경이로운 미토콘드리아의 세계를 탐험하다

📝한눈에 보는 정보

• 저명한 미토콘드리아 연구자인 헤말 파텔(Hemal Patel)과의 인터뷰에서, 미토콘드리아가 전반적인 건강에 핵심적인 역할을 하며, 미토콘드리아 기능 장애가 대부분의 만성 질환 중심에 있다는 점에 대해 논의했다
• 미토콘드리아와 세포막, 특히 카비올레이(caveolae)라 불리는 특수화된 세포막 구조 사이의 밀접한 연결은 산소 전달과 신진대사 조절에 있어 매우 중요하다
• 장내 미생물군과 미토콘드리아는 상호 소통하는 관계에 있으며, 미생물 대사산물이 미토콘드리아 기능에 영향을 미치고 미토콘드리아 역시 미생물군에 영향을 주어, 질병을 예측하고 예방할 수 있는 가능성을 열어준다
• 미토콘드리아 생물학과 장 건강, 개인 맞춤 의료의 협력은 만성질환의 근본 원인을 해결함으로써 활기차고 지속적인 건강을 실현할 수 있는 가능성을 보여준다

🩺 Dr. Mercola

미토콘드리아 건강이 전신 건강에 있어 핵심적인 역할을 한다고 믿는 입장에서, 캘리포니아대학교 샌디에이고 캠퍼스(University of California in San Diego) 생물학과 교수이자 세계적인 미토콘드리아 연구자인 헤말 파텔(Hemal Patel)과 직접 이야기를 나눌 수 있었던 것은 매우 뜻깊은 경험이었다.

이번 대화에서는 세포 내 발전소인 미토콘드리아에 대한 최신 연구 성과는 물론, 미토콘드리아 기능과 장내 미생물군 사이의 흥미로운 연관성에 대해서도 깊이 있게 이야기했다. 파텔 교수와 필자는 미토콘드리아 기능 저하가 대부분의 만성질환 중심에 있다는 견해에 동의하고 있다. 파텔 교수는 다음과 같이 말했다.

"사람들은 미토콘드리아를 보통 장수, 즉 건강한 노화와 관련된 것으로 여기는 경향이 있다. 하지만 사람들이 중요하다고 생각하는 다른 요소들도 많고, 그것들은 실제로 중요할 수도 있고 아닐 수도 있다… 결국 오늘날 흐름은 미토콘드리아가 핵심이라는 쪽으로 무게추가 옮겨가고 있다. 만약 여러분이 이런 요소들이 갖춰져 있지 않고 제대로 에너지를 만들어내지 못하고 있다면, 결국 다른 어떤 요소도 의미를 갖기 어렵다."

이러한 관점은 미토콘드리아 건강을 최적화하는 것이 활기차고 지속적인 건강을 이루기 위한 가장 중요한 한 걸음이라는 필자의 확신과 맞닿아 있다.

미토콘드리아의 세계를 깊이 탐색하다

파텔 교수는 인체에 존재하는 미토콘드리아 네트워크의 방대한 규모와 복잡성을 흥미롭게 설명했다. 우리 몸에는 약 10만 조 개에 달하는 미토콘드리아가 존재하며, 각각 수백 개의 전자전달계를 갖고 있다.

이처럼 복잡한 기구를 지닌 에너지 생성 세포 소기관이 엄청난 수로 존재한다는 사실은 미토콘드리아가 세포 기능은 물론 전반적인 건강에 얼마나 결정적인 역할을 하는지를 잘 보여준다. 우리의 대화에서 특히 흥미로웠던 주제 중 하나는 미토콘드리아 진화에 관한 세포내 공생설(endosymbiotic theory)이었다.

파텔 교수에 따르면, 이 세포 소기관들은 약 15억 년 전 가장 초기의 진핵세포에 흡수된 독립적인 미생물에서 기원한 것으로 여겨진다. 이 공생 관계는 보다 효율적인 에너지 생산을 가능하게 했을 뿐 아니라, 미토콘드리아가 '세포의 생존과 사멸에 직결되는 핵심 과정을 조절'할 수 있는 능력까지 갖추게 했다. 파텔 교수의 설명이다:

“이 생물들은 어쩌면 당시에는 외계 존재였을지도 모른다. 이들이 세포 속으로 흡수되며 공생 관계를 이루었고, 그로 인해 이후 놀라운 진화가 가능해졌다. 삶의 모든 것은 성장을 중심으로 움직이며, 성장을 추구하는 모든 것은 에너지에 의존한다. 그것이 긍정적인 성장인지 부정적인 성장인지에 관계없이, 어떤 형태의 성장이든 모두 에너지를 필요로 하며, 미토콘드리아는 그 에너지의 근본적인 단위와 흐름을 혁신적으로 바꿔놓았다.

그전까지 에너지를 만들던 생화학적 과정들은 비효율적이었다, 그렇지 않은가? 조리할 수는 있었지만, 충분히 빠르게 조리하거나 속도를 높이는 것은 불가능했다. 미토콘드리아는 우리가 그다음 단계로 도약할 수 있도록 가속력을 제공했다. 이런 관점에서 사람들은 미토콘드리아를 에너지를 만드는 존재, 즉 세포의 발전소로 여겨왔다. 그 점은 거의 완전히 맞는 말이라고 생각한다.

하지만 사람들이 잘 인식하지 못하는 또 다른 점은, 이제 우리 세포 안에 공생체로 존재하게 된 이 생물이 다른 여러 가지 기능도 조절하고 있다는 사실이다. 이 생물은 자신의 생존을 위해, 세포의 생존과 사멸에 직결되는 핵심 과정을 조절하게 된 것이다. 본인은 이것이 더 중요한 특성이라고 생각한다. 에너지는 그 균형의 일부일 뿐이며, 진정 중요한 것은 미토콘드리아가 신호를 보내고, 감지하고, 조직화하는 능력이다 …"

미토콘드리아와 세포막의 관계

파텔 교수의 획기적인 연구는 미토콘드리아와 세포막, 특히 카비올레이(caveolae)로 알려진 특수화된 세포막 구조 사이의 밀접한 연결에 대한 이해를 확장시켰다. 그는 세포막이 실제로 세포에서 가장 중요한 부분이라고 믿는다.

"나는 사람들에게 세포에서 가장 중요한 부분이 뭐냐고 묻는다. 대부분의 사람들은 세포핵이라고 답한다. 우리는 세포핵을 중심에 있는 뇌이자 모든 것을 조절하는 통제 센터로 배우기 때문이다. 그다음으로 사람들이 많이 언급하는 것은 미토콘드리아인데, 에너지와 에너지 대사 시스템에 대해 들어본 적이 있기 때문이다. 세포막이 세포에서 가장 중요하다고 말하는 사람은 거의 없다. 세포막 생물학자인 내 입장에서는, 가장 중요한 부분은 바로 세포막이라고 생각한다.

세포라는 존재를 규정짓는 것이 바로 세포막이다. 당신이 누구인지를 결정짓는 것도 세포막이다. 여러 세포들이 모여 조직을 이룰 때, 가장 먼저 외부 스트레스를 감지하고 맞서는 장벽이 바로 세포막이다. 대부분의 만성 질환에서 미토콘드리아 기능 장애가 결국 최종적인 결과로 나타난다는 데에 나도 동의한다. 내가 보기에 근본적인 문제는 세포막의 결함이며, 이것이 결국 세포 내 에너지 생성과 활용 능력의 상실로 이어진다고 생각한다."

파텔 교수는 이어서 설명했다. "모든 대사 세포에는 세포막과 미토콘드리아 사이에 흥미로운 연결 구조가 존재한다. 특히 심장에서는 이러한 상호작용이 거의 항상 일어나는 독특한 연결 구조가 존재한다. 세포 표면에 미토콘드리아가 존재한다면, 거의 항상 이 미세 구역과 연결되어 있다고 볼 수 있다."

더 흥미로운 점은, 파텔 교수가 이 카비올레이 구조가 '산소의 축전기(capacitor)' 역할을 하며, 이 필수 분자를 저장하고 전달하는 특수한 시스템일 수 있다고 설명했다는 점이다. 그는 이 미세구역 내 높은 농도의 콜레스테롤이 산소를 결합하고 세포 내로 유입되는 흐름을 조절함으로써, 미토콘드리아를 산화 스트레스의 유해한 영향으로부터 보호할 수 있게 한다고 설명했다.

"우리는 이 세포막이 실제로 산소를 조절하고 세포 내로 전달하는 저장 경로이자 통로가 된다고 보고 있다"고 설명했다. "이 구조는 축전기처럼 작동하며, 우리는 이 개념, 즉 카비올레이가 산소와 대사의 축전기 역할을 한다는 아이디어에 대해 여러 편의 리뷰 논문을 발표한 바 있다."

미토콘드리아-장 축과 미생물군을 통한 질병 예측

파텔 교수의 연구는 미토콘드리아 기능과 장내 미생물군 사이의 복잡한 상호 관계를 깊이 있게 조명한다. 파텔 교수는 다음과 같이 말했다.

“장과 몸속의 미토콘드리아 네트워크는 상호작용하며 연결되어 있다. 미주신경과 장이 제대로 연결되어 있을 경우, 자신이 누구이고 어떤 상태인지에 대한 신호를 전혀 다르게 보내게 된다. 이러한 연결은 전체적인 생리적 구성을 변화시키고, 새로운 대사산물을 만들어낸다. 우리는 이 대사산물을 혈장에서 확인할 수 있으며, 세포 기반 실험을 통해 이들이 매우 독특하고 놀라운 기능을 한다는 사실을 확인할 수 있다.”

장과 미토콘드리아 간의 이러한 상호 소통은 미생물 대사산물 생성을 통해 이루어지며, 인간 건강을 최적화하는 방법에 대한 이해를 넓혀줄 유망한 연구 분야로 주목받고 있다. 파텔 교수는 일주일간의 명상 수련 중에도 관찰되는 것처럼, 장내 미생물군의 단기간 변화만으로도 대사 지표와 전반적인 건강에 깊은 영향을 줄 수 있다는 연구 결과를 제시했다.

파텔 교수와 연구진은 장내 미생물군 데이터를 분석하고 다양한 질병 상태의 존재를 예측하기 위해 머신러닝 알고리즘까지 활용하고 있다. 파텔 교수가 설명했다.

"우리는 메타게놈 서열만으로도 예측할 수 있다… 미생물군 측면에서 불안이 어떤 모습인지 머신러닝 시스템에 학습시킨 뒤, 이것은 불안이 아닌 상태라는 대조군을 입력하고, 그다음에는 이미 알려진 데이터를 제공해 예측하도록 만들 수 있다.

이 시스템은 불안을 약 74%의 정확도로 예측할 수 있으며, 유방암 관련 데이터가 많이 축적되어 있는 경우에는 암도 거의 90%에 가까운 정확도로 예측할 수 있다. 외상후스트레스장애(PTSD)는 좀 더 복잡한 경우이지만, 약 65%의 정확도로 예측할 수 있다."

파텔 교수는 이어 말했다. "더 많은 데이터가 축적되면, 아주 제한적인 고유 요인들의 조합만으로도 상태를 파악할 수 있는 수준에 이를 수 있다. 이 모든 요소를 분석함으로써 다양한 질병을 예측할 수 있게 된다.” 그런 다음에는 근본 원인을 정확히 짚어내고, 이를 예방하는 데 도움이 되는 변화를 이끌어낼 수 있다.

조기 사망으로 이어지는 블랙홀의 소용돌이

대장 역시 미토콘드리아 기능 저하와 건강 악화에 관여한다. 필자가 설명했듯이, 종자유에 들어 있는 다불포화지방산(PUFA)의 리놀레산을 과도하게 섭취하는 등의 요인에 의해 대장 상피가 점진적으로 붕괴되는 것이 문제의 근본이라고 생각한다. 이러한 요소들과 기타 미토콘드리아 독소들은 장내에서 미세하게 유지되던 산소 균형을 무너뜨린다.

그 결과, 해로운 산소 내성 미생물이 번식하기 쉬운 환경이 조성되는 반면, 장 건강과 전반적인 웰빙에 필수적인 유익한 산소 불내성 미생물의 성장은 억제된다. 뮤신은 대장 상피세포를 결합시키는 접착제 역할을 한다. 대장 세포인 대장 상피세포는 장벽을 형성하고 이를 견고하게 유지하는 역할을 한다.

이 장벽이 무너지면, 필자는 이를 비유적으로 '블랙홀의 소용돌이'로 본다. 이는 조기 사망으로 이어지는 점진적이고 하강하는 악순환이다.

대장 상피세포를 손상시키는 원인을 해결하고 적절한 산소 수치를 회복시키는 조치가 이루어지기 전까지는, 유익한 산소 불내성 미생물이 다시 자리 잡을 수 없다. 이러한 미토콘드리아와 장내 미생물군 간의 소통은 매우 중요하지만, 산소에 강한 병원성 박테리아가 우세해지면 유익균들이 밀려나고, 생존과 활력을 위한 필수 대사산물을 제대로 생성할 수 없게 된다.

대장에서 산소가 과잉 상태로 유지되면, 운동이나 수면, 영양, 보충제 등 아무리 좋은 생활 습관을 실천해도 건강 개선으로 이어지지 않는다. 하지만 혐기성 미생물을 보충하기 위해 단순히 프로바이오틱스를 섭취하는 것으로는 부족하다. 시판되는 프로바이오틱스는 대부분 생존력이 떨어지기 때문이다.

이들은 포스트바이오틱 효과는 제공할 수 있으나, 올바른 미생물군을 재형성하기 위한 진정한 '씨앗' 역할은 할 수 없다. 씨앗이 사막에서 자랄 수 없듯이, 이 미생물들이 번성하려면 적절한 환경이 조성되어야 한다. 이를 위해서는 리놀레산이나 내분비계 교란 화학물질과 같은 미토콘드리아 독성 물질을 피하는 것이 핵심이다.

기존 미토콘드리아 검사 방식의 한계를 극복하기

파텔 교수는 미토콘드리아 기능을 평가하는 기존 방식의 한계에 대해서도 견해를 밝혔다. 그는 대부분의 전임상 연구들이 젊고 건강한 동물 모델을 사용하기 때문에, 실제 인간 질환의 복잡성을 정확히 반영하지 못한다고 설명했다.

이러한 한계를 극복하기 위해, 파텔 교수는 나이와 기존 질환 상태 등 현실적인 요인을 반영한 정교하면서도 임상 현실을 반영하는 연구 모델이 필요하다고 강조했다. “전임상 단계에서 치료제를 개발하려면, 궁극적으로 그것을 적용할 질환 모델을 제대로 살펴봐야 한다. 인간의 실제 상태를 반영하는 적절한 질환 모델이 필요하다.”

파텔 교수는 전통적인 근육 생검 기반의 미토콘드리아 검사 방식에 대해 '고통스럽고 제한적'이라며 그 한계를 지적했다. 이를 해결하기 위해 혈액 샘플 분석과 같은 새로운 비침습적 방법을 연구해 오고 있다고 밝혔다.

“우리는 이런 연구를 세포 수준에서 약 10년간 수행해 왔다. 사람들이 미토콘드리아 생물학에 관심을 갖게 될 줄 누가 알았겠는가? 그래서 우리는 근육 생검을 수행하는 일련의 연구들을 진행해 왔고, 이는 미토콘드리아 검사에서 표준 기준으로 여겨진다. 우리는 캠퍼스 내 협력 연구진들과 함께 수많은 임상시험을 수행하고 있다.

연구진들이 근육 조직을 제공하면, 우리는 해당 조직에서 미토콘드리아 기능을 분석하고, 지방, 포도당, 케톤을 어떻게 사용하는지, 어떤 복합체에 결함이 있는지 등 다양한 정보를 도출한다. 전자 사용 방식은 어떤지, 제대로 작동하고 있는지를 분석하는 것이다. 이처럼 그 수준에서 조절할 수 있는 요소들이 바로 이런 것들이다. 문제는 이 방식은 확장성이 없고, 고통스럽다는 점이다."

이에 따라 파텔 교수와 연구팀은 단순한 혈액 채취만으로 미토콘드리아 기능을 종합적으로 평가할 수 있는 상용 검사인 ‘미스크린(mescreen)’을 개발했다. 이처럼 혈액 기반으로 미토콘드리아 기능을 평가하는 검사법은 개인의 대사 건강에 대한 유용한 정보를 제공할 뿐만 아니라, 미토콘드리아 검사를 예방 중심의 맞춤형 건강 관리 도구로 보다 널리 활용할 수 있는 길을 열어준다.