1 서론
락토바실러스(Lactobacillus) 그룹은 300여 종의 박테리아를 포함하며 인간, 동물 및 식물의 미생물군집에 널리 존재합니다. 이들은 식품 부패와 낭비를 유발할 수 있지만, 발효 식품 및 동물 사료 생산에 필수적이고 유익한 역할을 할 수도 있습니다. 관련 연구에 따르면 락토바실러스는 상피 세포 및 면역 세포의 반응을 유도하여 숙주 건강에 주로 유익한 영향을 미칩니다.
본 리뷰는 락토바실러스 그룹에 대한 포괄적인 개요를 제공하며, 유전적 다양성, 대사 특성, 스트레스 내성, 숙주 관련 미생물군집 내 분포 패턴, 그리고 발효 식품 및 프로바이오틱스 건강 조절에서의 중요한 가치에 중점을 둡니다.
2 유전적 다양성 및 생태적 변이
락토바실러스목(Lactobacillales)은 약 18억 년 전에 포도상구균 및 간균과 분화되었습니다. 계통유전체학 분석을 통해 락토바실러스과(Lactobacillaceae)는 25개의 분기군(clade)으로 나뉘었습니다(그림 1). 서식지 적응성 관점에서 락토바실러스는 전문화된 종과 일반화된 종으로 분류할 수 있습니다. Lactobacillus iners와 같은 전문화된 종은 게놈이 작고 서식지 범위가 좁은 반면, Lactobacillus brevis와 같은 일반화된 종은 게놈이 더 크며 자유 생활형과 유목형으로 나눌 수 있습니다.
균주 수준에서 산업용 균주는 길들여짐(domestication)을 보입니다. 자연 발효에서 락토바실러스는 주로 원료나 환경에서 농축되며 종 내 차이가 뚜렷합니다. 특정 균주를 공동 배양하면 대사 교환을 통해 성장 상태를 향상시킬 수 있습니다. 또한, 다양한 락토바실러스 속은 각기 다른 특성을 가지고 있습니다. 예를 들어, Lacticaseibacillus 속은 대부분 유목형이며 널리 분포하고, Levilactobacillus 속은 사워도우 발효와 관련이 있으며, Limosilactobacillus 속은 세포외다당류를 생산할 수 있고 주로 척추동물의 소화관에 정착합니다.
그림 1 락토바실러스과 26개 표준 균주의 계통 발생수
3 대사 특성
락토바실러스의 에너지 보존 대사는 주로 동형 발효와 이형 발효의 두 가지 유형으로 나뉩니다. 전자는 포도당을 우선적으로 이용하고 대부분의 당류를 젖산으로 전환하며, 후자는 여러 당류를 동시에 대사하여 젖산, 에탄올 또는 아세트산 및 이산화탄소를 생성할 수 있습니다. 두 가지는 영양 선호도의 차이로 인해 동일한 서식지에 공존할 수 있으며, 산화환원 균형을 유지하는 것이 대사의 핵심입니다. 일부 락토바실러스 종은 헴(heme) 또는 메나퀴논(menaquinone)이 존재할 때 호흡을 수행할 수 있지만, 발효 대사를 우선적으로 채택하며 지수 성장기 후반에만 호흡을 시작합니다(그림 2). 대부분의 균주는 올리고펩타이드 가수분해 능력을 갖추고 있으며, 일부 균주는 세포외 펩티다제를 분비하여 유제품 발효 시나리오에 적합하고 생리 활성 지방산을 합성할 수 있습니다. 영양 요구성(auxotrophy)은 종과 균주 간에 현저한 차이가 있으며, 전체적으로 영양이 풍부한 환경에 의존하는 “이기적인” 대사 특성을 보입니다.
그림 2 락토바실러스의 에너지 보존 대사
4 스트레스 반응 및 방어 기전
락토바실러스는 내생포자를 생성하지 않으며 대부분 통성 혐기성 또는 미호기성 균으로, 최적 성장 온도는 30~45℃이고 내염 범위는 1~14%입니다. 다양한 이화학적 스트레스 중에서 산 스트레스가 가장 흔한 위협입니다. 락토바실러스는 막 변형, 샤페론 단백질 합성 등의 경로를 통해 세포질 pH를 거의 중성으로 유지할 수 있으며, 스트레스 반응은 교차 보호 효과를 나타냅니다. 산 스트레스에 대처하는 메커니즘은 식품 풍미 물질 및 장내 γ-아미노부티르산, L-오르니틴과 같은 활성 물질의 생성을 촉진할 수도 있습니다.
미생물 경쟁 방어 수준에서 락토바실러스 발효 최종 산물인 젖산, 아세트산은 천연 항균 활성을 가지고 있습니다(그림 3). 또한 박테리오신과 같은 항균성 특수 대사산물을 합성할 수 있습니다. 항균 생성물을 암호화하는 생합성 유전자 클러스터의 비율이 다른 미생물보다 높아 서식지에서 경쟁 우위를 확보하는 데 도움이 됩니다.
그림 3 프로바이오틱스, 숙주 관련 미생물군집 및 발효 식품에서 분리된 락토바실러스의 효과물질 화합물
5 숙주 관련 서식지
인체 미생물 생태계에서 락토바실러스는 영아 장내 정착 풍부도가 높지만, 성인 장내에서는 전체 분변 미생물군집의 0.01%만을 차지하며, 성인 장내 락토바실러스 종은 발효 식품의 락토바실러스와 많은 중복이 있습니다. 피부 및 호흡기 미세 환경에서 락토바실러스의 정착 풍부도는 낮으며 이 부위의 핵심 미생물군집이 아닙니다. 호흡기 락토바실러스의 검출률은 상대적으로 높지만, 그 풍부도는 0.3% 미만임에도 불구하고 관련 병원균의 검출과 음의 상관관계를 보입니다(그림 4).
동물 숙주에서 락토바실러스는 여러 동물 장내의 핵심 미생물군집이며, 일부 종은 숙주 특이성을 가지고 다른 일부는 숙주 간 진화 분기군을 형성하며, 그 군집 상태는 동물 건강 수준과 양의 상관관계가 있습니다. 곤충 숙주에서 락토바실러스는 소화관의 핵심 미생물군집으로 숙주의 영양 대사, 행동 패턴 및 발달 과정을 조절할 수 있습니다. 대사를 통해 생성된 젖산은 외부 미생물의 침입을 방어할 뿐만 아니라 종간 영양 교환 관계를 매개할 수 있으며, 동시에 이러한 미생물군집은 식물 표면 매개체를 통해 전파될 수 있습니다. 식물 서식지에서 락토바실러스는 식물 표면에 정착하며 균주 풍부도 차이가 현저합니다. 식물 병원균의 번식을 억제하고 식물 성장 및 발달을 촉진할 수 있으며, 일부 균주는 근권 질소 고정 기능도 갖추고 있습니다.
그림 4 다양한 숙주에서 락토바실러스 종의 다양성
6 식품 발효
락토바실러스는 식품 발효 분야에서 유익하고 유해한 이중 효과를 나타냅니다. 한편으로는 발효 식품 및 사일리지 생산의 핵심 기능 균주로서 산업용 균주는 관련 규제 기관의 안전성 평가 및 인증을 통과했습니다. 다른 한편으로는 일부 락토바실러스 균주가 식품 부패를 유발할 수 있으며 바이오에탄올 생산 공정을 억제할 수도 있습니다. 따라서 산업용 락토바실러스 균주는 항생제 내성과 같은 잠재적 안전 위험에 대한 표적화된 테스트 및 평가가 필요합니다.
식품 발효의 미생물 상호작용 패턴은 다양하며, 요구르트 발효의 상리 공생 및 편해 공생, 김치 및 케피어 발효의 다균 천이, 사워도우 발효의 락토바실러스와 효모 간의 교차 영양 공급 등이 포함됩니다(그림 5). 발효 식품은 유통기한을 연장하고 식인성 질환 위험을 줄이며 독소를 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 장내 미생물 다양성을 높이고 염증 수준을 낮추는 건강 프로바이오틱 효과도 가지고 있습니다.
그림 5 발효 식품에서 락토바실러스와 다른 미생물의 공생 상호작용
7 프로바이오틱스 및 엔지니어링 생균 치료제
현재 주요 균주로는 광범위하게 연구된 Lacticaseibacillus rhamnosus GG(140건 이상의 등록된 임상 시험), Bifidobacterium animalis subsp. lactis BB12 및 복합 제제 VSL#3이 있습니다. 또한 일부 균주는 세균성 질염 치료를 위한 생균 치료제(LBP)로 개발되고 있습니다(표 1).
작용 기전 측면에서 락토바실러스는 숙주 면역, 상피 장벽 기능, 전신 대사 및 장-뇌 장벽을 조절할 수 있습니다. 그 효과물질로는 세포 표면 단백질, 분비형 화합물 및 최근 새롭게 발견된 인돌-3-젖산, 막 소포 등이 있습니다.
표 1 최근(2019~2025년) 락토바실러스 균주를 포함한 프로바이오틱스 임상 시험 메타 분석
8 결론 및 전망
현재 락토바실러스 연구는 주로 Lactiplantibacillus plantarum, Lacticaseibacillus paracasei 등 소수 종에 집중되어 있어 전체 유전 및 대사 범위에 대한 인식은 여전히 제한적입니다. 향후 연구 종의 범위를 더욱 확장하고, 자연 서식지에서 락토바실러스의 상호작용 연구를 심화하며, 발효 분야의 연구 가치를 충분히 발굴하고, 군집 모델을 활용하여 산업 발효를 최적화하며, 새로운 식물 기반 발효 식품을 개발하고, 프로바이오틱스 균주 스크리닝 및 정착 전략 설계를 위한 이론적 지원을 제공해야 합니다.
작성: Guo Ruiting
검토: Qi Jiaojiao, Zhu Jianfeng
카피라이팅: Yang Xiaomei
