 다당류 등 프리바이오틱 소재를 처리하였을 때 실제 SCFA 양이 증가하는 것이 확인되고 있고 SCFA 의 장내 미생물 군집과의 관계에 대해 데이터가 축적되면 더 좋은 인사이트를 얻을 수 있을 것으로 기대됩니다.