서성배 기초과학연구원(IBS) 마이크로바이옴-체-뇌 생리학 연구단장.[과기정통부 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 단백질이 결핍되면 장(腸)에서 뇌에 신호를 보내 당분 섭취를 억제하고 탄수화물 대신 필수 아미노산을 선택하도록 하는 장과 뇌 간의 행동 조절 원리가 최초로 규명됐다.

과학기술정보통신부는 기초과학연구원(IBS) 마이크로바이옴-체-뇌 생리학 연구단 서성배 단장(GIST 교수) 연구팀이 서울대학교, 이화여자대학교 연구진과 함께 몸속 단백질 부족 신호를 감지한 장이 뇌의 신경회로를 바꿔 필수 아미노산을 선택해 먼저 섭취하게 만드는 장-뇌 축 작동 원리를 규명했다고 22일 밝혔다.

장-뇌 축(gut-brain axis)이란 장과 뇌가 신경, 호르몬, 면역 신호 등을 통해 서로 정보를 주고받는 생리적 연결 체계를 말한다.

이번 연구성과는 세계 최고 권위 국제학술지 ‘사이언스(Science)’에 22일(한국시간) 게재됐다.

필수 아미노산 결핍에 대한 장-뇌 축의 신경·호르몬 조절 메커니즘.[과기정통부 제공]

장(腸)은 단순 소화기관을 넘어 몸속 영양 상태와 음식 성분, 미생물, 병원균 등 다양한 정보를 감지하고, 장 분비 호르몬을 통해 혈당, 식욕, 면역 등 전신 대사를 조절하는 ‘제2의 뇌’로 불린다. 하지만 아직까지 장에서 만들어진 신호가 어떠한 신경호르몬 경로를 통해 뇌에 전달되고, ‘무엇을 먹을지’라는 행동 선택으로 이어지는지 구체적 과정은 명확히 밝혀지지 않았다.

서성배 단장은 뇌와 내장기관을 잇는 내부 감각신경의 작동 원리를 규명하며, 감각·신경생리 연구 분야를 개척한 선구자로 평가받는다. 그는 초파리 모델을 활용해 섭식·대사·호르몬 조절에 관여하는 뇌-장 신경회로의 원리를 정교하게 규명해 국제적으로 연구 독창성을 인정받아 왔다.

연구진은 2021년 네이처(Nature)에 발표한 연구에서 초파리가 단백질 결핍 상태가 되면 장에서 ‘CNMa’라는 펩타이드 호르몬이 분비되면서 단백질 음식을 선호하게 된다는 사실을 밝힌 바 있다.

이번 연구에서는 이 CNMa 호르몬 신호가 뇌로 전달되는 경로뿐 아니라 새로운 신경 회로와 역할, 영양소 선택 원리 등 장-뇌 간 섭식 행동 조절의 원리와 과정을 밝혀냈다.

기초과학연구원(IBS) 마이크로바이옴-체-뇌 생리학 연구단의 연구개발 모습.[과기정통부 제공]

장 상피세포가 단백질 부족 신호를 감지하면 먼저, 장-뇌 신경 경로를 통해 빠르게 뇌에 신호를 보내 즉각 필수 아미노산 섭취를 유도한다. 뒤이어 분비된 CNMa 호르몬은 순환계를 타고 느리게 뇌에 도달하여 단백질 선호 행동이 지속 유지되도록 돕는다.

빠른 신경 경로와 느린 호르몬 경로가 서로 협력해 영양 결핍 상황에 정밀하게 대응한다는 새로운 개념을 제시한 것이다.

이어 장 유래 CNMa 신호가 뇌에서 필수 아미노산 섭취를 촉진하는 동시에, 탄수화물(포도당) 섭취를 촉진하는 뉴런(DH44)의 활성을 억제한다는 사실도 밝혀냈다. 몸의 균형을 맞추기 위해 장과 뇌가 스스로 식단을 재조정하는 셈이다.

이러한 결과는 동물이 부족한 영양소를 채우기 위해 전체 식사량을 늘리는 것이 아니라 특정 영양소를 선택하고 다른 영양소는 배제하는 선택적 섭식 행동 메커니즘을 규명했다는 점에서 주목할 만하다.

서성배 연구단장은 “이번 연구가 장-뇌축 기반 치료 전략 개발은 물론, 비만·대사질환·영양 불균형에도 중요한 단서를 제공할 것으로 기대하고 있다”면서 “향후 연구에서는 단백질 결핍이 필수아미노산 선택 행동 외에 다른 섭식·비섭식 행동에도 어떤 변화를 유도하는지 그 범위를 확장해 규명할 계획”이라고 말했다.