"몸이 부족한 영양소 직접 고른다"…장-뇌 축의 '편식 제어' 원리 규명[과학을읽다]

장이 단백질 부족 감지해 뇌 신경회로 조절
비만·대사질환·식이장애 치료 새 가능성 제시

국내 연구진이 장(腸)이 몸속 영양 결핍 상태를 감지한 뒤 뇌(腦)에 신호를 보내 특정 영양소를 선택적으로 먹게 만드는 '장-뇌 축(gut-brain axis)'의 작동 원리를 규명했다. 비만과 대사질환, 식이 행동 장애 치료 연구의 새로운 단서를 제시했다는 평가다.

과학기술정보통신부는 기초과학연구원(IBS) 마이크로바이옴-체-뇌 생리학 연구단 서성배 단장 연구팀이 서울대학교·이화여자대학교 공동 연구진과 함께 장이 뇌의 선택적 섭식 행동을 유도·조절하는 장-뇌 축 작동 원리를 밝혀냈다고 22일 밝혔다.

필수 아미노산이 부족해지면 장에서 분비된 CNMa 호르몬이 신경·호르몬 경로를 통해 뇌에 단백질 부족 신호를 전달하는 과정을 나타낸 모식도. 장-뇌 축은 필수 아미노산 섭취를 촉진하는 동시에 탄수화물 섭취를 억제해 부족한 영양소를 우선적으로 섭취하도록 행동을 조절한다. 연구팀 제공

이번 연구 결과는 세계 최고 권위 학술지인 Science에 이날 오전 3시(한국시간) 온라인 게재됐다.

연구진은 몸속 단백질 부족 상태를 감지한 장이 특정 신경·호르몬 신호를 통해 뇌의 신경회로를 변화시키고, 필수 아미노산을 우선적으로 섭취하도록 행동을 유도한다는 사실을 확인했다.

장은 단순 소화기관이 아니라 음식 성분과 영양 상태, 장내 미생물 등을 감지해 전신 대사를 조절하는 기관으로 알려져 있다. 하지만 장에서 발생한 신호가 어떤 과정을 거쳐 뇌의 '먹을 것 선택' 행동으로 이어지는지는 명확히 밝혀지지 않았다.

실험실에서 데이터에 대해 논의하고 있는 연구팀. IBS 제공 영상 캡처

연구팀은 앞서 2021년 발표한 Nature 논문에서 초파리가 단백질 결핍 상태에 놓이면 장에서 'CNMa'라는 펩타이드 호르몬이 분비돼 단백질 음식을 선호하게 된다는 사실을 규명한 바 있다.

이번 연구에서는 이 CNMa 신호가 뇌에 전달되는 경로와 새로운 신경회로 작동 원리까지 추가로 밝혀냈다.

"빠른 신경·느린 호르몬" 동시에 작동

연구진은 장-뇌 축이 단일 경로가 아니라 빠른 신경 신호와 느린 호르몬 신호를 동시에 활용하는 정밀 시스템이라는 사실을 확인했다.

장 상피세포가 단백질 부족 상태를 감지하면 먼저 신경 경로를 통해 빠르게 뇌에 신호를 보내 필수 아미노산 섭취를 유도한다.

이후 장에서 분비된 CNMa 호르몬이 혈액 순환계를 통해 뇌에 도달해 단백질 선호 행동이 지속되도록 돕는다.

또 장 유래 CNMa 신호가 필수 아미노산 섭취를 촉진하는 동시에 탄수화물 섭취를 유도하는 신경세포(DH44)의 활성을 억제한다는 사실도 확인했다.

교신저자인 서성배 IBS 마이크로바이옴-체-뇌 생리학 연구단장이 연구 성과를 설명하고 있다. IBS 제공 영상 캡처

이는 동물이 단순히 전체 식사량을 늘리는 것이 아니라 부족한 영양소를 선택적으로 섭취하고 다른 영양소는 줄이는 방식으로 식단 균형을 조절한다는 의미라고 연구진은 설명했다.

연구팀은 이러한 장-뇌 축 시스템이 초파리뿐 아니라 포유류인 생쥐에서도 동일하게 작동한다는 점도 확인했다.

특히 기존에 단백질 결핍 반응 핵심 호르몬으로 알려진 간 유래 호르몬 'FGF21'이 없는 상태에서도 동일한 반응이 나타나면서, 기존 호르몬 체계와 별도로 작동하는 새로운 조절 시스템 가능성도 제시했다.

서성배 IBS 연구단장은 "현재 비만·식욕 조절 약물 대부분은 장 호르몬 신호를 활용하고 있지만, 자연 분비 장 호르몬이 뇌와 행동에 미치는 영향과 경로는 충분히 연구되지 못했다"며 "이번 연구는 장-뇌의 영양소 선택 원리를 밝힌 것으로 향후 비만과 대사질환, 식이 행동 장애 치료 연구의 중요한 기반이 될 것"이라고 말했다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr