장내미생물대사

장내미생물군집은 수백에서 수천 종에 이르는 다양한 세균, 고균, 진균, 바이러스로 구성된다. 이 중 세균이 가장 풍부하고 잘 연구되어 있다. 주요 세균 문으로는 Firmicutes, Bacteroidetes, Actinobacteria, Proteobacteria 등이 있다. Firmicutes 문은 Clostridium 속, Lactobacillus 속, Enterococcus 속, Ruminococcus 속 등을 포함하며, 복잡한 탄수화물을 발효하는 데 중요한 역할을 한다. Bacteroidetes 문은 Bacteroides 속이 대표적이며, 다당류와 단백질 분해에 능숙하다.

Actinobacteria 문에는 Bifidobacterium 속이 포함되며, 이는 유아기 장내 균총에서 특히 우세한 유익균으로 알려져 있다. Proteobacteria 문에는 Escherichia coli와 같은 그람 음성균이 포함되며, 건강한 개체에서는 낮은 비율로 존재하지만 특정 조건에서 과증식할 수 있다. 이 외에도 고균 중에는 메탄생성균이 있으며, 이는 수소를 이용하여 메탄을 생성한다.

각 균문과 균주는 서로 다른 기질 선호도와 대사 능력을 가지고 있어 전체적인 장내 대사 환경을 형성한다. 예를 들어, Bacteroidetes는 식이성 섬유소를 분해하는 데 특화된 반면, 일부 Firmicutes는 내인성 점액층의 당단백질을 활용할 수 있다. 이러한 분업과 상호작용이 장내미생물대사의 복잡성을 결정짓는다.

개인의 장내미생물군집 구성은 유전자형보다 환경 요인의 영향을 더 크게 받으며, 이로 인해 현저한 개인별 차이를 보인다. 주요 영향 요인으로는 출생 방식(질식 분만 vs 제왕절개), 영유아기 수유 방법(모유 vs 분유), 연령, 지리적 위치, 생활 습관 등이 있다. 특히 생후 초기 3년 동안의 환경은 장내 미생물의 안정적인 구조를 형성하는 데 결정적인 역할을 한다[2].

성인기의 장내 미생물 다양성과 구성은 주로 식이 패턴에 의해 좌우된다. 예를 들어, 식이섬유가 풍부한 식단은 단쇄지방산을 생성하는 파이로박테리움과 같은 세균의 증식을 촉진한다. 반면, 고지방·고단백 식단은 담즙산 내성을 가진 세균의 비율을 높일 수 있다. 다음 표는 주요 영향 요인과 그에 따른 미생물 군집 변화의 예를 보여준다.

이외에도 지속적인 항생제 사용, 스트레스 수준, 운동량, 약물 복용 여부, 그리고 동거인의 존재까지도 개인의 장내 미생물 생태계를 변화시키는 요인으로 작용한다. 이러한 복합적인 요인들이 상호작용하여 각 개인에게 고유한 '미생물 지문'을 형성하며, 이는 대사체 프로필과 건강 상태에 직접적인 영향을 미친다.

장내미생물군집의 가장 중요한 대사 활동 중 하나는 인간이 소화하지 못하는 식이섬유를 포함한 복잡한 탄수화물을 발효시키는 것이다. 인간의 소화 효소는 이러한 성분을 분해할 수 없어 대장까지 도달하게 되며, 여기에 서식하는 박테로이데스문, 피르미쿠테스문, 악티노박테리아문 등의 세균들이 이를 주요 에너지원으로 활용한다.

이 발효 과정의 주요 최종 생성물은 단쇄지방산이다. 가장 대표적인 단쇄지방산은 아세트산, 프로피온산, 부티르산이며, 그 비율은 섭취한 기질과 관여하는 세균 종에 따라 달라진다.

생성된 단쇄지방산은 대장 상피 세포에 의해 흡수되어 다양한 생리적 역할을 수행한다. 아세트산은 말초 조직으로 이동해 에너지원으로 사용되거나 콜레스테롤 합성의 전구체가 된다. 프로피온산은 간에서 포도당 신생합성의 기질로 이용된다. 부티르산은 대장 상피 세포의 주요 에너지원으로 작용하여 상피 장벽 기능을 유지하고, 염증을 억제하며, 세포 성장과 분화를 조절하는 데 중요한 역할을 한다[3].

장내미생물은 숙주의 소화 효소로 완전히 분해되지 않은 단백질 잔여물과 아미노산을 대사한다. 이 과정은 주로 대장에서 일어나며, 미생물의 단백질 분해 효소와 탈아미노 효소에 의해 촉진된다. 단백질 발효는 탄수화물 발효보다 일반적으로 덜 선호되며, 탄수화물 공급이 부족한 상황에서 더 활발해진다.

단백질 분해의 주요 대사산물로는 암모니아, 아민류, 페놀류, 인돌류, 그리고 황화수소가 있다. 예를 들어, 방향족 아미노산인 트립토판은 인돌과 스카톨로 전환될 수 있으며, 티로신은 페놀과 p-크레졸을 생성한다. 이러한 화합물들은 대부분 장내 pH에 영향을 미치고, 상피 세포에 독성을 가질 수 있으며, 일부는 혈류로 흡수되어 간에서 추가적인 대사를 거쳐야 한다[4].

이러한 대사 활동은 숙주 건강에 양날의 검 역할을 한다. 한편으로는 유해한 물질을 생성할 수 있지만, 다른 한편으로 장내미생물은 특정 아미노산을 필수 영양소로 전환하거나, 숙주의 대사에 유익한 물질을 합성하기도 한다. 예를 들어, 일부 균주는 글루탐산으로부터 감마-아미노뷰티르산(GABA)을 생산할 수 있다. 장내미생물의 단백질 대사 균형은 식이 조성, 특히 탄수화물 대 단백질의 비율에 크게 의존한다.

장내미생물군은 지질 대사에 깊숙이 관여하며, 특히 식이성 지방의 분해와 흡수, 그리고 담즙산의 대사 순환에 중요한 역할을 한다. 이 과정은 숙주의 에너지 균형과 대사 건강에 직접적인 영향을 미친다.

장내 세균은 숙주의 소화 효소가 분해하지 못하는 복잡한 지방을 분해하는 효소를 생산할 수 있다. 예를 들어, 일부 세균은 포스포리파아제와 같은 효소를 통해 인지질을 가수분해한다. 또한, 장내미생물은 담즙산의 화학적 구조를 변형시키는 데 핵심적이다. 간에서 생성된 일차 담즙산은 장내로 분비된 후, 세균에 의해 탈접합, 탈수산화, 탈수소화 등의 반응을 거쳐 이차 담즙산으로 전환된다. 이 변환 과정은 담즙산의 수용성과 독성을 변화시켜, 지방의 유화 및 흡수 효율을 조절하고 장내 환경에 영향을 준다.

이러한 대사 활동의 결과는 숙주 건강에 양날의 검과 같다. 생성된 이차 담즙산은 지용성 비타민의 흡수를 돕지만, 일부는 세포 독성을 가지거나 대장암 발생 위험을 높일 수 있다[5]. 또한, 장내미생물에 의한 지방산의 변형은 염증 매개체 생산에 영향을 주어, 대사 증후군 및 심혈관 건강과 연관된다. 따라서 장내미생물의 지방 및 담즙산 대사 경로는 비만, 당뇨, 지방간 질환 등의 대사질환을 이해하고 새로운 치료 표적을 발견하는 데 중요한 열쇠가 된다.

장내미생물군집은 숙주의 식이로부터 직접 획득하기 어려운 여러 비타민과 미량영양소를 합성하는 중요한 역할을 담당한다. 특히 비타민 K와 비타민 B군의 일부는 장내 세균에 의한 합성이 주요 공급원이 된다. 비타민 K는 혈액 응고에 필수적인데, 그 중 비타민 K2(메나퀴논)는 유산균과 같은 장내 세균에 의해 대량 생산된다. 비타민 B군에서는 비타민 B12(코발라민), 비타민 B9(엽산), 비타민 B7(비오틴), 비타민 B6(피리독신), 비타민 B5(판토텐산) 등이 장내에서 합성된다는 연구 결과가 있다[6].

이러한 합성 활동의 효율과 생산량은 장내미생물의 구성과 다양성, 숙주의 식이 섭취 패턴에 크게 의존한다. 균주별로 합성 능력이 다르기 때문에 개인의 장내 균총 프로필에 따라 이용 가능한 비타민의 양이 달라질 수 있다. 또한, 장내에서 합성된 비타민의 상당 부분은 대장 점막 세포에 직접적으로 이용되거나, 흡수되어 전신 순환으로 들어간다. 예를 들어, 대장 상피 세포는 장내 세균이 생산한 단쇄지방산과 비타민 B군을 에너지원 및 대사 보조 인자로 활용한다.

다만, 모든 비타민 합성이 흡수되어 숙주에게 유익한 것은 아니다. 일부 비타민은 특정 세균의 성장을 위해 다른 세균에 의해 소비되기도 한다. 또한, 합성 위치가 주로 대장인 점을 고려할 때, 소장에서 주로 흡수되는 비타민 B12와 같은 영양소의 경우, 장내 합성분이 실제 숙주의 영양 상태에 기여하는 정도는 제한적일 수 있다. 이는 장내미생물 대사 연구의 복잡성을 보여주는 한 예이다.

단쇄지방산(SCFA)은 장내미생물이 식이성 섬유소를 발효시켜 생성하는 주요 대사산물이다. 주요 구성 성분으로는 아세트산, 프로피온산, 부티르산이 있으며, 이들은 각각 독특한 생리적 기능을 수행한다. SCFA는 생성된 결장에서 빠르게 흡수되어, 장 상피세포의 주요 에너지원으로 사용되거나 문맥을 통해 간 및 전신 순환으로 이동한다.

SCFA의 가장 중요한 역할은 장관 건강을 유지하는 것이다. 특히 부티르산은 결장 상피세포의 선호 에너지원으로, 상피세포의 증식과 분화를 촉진하고 세포 간 접합을 강화하여 장벽 기능을 유지한다. 또한 염증을 억제하는 효과가 있어, 염증성 장질환의 예방 및 관리에 중요한 물질로 여겨진다. 아세트산과 프로피온산은 간으로 이동하여 당신생합성과 지질대사 조절에 관여한다.

전신적으로 SCFA는 대사 건강에 광범위한 영향을 미친다. 이들은 지방세포와 간세포에서 에너지 대사 관련 유전자 발현을 조절하고, 인슐린 감수성을 개선하는 데 기여한다. 또한 면역계 조절에도 관여하여, 조절 T 세포의 분화를 유도하고 전신적인 염증 반응을 감소시키는 역할을 한다. 일부 SCFA는 혈액-뇌 장벽을 통과하여 중추신경계에 영향을 미쳐 식욕 조절에 관여할 수 있다는 연구 결과도 있다[8].

SCFA의 생성량과 구성 비율은 섭취하는 식이섬유의 종류와 장내미생물총의 구성에 따라 크게 달라진다. 따라서 식이를 통한 SCFA 생산 조절은 대사증후군, 제2형 당뇨병, 비만과 같은 질환의 새로운 예방 및 치료 전략으로 주목받고 있다.

장내미생물이 생성하는 대사산물들은 대사체라는 총체적인 개념으로 연구된다. 대사체는 특정 생물학적 시스템 내에 존재하는 모든 소분자 대사물질의 집합을 의미한다. 장내미생물 대사체는 숙주의 대사체와 밀접하게 상호작용하며, 이를 통해 숙주의 생리와 건강 상태에 광범위한 영향을 미친다.

이러한 대사산물들은 중요한 신호전달 분자로 작용한다. 예를 들어, 단쇄지방산 중 하나인 뷰티르산은 히스톤 탈아세틸화 효소 억제제 역할을 하여 숙주 유전자 발현을 조절한다. 또한, 장내미생물에 의해 변형된 담즙산은 FXR 수용체 및 TGR5 수용체와 같은 핵 수용체를 활성화시켜 글루코스 대사와 에너지 항상성을 조절하는 신호 경로를 촉발한다.

이러한 신호전달 과정의 교란은 다양한 질병과 연관된다. 장내미생물 대사체의 불균형은 인슐린 저항성, 대사 증후군, 염증성 장질환 및 우울증과 같은 질환의 발병 기전에 관여하는 것으로 알려져 있다[9]. 따라서, 장내미생물 대사체와 숙주 신호전달 경로 간의 상호작용을 이해하는 것은 새로운 치료 표적을 발견하는 데 핵심적이다.

장내미생물군집의 대사 활동은 비만 및 제2형 당뇨병과 같은 대사질환의 발병과 진행에 중요한 역할을 한다. 장내미생물은 숙주가 소화하지 못하는 식이섬유를 발효하여 단쇄지방산을 생성하는데, 특히 프로피온산과 뷰티르산은 장세포 에너지원으로 사용되며 간에서의 당신생합성을 억제하고 포만감 호르몬 분비를 촉진하여 체중 조절에 기여한다. 반면, 장내미생물 구성의 불균형, 즉 장내미생물총 불균형은 대사 기능을 저해할 수 있다. 고지방 식이를 장기간 섭취하면 Firmicutes 문의 비율이 증가하고 Bacteroidetes 문의 비율이 감소하는 경향이 관찰되며, 이는 음식물로부터의 에너지 추출 효율을 높여 비만을 유발할 수 있다.

장내미생물은 인슐린 저항성 발생에도 관여한다. 장벽 기능이 손상되면 내독소와 같은 미생물 유래 물질이 혈류로 유입되어 전신적인 저등급 염증을 유발한다. 이 염증은 지방조직과 근육, 간에서의 인슐린 신호 전달을 방해하여 당뇨병 발병 위험을 높인다. 또한, 장내미생물에 의한 담즙산 대사 변화도 인슐린 감수성 조절에 영향을 미친다. 일부 담즙산은 FXR 수용체 및 TGR5 수용체를 활성화하여 포도당 대사와 에너지 소비를 개선하는 경로를 촉진한다.

연구에 따르면, 비만 개인의 장내미생물을 무균 쥐에 이식하면 수신체 쥐의 체중이 증가하고 혈당 조절 능력이 악화되는 현상이 확인되었다[11]. 이는 장내미생물군집 자체가 대사질환의 원인 인자로 작용할 수 있음을 시사한다. 따라서 장내미생물의 구성과 기능을 표적으로 하는 새로운 치료 전략, 예를 들어 특정 프로바이오틱스 균주나 프리바이오틱스의 활용, 그리고 분변미생물총 이식 등이 대사질환 관리의 가능성으로 연구되고 있다.

장내미생물의 대사 활동은 장관 점막의 건강과 염증성 장질환의 발병 및 진행에 깊이 관여한다. 장내미생물이 식이섬유를 발효하여 생성하는 주요 대사산물인 단쇄지방산은 장 건강을 유지하는 핵심 물질이다. 특히 낙산염은 대장 상피세포의 주요 에너지원으로 작용하여 점막 장벽의 무결성을 강화하고, 점액 분비를 촉진하며, 항염증 효과를 나타낸다[12]. 이로 인해 장내미생물 균총의 불균형(균총쇠락)으로 낙산염 등의 SCFA 생산이 감소하면 장 점막 장벽 기능이 약화되고 만성 염증이 유발될 위험이 높아진다.

크론병과 궤양성 대장염을 포함한 염증성 장질환 환자에서는 건강한 개인에 비해 장내미생물의 다양성이 감소하고, 특정 균주의 구성이 변화하는 것이 관찰된다. 예를 들어, 낙산 생성 균주인 *Faecalibacterium prausnitzii*의 상대적 비율이 감소하는 반면, 프로테오박테리아 문에 속하는 일부 그람 음성균의 비율이 증가하는 경향을 보인다. 이러한 균총의 변화는 유해 대사산물의 증가와 유익 대사산물의 감소를 동반하며, 결과적으로 장내 면역 체계의 과도한 활성화를 초래하여 질병을 악화시키는 악순환을 만든다.

장내미생물의 단백질 발효 대사 또한 장관 건강에 중요한 영향을 미친다. 소화되지 않은 단백질이 대장에 도달하면 장내미생물에 의해 암모니아, 페놀, 인돌 등의 물질로 분해된다. 이러한 대사산물들은 높은 농도에서 장 상피세포에 독성을 나타낼 수 있으며, 장 점막의 투과성을 증가시키고 염증 반응을 촉진하는 것으로 알려져 있다. 따라서 장내미생물의 탄수화물 대사와 단백질 대사 간의 균형은 건강한 장 환경을 조성하는 데 결정적이다.

현재 염증성 장질환의 치료 및 관리 전략으로 장내미생물의 대사 기능을 표적으로 하는 접근법이 연구되고 있다. 프리바이오틱스를 통한 유익균의 선택적 성장 촉진, 특정 프로바이오틱스 균주의 투여, 또는 낙산염과 같은 대사산물을 직접 공급하는 방법 등이 실험적 및 임상적으로 평가받고 있다. 이러한 개입들은 병원성 균주의 생장을 억제하고, 장 점막 장벽을 회복시키며, 과도한 면역 반응을 조절함으로써 질병의 활동성을 완화시키는 것을 목표로 한다.

장내미생물군집은 숙주의 선천면역과 적응면역 체계를 형성하고 조절하는 데 핵심적인 역할을 한다. 장내미생물이 생성하는 단쇄지방산과 같은 대사산물은 장관 점막에 존재하는 항원제시세포와 조절 T 세포의 분화 및 기능을 직접적으로 영향을 미친다[13]. 이는 장관 내 병원체에 대한 과도한 염증 반응을 억제하고 면역 관용을 유지하는 데 기여한다.

특히, 장내미생물군집의 구성과 다양성은 알레르기 및 아토피 질환의 발생과 밀접한 연관이 있다. 초기 생활에 정상적인 장내미생물 군집이 형성되지 않으면 면역 체계의 발달이 편향되어 알레르기 반응이 촉진될 수 있다. 특정 균주, 예를 들어 클로스트리디움 강의 일부 균종은 조절 T 세포를 유도하여 알레르기성 염증을 완화시키는 것으로 알려져 있다.

장내미생물과 면역 체계 간의 상호작용 메커니즘은 다음과 같이 요약할 수 있다.

이러한 균형이 깨지면, 즉 균총 불균형이 발생하면 면역 조절 기능에 장애가 생겨 염증성 장질환, 식품 알레르기, 천식 등의 자가면역 및 알레르기 질환의 위험이 증가한다. 따라서 장내미생물군집을 표적으로 한 프로바이오틱스나 프리바이오틱스와 같은 개입은 알레르기 질환의 예방 및 관리에 대한 새로운 치료 전략으로 연구되고 있다.

대사체학은 생물학적 시스템 내에 존재하는 모든 저분자량 대사산물의 포괄적인 분석을 목표로 하는 학문 분야이다. 장내미생물대사 연구에서 대사체학은 숙주의 체액(혈액, 소변)이나 대변 속에서 장내미생물이 생성하거나 변형한 대사체의 프로파일을 분석하는 핵심 도구로 활용된다. 이를 통해 특정 미생물 군집의 기능적 활동을 간접적으로 평가하고, 미생물-숙주 상호작용의 분자적 기초를 규명할 수 있다.

분석은 일반적으로 질량분석기나 핵자기공명 분광법과 같은 고감도 분석 장비를 사용하여 수행된다. 연구자들은 대변 대사체를 분석하여 장내에서 직접 발생하는 발효 및 대사 활동의 산물을 확인하거나, 혈장 대사체를 분석하여 장벽을 통과해 전신 순환계에 영향을 미치는 미생물 유래 분자를 탐지한다. 주요 분석 대상에는 단쇄지방산, 담즙산 유도체, 트립토판 대사체, 폴리아민 등이 포함된다.

대사체학 데이터는 종종 마이크로바이옴의 유전자 또는 군집 구성 데이터와 통합되어 다중오믹스 접근법을 형성한다. 이 통합 분석을 통해 특정 미생물 유전자나 균주의 존재와 특정 대사체의 농도 사이의 인과 관계를 추론하는 데 도움을 준다. 예를 들어, 특정 박테리아의 풍부도와 혈중 특정 지질 유도체의 수준 간의 상관관계를 발견할 수 있다.

이 방법론의 적용은 다양한 건강 상태에서 장내미생물의 기능적 변화를 이해하는 데 기여한다. 대사증후군, 염증성 장질환, 자폐 스펙트럼 장애와 같은 질환에서 특징적인 대사체 지문이 발견되며, 이는 새로운 생체표지자 개발과 질병 기전 연구로 이어진다. 또한, 식이, 프로바이오틱스, 약물 등이 장내미생물 대사에 미치는 영향을 평가하는 데 필수적인 수단이다.

무균 쥐 모델은 장내미생물이 숙주의 생리와 질병에 미치는 영향을 규명하는 데 필수적인 실험 도구이다. 이 모델은 완전히 무균 상태로 사육되어 장내에 어떠한 미생물도 존재하지 않는 쥐를 사용한다. 연구자들은 이러한 무균 쥐에 특정 균주나 균군을 의도적으로 이식하여, 해당 미생물만이 존재하는 환경에서 그 효과를 정밀하게 관찰할 수 있다. 이를 통해 복잡한 장내미생물총 전체의 효과가 아닌, 특정 미생물의 인과 관계를 입증하는 데 결정적인 증거를 제공한다.

이 모델의 주요 응용 분야는 장내미생물대사와 대사질환의 연관성 연구이다. 예를 들어, 비만 개체의 장내미생물을 무균 쥐에 이식했을 때 수신체 쥐에서도 체중 증가와 인슐린 저항성이 유발된다는 실험은 장내미생물이 비만의 원인이 될 수 있음을 직접 보여주었다[14]. 반대로, 건강한 개체의 미생물총 이식을 통해 대사 이상이 개선되는지 여부도 검증할 수 있다.

무균 쥐 모델은 또한 미생물 대사산물의 기능을 연구하는 데 널리 활용된다. 무균 쥐는 정상 쥐에 비해 단쇄지방산 농도가 현저히 낮은 것이 특징이다. 연구자들은 무균 쥐에 부티르산이나 프로피온산 같은 특정 단쇄지방산을 투여하거나, 해당 산을 생성하는 균주를 이식하여 이 물질들이 장관 장벽 기능, 면역 반응, 또는 간 대사에 미치는 독립적인 영향을 평가한다.

아래 표는 무균 쥐 모델의 주요 연구 유형과 그 예시를 정리한 것이다.

이 모델은 강력한 도구이지만, 인간과 쥐의 생리적 차이, 무균 상태 자체가 면역 체계 발달에 미치는 영향 등 한계점도 존재한다. 따라서 무균 쥐 모델에서 얻은 결과는 인간 대상 연구나 다른 실험 모델과의 연계를 통해 해석되어야 한다.

프리바이오틱스는 인체가 소화하지 못하지만 장내 유익균의 선택적 성장과 활성을 촉진하는 식이 성분이다. 주요 예로는 이눌린, 프락토올리고당(FOS), 갈락토올리고당(GOS)과 같은 특정 식이섬유가 포함된다. 이 성분들은 대장에 도달하여 비피도박테리움이나 락토바실러스와 같은 유익균의 영양원으로 작용한다. 프로바이오틱스는 적정량을 섭취했을 때 숙주의 건강에 유익한 효과를 주는 살아있는 미생물이다. 일반적으로 락토바실러스와 비피도박테리움 속의 균주가 포함되며, 요구르트, 발효유, 김치와 같은 발효식품이나 보충제 형태로 공급된다.

프리바이오틱스와 프로바이오틱스는 장내미생물대사를 조절하는 상호보완적인 전략으로 작용한다. 프리바이오틱스는 유익균의 먹이를 제공하여 그들의 수를 늘리고 대사 활동을 증가시킨다. 이는 특히 단쇄지방산(SCFA) 중 하나인 부티르산의 생성을 촉진하여 장 상피세포의 에너지원으로 사용되게 한다. 프로바이오틱스는 직접적으로 장내 환경에 유익균을 공급하여 균총 구성을 일시적으로 변화시키고, 병원균과의 부착 경쟁을 유도하며, 항균 물질을 생산한다. 두 접근법을 결합한 것을 신바이오틱스라고 부르기도 한다.

이러한 개입의 효과는 균주의 특이성과 개인의 기존 장내미생물군집에 크게 의존한다. 모든 프로바이오틱스 균주가 동일한 효과를 가지는 것은 아니며, 특정 건강 상태(예: 과민성대장증후군, 항생제 관련 설사)에 대한 효과가 과학적으로 더 잘 입증된 경우도 있다. 프리바이오틱스의 경우에도 특정 섬유 유형이 특정 균주의 성장만을 선택적으로 자극한다. 따라서 장내미생물대사를 표적으로 한 영양적 개입은 일반화하기보다는 개인 맞춤형 접근이 필요하다는 점이 강조된다.

식이 패턴은 장내미생물총의 구성과 대사 활동에 가장 강력한 영향을 미치는 환경 요인 중 하나이다. 장기간의 식습관은 특정 균주의 풍부도를 결정하며, 이는 다양한 대사산물의 생산량에 직접적인 영향을 준다.

서양식 패턴(고지방, 고정제당, 저섬유질)은 박테로이데테스 문 내 프로테오박테리아와 같은 균주의 상대적 증가와 단쇄지방산 생산 감소와 연관된다. 이는 장벽 기능 약화와 대사내독소혈증 같은 상태를 유발할 수 있다. 반면, 식이섬유가 풍부한 식단(예: 지중해식 식단, 채식)은 단쇄지방산 생산을 촉진하는 파이믹로비오타와 박테로이데테스 문의 균주를 증식시킨다. 특히, 다양한 프리바이오틱스 섬유(이눌린, 프룩토올리고당 등)는 비피도박테리움과 같은 유익균의 선택적 성장을 지원한다.

식사 시간과 빈도 또한 중요한 변수이다. 불규칙한 식사 패턴과 야간 식사는 미생물의 일주기 리듬을 교란시킬 수 있다. 반면, 간헐적 단식이나 시간 제한 식사는 미생물총 구성과 대사 기능에 유익한 변화를 일으키는 것으로 보고된다. 이러한 변화는 숙주의 대사 건강 개선과 연결된다. 궁극적으로, 식이 패턴을 통한 장내미생물 조절은 대사증후군, 심혈관질환, 염증성 장질환 등 다양한 질환의 예방 및 관리 전략으로 주목받고 있다.

장내미생물대사를 표적으로 한 치료법 개발은 마이크로바이옴 연구의 핵심 응용 분야로, 특정 대사 경로나 균주를 조절하여 질병을 치료하거나 예방하는 것을 목표로 한다. 기존의 광범위한 프로바이오틱스나 프리바이오틱스 접근법을 넘어, 보다 정밀하고 표적화된 전략이 모색되고 있다.

한 주요 접근법은 특정 대사산물의 생산을 증가시키거나 감소시키는 것이다. 예를 들어, 당뇨병이나 비만에서 유익한 단쇄지방산 중 하나인 뷰티레이트의 생산을 촉진하는 균주(예: *Faecalibacterium prausnitzii*)를 선택적으로 증식시키는 프리바이오틱스나, 해당 균주 자체를 정제한 다음세대 프로바이오틱스의 개발이 활발하다. 반대로, 심혈관 질환 위험과 연관된 트리메틸아민-N-옥사이드(TMAO)의 전구체인 트리메틸아민(TMA)을 생성하는 장내균의 효소를 표적으로 하는 저해제 연구도 진행 중이다[16].

다른 전략은 파지 요법이나 정밀 항생제를 이용해 해로운 균주만을 선택적으로 제거하는 것이다. 또한, 건강한 기증자의 장내미생물군집을 환자에게 이식하는 분변미생물이식(FMT)은 *Clostridioides difficile* 감염 치료에서 뚜렷한 효과를 보였으며, 대사질환 등 다른 질환으로의 적용 가능성을 탐색하는 임상 시험이 많다. 최근에는 합성 생물학을 응용해, 특정 질병 환경에서만 치료성 대사산물을 생산하도록 설계된 '살아있는 치료제'인 유전자 조작 균주의 개발도 주목받고 있다.

이러한 표적 치료법의 실현에는 개인의 장내미생물 구성과 대사 능력을 정확히 진단하는 기술, 치료 반응을 예측하는 바이오마커 개발, 그리고 장기적인 안전성과 효능을 입증하는 임상 연구가 필수적이다. 궁극적으로 맞춤형 영양 및 치료로 이어질 수 있는 분야로 평가받는다.