영양 과학의 혁신
머리말
영양 과학은 최적 건강에 있어 오랫동안 잊혀졌던 미개척 분야였습니다. 운동선수의 경기력, 건강한 노화, 퇴행성 질환 및 가장 중요한 것으로 가능한 한 오랫동안 건강을 유지하는 데 영양이 이바지하는 역할이 주목 받게 된 것은 일부 선구자의 경우를 제외하면 상대적으로 최근에 나타난 변화입니다. 영양이 최적 건강에 이바지하는 긍정적인 역할을 더욱 깊이 있게 이해하고, 정밀하게 파악하며 그 기능을 향상하기 위해서는 영양 과학 분야에 중대한 혁신이 필요합니다.
몇 가지 영양 과학 분야에서 혁신이 이루어질 준비가 되어 있습니다. 그러나 영양 과학의 혁신을 논의하기에 앞서, 영양 과학의 현재를 이해하는 데 도움을 줄 수 있도록 영양 과학의 역사를 먼저 간단히 소개하겠습니다.
필수 미량 영양소 및 다량 영양소
필수 영양소란 생명을 유지하기 위해 식사나 건강 기능 식품으로 반드시 섭취해야만 하는 화합물을 의미합니다. 이러한 영양소는 체내에서 생성할 수 없으므로 필수 영양소라고 합니다. 필수 영양소는 일반적으로 1) 필수 다량 영양소 및 2) 필수 미량 영양소 두 가지로 나누어집니다.
다량 영양소는 많은 양(일반적으로 1g 이상)이 필요한 영양소를 말합니다. 이러한 영양소는 세포가 1) 신체를 구성하는 기본 구조를 형성하고 2) 에너지 생성을 위해 지방, 단백질 및 탄수화물을 소비하는 데 필요한 원료 역할을 합니다.
필수 미량 영양소는 신체에 꼭 필요하나 적은 양(일반적으로 1g 미만)으로 충분한 미네랄 및 비타민을 말합니다. 특정 미네랄, 예를 들어, 칼슘과 같은 미네랄은 인체에서 많은 양을 필요로 하므로 다량 영양소로 간주할 수도 있습니다. 그러나 칼슘과 기타 미네랄은 에너지를 생성하는 데 이용될 수 없으므로, 이러한 영양소 대부분은 통틀어 “미량 영양소”로 분류됩니다. 요약하면, 필수 미네랄은 우리 몸이 생명을 유지하는 데 필요한 무기물이며 필수 비타민은 생명 유지에 필수적인 유기 화합물입니다.
생명 유지를 위해서는 음식(다량 영양소)을 반드시 섭취해야 한다는 것은 누구나 알고 있는 사실입니다. 또한, 고대 의사들의 영향으로 뼈를 구성하는 미네랄의 중요성도 잘 알려져 있습니다. 그러나 필수 비타민이 건강에 이바지하는 역할은 오랫동안 비밀에 쌓여 있었습니다. 필수 비타민은 21세기에 와서야 크게 주목 받기 시작했습니다. 따라서 이번 영양 과학의 역사에서는 비타민의 역사에 중점을 두고자 합니다.
필수 비타민의 발견
발견 당시 그것이 어떤 물질인지 이해하지 못한 것으로 알려져 있으나, 비타민을 발견한 것은 초기 해상 탐험가들로 여겨지고 있습니다. 긴 항해를 계속하는 동안 선원들은 거의 전적으로 건조 식품과 생선만 섭취하였고, 신선한 과일이나 채소는 거의 섭취할 수 없습니다. 이러한 식습관으로 인해 선원들은 비타민 C 결핍 및 괴혈병에 걸릴 위험이 높았습니다. 항해를 시작한지 최소 10-12주 이내에 심각한 괴혈병 증상(쇠약, 치아 소실, 점상출혈, 과도한 멍 등)이 나타났을 것입니다. 이것은 영양 결핍으로 인해 발생한 질병이 최초로 관찰 및 기록된 것이라고 할 수 있습니다. 그러나 선원들이 육지에 도착하여 “신 맛이 나는 과일”을 섭취하기 시작하자마자, 그들의 증상은 1-2주만에 사라지곤 했습니다. 이를 처음으로 인지한 영국 해군은 선원의 하루 식량 배급에 감귤류 주스(주로 레몬 또는 라임 주스)를 포함시켰고 그 결과 선원들의 질병을 거의 완치할 수 있었습니다. 괴혈병이 완화되는 정확한 이유와 구체적인 화합물은 거의 백 년 후에 헝가리 연구원 알베르트 스젠트 기요르기(Albert Szent-Györgyi)가 비타민 C를 발견하게 된 1930년 초까지 알려지지 않았습니다.
현대 과학 및 의학적 관점에서 보면 괴혈병이 초기 탐험가들에게 얼마나 무서운 질병이었는지 설명할 수 있습니다. 사람은 비타민 C를 스스로 합성하지 못하는 동물에 속하나 하루에 필요한 섭취량은 상대적으로 높습니다. 또한, 인체는 이 영양소를 재활용하는 능력이 부족하므로 우리 몸에서 가장 먼저 결핍이 올 수 있는 영양소가 비타민 C였던 것입니다. 따라서 괴혈병은 확연한 증상으로 인해 초기에 발견될 수 있었던 영양 결핍에 의한 질병이었던 것입니다.
유럽인의 아시아, 카리브해 및 태평양 제도 식민지화가 한창이던 1800년대에는 영양 결핍으로 인한 다른 많은 질병들이 관찰되기 시작하였습니다. 그러나 영양 결핍으로 인한 질병을 예방하는 데 영양소가 하는 역할이 명확하게 밝혀진 것은 유럽의 다양한 의사들의 연구 결과가 종합된 후였습니다. 기본적으로 선원, 군인, 죄수 및 농장의 동물들은 같은 종류의 한정된 음식물을 제한적으로 섭취할 수 밖에 없었으므로 이들은 “질병”에 걸릴 위험이 높았습니다. 그러나 그러한 질병의 정확한 원인을 밝히는 것은 매우 어려운 작업으로 판명되었습니다. 필수 비타민의 발견에 더욱 박차를 가한 것은 시대 흐름이었습니다. 영양 결핍으로 인한 질병에 관한 연구는 모든 질병이 미생물에 의해 발생한다고 생각했던 “파스퇴르 혁명(Pasteurian revolution)” 또는 “세균 이론”이 절정이던 상황에서 이루어졌습니다. 이러한 생각은 많은 연구자들의 실험을 막다른 길로 빠지게 한 계기가 되기도 하였습니다.
1890년대에 들어서야 닭을 치료하던 네덜란드 의사는 “현미” 또는 “백미”를 먹이로 주었을 때, 닭이 각기병으로 알려진 “신경계 질환”에 걸리는 확률이 달라지는 것을 발견하게 됩니다. 이러한 발견은 궁극적으로 “음식물의 구성”이 건강이나 질병의 원인이 될 수 있다는 개념으로 발전하는 계기가 됩니다. 이것은 1900년대에 들어 과학적 혁명의 불씨가 되었고, 이러한 발전은 1941년, 마지막으로 발견된 필수 비타민인 엽산의 특징이 설명될 때까지 이어졌습니다.
식생활 지침의 제정
전 세계에서 전쟁이 벌어졌고 경제 불황이 지속되어 식품 배급과 굶주림이 만연했던 제2차 세계 대전 동안, 미국 정부는 식생활 지침을 설정할 필요가 있다고 판단했습니다. 전쟁에서 우세를 차지할 것을 의심하지 않았던 미 국방부 자문 위원회는 국방에 대한 영양소의 역할을 조사하기 위한 미국 국립 연구소의 설립을 미국 국립 과학 아카데미에 명령했습니다. 이 기관 설립의 목적은 건강한 전사 및 민간인을 양성하고 구제 작업에 도움을 주기 위한 것이었습니다. 1941년, 최초의 일일 권장량(RDA)이 발표되었습니다. 이러한 식생활 지침은 미국에서 처음으로 설정되었으나, 전 세계 많은 국가들도 이러한 지침을 그대로 채택하거나 수정하여 제정하였습니다. RDA(또는 현재 폭넓게 사용되는 영양소 섭취 기준)는 평균 5-10년을 주기로 갱신되고 있습니다. 이러한 영양소 섭취 기준은 처음으로 기준이 제정된 이래 아주 많이 달라지지는 않았습니다.
영영 결핍으로 인한 질병 예방을 위한 정부 규정 및 최적 건강
필수 비타민이 발견된 것과 정부 식생활 지침이 제정된 것의 공통 분모는 “영양 결핍으로 인한 질병을 예방하고 기타 영양 실조 증상을 기록”하는 것이었습니다. 따라서 정부 규정 지침 및 권장 사항이 “최적 건강”에 대한 처방전으로 여겨진 적은 없습니다. 궁극적으로 규제 기관이 영양 결핍으로 인한 질병을 줄이기 위한 영양소 “최소 섭취량”을 권장하는 것에서 건강 증진을 위한 영양소 “최적 섭취량”을 권장하는 것으로 방향을 바꾸려면 영양 과학에 중대한 투자 및 새로운 실험적 접근법이 시도되어야 합니다. 일반 대중이 이러한 과학의 혜택을 받기 위해서 연구 결과는 대중이 다가가기 쉽고 이해할 수 있으며 궁극적으로 단순하면서도 개별화된 영양 권장이 이루어질 수 있는 것이어야 합니다. 불가능해 보이는 이러한 목표를 완전히 달성하려면 영양 과학에 중대한 혁신이 이루어져야 합니다.
영양 과학의 혁신
영양 과학 연구 증가
인체와 세포는 내부에서 발생하는 생화학 반응을 통해 작용합니다. 이러한 생화학 반응이 일어나거나 최대한 효율적으로 작용하려면 여러 가지 영양소 및 보조 인자가 균형을 이뤄 최적의 농도와 형태로 제공되어야 합니다. 현재까지 개인이 매일 섭취하도록 노력해야 하는 “최적 수준”의 영양소가 정확하게 어떤 것인지 파악하기 위한 기본적인 영양 연구—예를 들어, 경기력을 최대화하는 데 필요한 최적 수준의 영양소 및 건강하게 나이를 들게 하는 데 필요한 최적 수준의 영양소는 무엇인가? 더욱 중요한 것으로 개인이 가능한 오랫동안 건강을 유지(건강 수명)하기 위해, 매일 섭취해야 하는 최적 수준의 영양소는 얼마인가? —에 대한 연구는 현저히 부족했습니다.
이러한 과학적 문헌의 부재는 두 가지 중요한 요인 때문이라고 할 수 있습니다. 첫째는 정부 기관은 물론 민간 부문 모두에서부터 영양 과학 연구에 대한 자금 지원의 부족을 들 수 있습니다. 많은 주요 정부 기관에서 재정 지원을 하지 않는 이유는 복합적이고 복잡한 원인이 있을 수 있으나 그 이유와 상관없이, 다른 과학 분야와 비교할 때 영양 과학 연구 부문에 대한 자금 지원은 상대적으로 부족한 것이 사실이었습니다. 민간 부문의 경우, 사람을 대상으로 하는 대규모의 장기적인 실험에는 많은 비용이 소요됩니다. 이러한 임상 연구를 시행하려면 매년 수백만 달러를 투자해야 합니다. 그리고 의미 있는 연구 결과를 얻기 위해서는 5, 10, 15, 20년 또는 그 이상 실험을 지속해야 하므로, 아무리 큰 기업이라고 하더라도 수익만으로 연구 기금을 지원하는 것은 거의 불가능합니다.
두 번째, 많은 과학자들은 최근 전통적인 과학적 연구 모델인 “무작위, 플라시보(속임) 대조 시험(RCT)”이 임상적인 영양 연구를 수행하는 데 적절한 방법인지 의문을 가지게 되었습니다. 이러한 RCT는 약품 연구에서 가장 효과적인 방식으로, 그 이유는 연구자들이 실험하는 분자는 인체에서 자연적으로 발견되는 경우가 거의 없기 때문입니다. 대부분 정부는 천연 화합물에 특허를 제공하는 것은 금지하고 있으므로 제약 업계에서 특허 보호를 받는 연구 결과를 이룩하려면 인공적으로 합성된 분자를 개발해야 합니다. 따라서 제약 업계에서는 더욱 직접적이고 원인 및 결과를 쉽게 파악할 수 있는 실험 방식을 선택하게 되었습니다. 잠재적인 신약이 인체에 자연적으로 존재하는지 여부와 이러한 신약이 효과가 있는지 여부만이 중요한 기준인 것이었습니다. 이처럼 단순한 이분법적인 방법은 연구 비용면에서 더욱 효율적이고 직접적인 결론을 도출하기 더욱 쉬운 방법이었습니다.
이러한 접근법은 영양 과학에는 적절하지 않습니다. 유사한 임상 연구가 사람을 대상으로 이루어지면, 사람이 섭취하는 음식으로 인해 인체에는 이미 베이스라인(최소 인체내에서 영양소가 저장되는 기본적인 수준) 수준의 영양소가 존재하게 됩니다. 이러한 문제를 더욱 복잡하게 하는 것은 각자의 고유한 식사 습관에 따라 어떤 사람은 특정 영양소를 더 많이 보유하고 다른 사람은 상대적으로 낮은 수준을 보유할 수 있다는 점입니다. 이러한 사실은 영양 연구를 계획할 때 거의 한 번도 고려된 적이 없습니다.
이러한 점을 고려하면, 영양학적 실험 방식은 더욱 복잡하게 됩니다. 이처럼 다양한 베이스라인은 실험 오차를 크게 합니다. 실험 오차가 높게 되면 특정한 건강 효과를 얻기 위한 영양소 섭취 방법에 대한 직접적인 원인 및 결과에 대한 결론을 도출하는 것이 더욱 어렵게 됩니다. 올바른 실험 디자인과 광범위한 숫자의 실험 대상 및 적절한 통계 분석 방법 없이 제약 업계의 연구 방식을 도입한 영양 연구 결과가 애매한 이유를 이해할 수 있습니다.
실험 디자인 및 결과 분석을 더욱 어렵게 하는 것은 영양소가 단일 생화학/대사 경로에서 단독으로 작용하지 않는다는 점입니다. 우리 세포 내에 있는 모든 대사 경로에는 여러 가지 영양소와 보조 인자가 생화학/대사 반응을 촉진합니다. 따라서 한 가지 대사 경로에 필요한 모든 다른 영양소가 존재하는 환경에서 한 가지 영양소만을 실험적으로 검사하고 건강 향상 효과를 측정한다는 것은 불가능에 가깝다고 할 수 있습니다. 영양 과학 및 생화학/대사 과학에서 활용되는 최선의 실험 방법은 건강 효과를 기대하는 대상에 생화학/대사 경로의 모든 영양소를 실험적으로 제공하는 것입니다. 그러나 이러한 방법은 모든 과학자가 배웠던 수백 년 전통의 “과학적 방식”에 어긋납니다.
과학적 방식은 통제 집단 또는 플라시보(속임) 집단에 대하여 오직 하나의 실험 변수만 변경할 수 있게 합니다. 영양 과학의 경우 모든 영양소가 건강 및 질병에 관계되어 있는 점을 고려하면, 이것은 결함 있는 접근법일 수밖에 없습니다. 적절한 영양 및 생화학/대사 과학 실험 방법에서는 하나의 대사 경로에 알려진 모든 영양소를 실험적으로 제공하여 건강 효과가 있는지 확인하는 것이 필요합니다. 그러나 이러한 접근법은 전통적인 과학적 방식에 어긋날 뿐만 아니라 원인과 결과를 명확하게 분석하는 것까지도 어렵게 합니다. 많은 영양 및 생화학/대사 과학자들은 이러한 문제점을 잘 알고 있었으나, 정부의 연구 지원금 신청 시, 이러한 과학적 방식을 벗어난 실험 디자인은 일반적으로 “형편없는 실험”으로 간주되어 자금 지원 대상에서 제외되어 왔습니다.
요약하면, 영양 과학에서 중대한 혁신이 있으려면, 기본 영양 과학 분야에 르네상스가 필요합니다. 그러기 위해서는 전통적 영양 연구 실험 디자인에 대한 변화가 있어야 합니다. 영양 과학 실험과 관련된 의문에 대답하려면, 새로운 실험 패러다임 또한 개발되어야 합니다. 그리고 이러한 변화를 시도하는 것이 바로 진보적인 영양 및 생화학/대사 과학자들입니다. 이들은 영양 연구에 관한 질문에 대답하기 위하여 전통적인 과학적 방식을 벗어난 새로운 방법론을 모색하고 있습니다. 이러한 과학자들은 가설 및 대상이 정해지지 않은 새로운 방식을 영양 과학에 도입하려는 시도를 하고 있습니다. 이것은 통제 집단에 대하여 다양한 영양소를 동시에 보충하고 수많은 생화학 반응 및 대사 결과를 측정한 다음, 수집한 데이터를 알려진 생화학 및 대사 원칙을 기준으로 재구성하는 방법입니다. 이러한 접근법은 비용이 많이 들고 복잡하며 많은 시간이 요구되는 방법이나, 이를 통해 과학자들은 다양한 영양 보충과 생화학 및 대사 경로에 작용하는 효과 사이의 강력한 관계를 유추할 수 있게 됩니다. 다시 말해, 이러한 접근법에서는 결함이 있을 수 있는 실험 디자인에 따라 미리 예상되었거나 편향된 가설에 무리하게 데이터를 끼워 맞추는 것이 아니라, 수집된 데이터 집합에서 해답을 찾습니다. 이러한 접근법은 영양 과학자들이 미래에 따라해야 할 실험 방식입니다.
궁극적으로 연구 자금 지원의 증가, 기본 영양 연구에 대한 새로운 관심 및 헌신, 개선되고 획기적인 실험 디자인은 영양 과학에 혁신을 이루어낼 것입니다.
조건부 필수 및 비필수 영양소와 보조 인자
조건부 필수 및 비필수 영양소와 보조 인자
생명과 건강을 유지하기 위해서는 필수 영양소가 필요하다는 것은 분명합니다. 그러나 영양 과학의 새로운 관점으로 “조건부 필수” 영양소로 알려진 분야가 점점 큰 주목을 받고 있습니다. 앞서 언급한 것처럼, 마지막으로 알려진 필수 비타민(엽산)은 1941년 발견되었습니다. 피롤로퀴놀린퀴논(PQQ) 및 에르고티오네인 등과 같이 필수 영양소의 가능성이 있는 일부 화합물이 발견되기는 하였으나, 다른 종류의 완전한 필수 비타민을 발견할 가능성은 거의 없습니다. 그러나 증가된 영양 연구의 결과로 필수 비타민과 미네랄을 포함하여 조건부 필수 영양소 및 보조 인자의 특성이 점점 더 자세히 알려질 것입니다.
조건부 필수 영양소 및 보조 인자란 무엇일까요? 영양 결핍으로 인한 질병과 직접적인 연관이 있는 필수 영양소와는 달리, 조건부 필수 영양소와 보조 인자와 영양 결핍 질환과는 직접적인 연관성은 없습니다. 그러나 분명한 질병의 징후는 없으나 대사 기능 및 세포 기능이 손상된 잠복성 영양 결핍과 연관이 있음을 의미합니다.
영양소나 보조 인자는 우리 삶의 다양한 부분에서 조건부 필수 영양소로 작용할 수 있습니다. 예를 들어, 노화에 따라 우리 몸은 젊었을 때 보다 미네랄과 일부 비타민을 효율적으로 흡수하는 기능이 떨어집니다. 또한, 리포산 및 카르니틴과 같은 비필수 영양소와 보조 인자 흡수 능력도 노화에 따라 감소하는 것으로 나타났습니다. 많은 엘리트 운동선수들과 임신이 가능한 연령에 있는 여성들의 경우는 산소 운반 기능을 최대화하고 운동과 태아 양육에서 오는 추가적인 스트레스를 극복하는 데 필요한 철분 및 기타 많은 영양소가 추가로 필요하다는 사실 또한 잘 알려져 있습니다. 또한, 심한 부상을 입었을 때, 비타민 D 수준이 급격히 떨어진다는 것도 알고 있습니다. 그리고 평생 필요한 골량(bone mass)의 대부분은 만 20세 이전에 형성되므로 성인에 비해 어린이들은 체중이 증가할 때마다 뼈 미네랄을 훨씬 더 필요로 합니다.
엄격한 영양학적 정의에 따라 “필수”는 아니지만 표면으로 나타나지 않는 세포, 조직 또는 기관 기능의 손상 원인이 될 수 있는 영양소 및 보조 인자를 더욱 깊이 있게 이해할 필요가 있습니다. 바꾸어 말하면, 영양 보충을 통해 추가적인 건강 혜택을 제공할 수 있는 조건부 필수 영양소와 보조 인자를 이해할 필요가 있습니다. 인생의 단계에 따라 건강 혜택을 제공하는 조건부 필수 영양소와 보조 인자의 섭취량을 더욱 정확히 파악할 수 있도록 이들의 특성을 파악하는 연구를 확대한다면 영양 과학에 거대한 혁신을 가져올 수 있을 것입니다.
개별화된 영양
이론 생물학자들에 따르면, 특정한 상황 및 특정한 시기에 정확히 똑같은 인간이 태어날 확률은 대략 1:400,000,000,000이라고 합니다. 따라서 지구에 400조 인구가 살고 있다고 가정한다면, 자신과 모든 면에서 똑 같은 인물이 존재할 수도 있습니다. 현재 지구의 인구는 70억에 불과하므로, 모든 면에서 정확하게 일치하는 두 사람이 존재할 가능성은 거의 없습니다. 따라서 우리는 모두 개성적이고 독특하며 개별화된 영양 요구를 가지고 있다고 확실하게 말할 수 있습니다.
역사적 관점에서 보자면, 정부 기관은 이처럼 세세한 차이는 고려하지 않았습니다. 다양한 규제 기관에서 발표한 권장 영양 섭취량은 대규모 인구 표본에 기초한 그룹을 기준으로 하여 영양 요구 사항을 일괄적으로 나타낸 것입니다. 예를 들어, 나이, 흡연 여부, 임신 또는 모유 수유 등과 “삶의 단계에 따라 다른 영양 요구 사항이 필요하다는 것에 주목하게 된 것은 비교적 최근에 시작된 변화입니다.
영양 과학에서 의미 있는 혁신을 이루기 위해서는 더욱 소규모의 한정된 집단의 최적 건강을 촉진하는 영양소는 무엇인지, 그리고 궁극적으로는 한 개인의 구체적이고 정확한 영양 요구가 무엇인지 이해하는 것이 무엇보다도 중요합니다.
영양소 세포 및 분자 표적
우리 세포는 세포 신호 경로로 알려진 광범위한 통신 네트워크를 포함하고 있다는 사실은 잘 알려져 있습니다. 이러한 세포 신호 경로는 세포들이 단일 세포 내에서나 인접 세포, 또는 멀리 떨어진 세포에서 발생하는 작용을 서로 소통할 수 있게 하는 역할을 합니다.
이러한 세포 신호 경로의 유일한 목적은 세포, 조직 또는 기관이 환경에 적응 및 대응할 수 있게 하는 것입니다. 이러한 기능은 어떻게 작용할까요? 모든 세포의 표면과 내부에는 “감각 분자”(주로 단백질)라는 것이 존재합니다. 열쇠와 자물쇠처럼, 올바른 분자(열쇠)가 올바른 감각(자물쇠)에 도달하면, 세포 신호 경로가 활성화되어 소통이 시작됩니다. 이것은 도미노와 같은 형태로 발생합니다. 세포 신호 경로는 일단 활성화되면 생물학적 변화가 시작되게 하거나 멈추게 함으로써, 궁극적으로 세포, 조직, 기관 또는 몸 전체의 생리적 반응에 영향을 미칩니다.
특정 영양소는 분자 수준에서 작용하므로 세포 신호 경로를 타겟으로 하여 건강 혜택을 가져올 수 있습니다. 예를 들어, 다크 초콜릿이나 포도 씨에서 발견된 화합물은 심혈관 건강에 도움을 줄 수 있습니다. 카페인은 아드레날린을 모방하여 인지 기능을 높이고 운동선수의 경기력 향상에 도움을 줄 수 있습니다. 식물에서 추출된 특정 영양소(식물 영양소)는 신체 자체의 자연적인 해독 과정을 활성화하고, 다른 식물 영양소는 비스테로이드성 항염증제(NSAIDS)처럼 작용한다는 것 또한 알려져 있습니다. 이러한 효과는 영양소가 분자 수준에서 작용하여 세포 신호 경로를 활성화하기 때문에 발생합니다. 영영 과학자들은 이제 구체적이고 건강 혜택을 가져오며 효율적인 생리 작용을 유도하기 위해서 세포 내에 있는 자연적인 화합물 분자를 표적으로 하는 연구에 몰두하고 있습니다.
건강 혜택을 가져오기 위해 특정한 세포 신호 경로를 목적으로 어떤 영양소를 얼마만큼 보충해야 하는지에 관한 연구는 아직 초기 단계에 있으나 이러한 연구의 혁신이 이루어질 날 또한 멀지 않았습니다.
영양 과학의 “오믹스 혁명(omics revolution)”
현재 과학계에서는 “오믹스 혁명”이라고 불리는 용어가 유행하고 있으며, 특히 이것은 생명 과학에서 큰 주목을 받고 있습니다. 이 용어는 유전체학(genomics: DNA 연구), 프로테오믹스(proteomics: 단백질 및 효소 연구), 미생물학(microbiomics: 몸속에 사는 미생물 연구) 및 대사체학(metabolomics: 대사 연구) 등과 같은 다양한 생물학 분야를 나타내는 영어 접미사에서 유래하였습니다.
이 “오믹스”의 유행은 “시스템 생물학”—모든 개별 시스템이 존재를 형성하기 위해 세포 내에서 어떻게 작용하는지 연구하는 분야—으로 알려진 생물학 개념에 따른 결과입니다. 이 분야에서는DNA를 관찰하고 특정한 건강 이상이 나타날 가능성을 알아보는 것(유전체학)에서부터 우리 세포가 DNA 메시지를 세포 단백질 메커니즘으로 전환하는 방식에 관한 연구(프로테오믹스), 우리 몸에 존재하는 모든 상리 공생 미생물이 환경과 상호작용하는 방식 및 생리학적으로 미치는 영향에 관한 연구(미생물학)에 이르기까지 생물학의 이해를 위해 전산이나 엔지니어링 분야의 접근법을 더욱 적극적으로 활용합니다.
시스템 생물학의 목표는 이러한 시스템들 사이에서의 복잡한 상호작용을 연구하여 복잡한 생물학을 더욱 잘 이해할 수 있도록 하는 것입니다. 시스템 생물학은 환원주의적인 생물학적 접근법을 대체할 목적으로 시도되었으나, 목표를 만족하는 결과를 이루어내지는 못했습니다. 세포 내에서도 많은 시스템이 존재하는 것으로 밝혀졌으므로, 단일 시스템(유전체학, 프로테오믹스, 미생물학 등)만을 연구하는 것은 생물학에 대한 완전한 정보를 제공하지 못할 뿐만 아니라 개별 시스템이 상호작용하는 방식을 밝혀내는 데는 더욱 부족한 접근법이었습니다. 그러나 사람도 생화학 반응 덩어리일 뿐이며, 우리를 존재하게 하는 것은 그러한 생화학 반응 때문이라고 생각한다면, 우리에게 엄청난 지혜를 제공하고 영양 과학의 혁신을 촉진할 수 있는 한 가지 “시스템 생물학” 접근법이 있을 수 있습니다. 그러한 약속의 연구 분야는 대사체학입니다.
대사체학의 약속
앞서 언급했던 것처럼, 대사체학은 우리 몸 전체의 대사를 연구하는 생화학 분야입니다. 대사체학은 전부는 아닐지라도 다양한 생물학 시스템을 고려하는 과학이므로 약속의 분야라고 할 수 있습니다. 계층적으로 설명하자면, 대사체학에서는 우리가 부모로부터 물려받은 DNA, 그러한 DNA를 세포를 위해 유용한 단백질 메커니즘으로 얼마나 효율적으로 전환하는지 여부, 우리 몸의 마이크로바이옴(장내미생물)이 생리학에 얼마나 큰 영향을 미치는지 여부, 그리고 우리가 얼마나 효율적으로 영양소를 흡수하는지, 라이프스타일 및 살고 있는 환경 등과 같이 아직 언급되지 않았던 조건들을 포함한 모든 잠재적인 변수가 하나의 시스템으로써 고려됩니다. 이러한 모든 것들은 직·간접적으로 세포의 생화학 반응에 영향을 미치고 대사체학은 이러한 모든 요인들을 고려하는 과학입니다.
대사체학은 또한 개별 세포의 생화학 반응 과정이 수년 사이에 밝혀졌다는 점에서 약속의 분야라고 할 수 있습니다. 다시 말해, 체내의 모든 대사 경로에 대한 지도—주요 인자 및 경로뿐만 아니라 경미한 영향을 미치는 경로 및 “대사 산물”까지—가 이미 완성되었다는 것입니다. 생화학 반응체, 대사 중간체 및 필요한 모든 효소, 보조 인자, 비타민 및 미네랄 등을 포함하여 이처럼 잘 정의된 세포의 생화학 반응 과정을 보유함으로써 우리는 인체의 대사가 최적 상태로 기능하는지, 또는 혼란을 겪고 있는지 파악할 수 있습니다. 인체 내에서는 한 순간에 수조에 달하는 화학 반응이 동시에 일어나는데, 대사체학을 통해 우리는 대사가 일어나는 순간의 이미지를 분마다, 아니면 초마다 확보할 수 있게 되었습니다.
그러나 이러한 대사체학의 장점이 또한 단점으로 작용합니다. 많은 연구자들은 대사체학에 내재하는 복잡성으로 인해 이 분야에 전적으로 집중할 수 없었습니다. 인체의 “대사체(metabolome)”(대사를 구성하는 모든 물질)에 관한 완전한 정보를 얻기 위해서는 수백 수천 개의 대사 산물을 동시에, 가능한 빈번하게 다양한 변수 아래에서 측정해야만 정확한 데이터를 얻을 수 있습니다. 이러한 전제 조건은 대사체학 접근법을 통한 연구가 기하급수적으로 복잡해질 수 밖에 없게 합니다.
그러나 이 분야의 기술은 급속도로 발전하고 있습니다. 현재는 수만 개의 대사 산물을 실험을 통해 측정할 수 있게 되었고, 그 숫자는 매일 증가하고 있습니다. 이러한 복잡성은 초기의 기본 대사체학 연구 과정에서만 존재합니다. 다양한 생활 조건 아래 대사체에 관한 정확한 정보가 완성되면, 세포가 정확하게 어떻게 기능하는지 알 수 있게 하는 핵심 대사 산물을 구별할 수 있을 것입니다. 영양 과학의 관점에서 본다면, 이러한 세포가 가능한 최적 상태에서 기능하도록 하기 위해 정확하게 어떤 영양소를 섭취해야 하는지 판별할 수 있을 것입니다. 무엇을 먹어야 할까? 탄수화물? 단백질? 지방? 언제? 나는 영양 결핍일까? 어떤 영양소가 필요하지? 언제? 얼마나? 이러한 질문에 대해 대사체학이 제공할 수 있는 정보의 명확함, 구체성 및 신속성을 고려하면 이 분야는 약속의 과학이라고 할 수 있습니다.
괴혈병(비타민 C 결핍으로 인한 질병)을 다시 예로 들자면, 치아가 소실되고, 쉽게 멍이 들며, 심혈관 발작(동맥류 또는 심장 마비)으로 사망에 이르게 되는 이유는 비타민 C가 세포와 혈관을 결합하는 “분자 접착제” 역할에 필수적인 콜라겐 합성에 반드시 필요한 영양소이기 때문입니다. 이 경우, 대사체학을 활용하여 콜라겐 합성이나 현재 단계에서는 무관한 것처럼 보이는 대사 산물이 최초로 손상을 받았는지 확인할 수 있다면, 이 대사 경로가 다시 재역할을 하는 데 최적인 비타민 C 함량을 보충하고 권장할 수 있을 것입니다. 이러한 대사 손상은 임상적 증상이 발현되거나 임상적으로 나타나지 않는 결과가 세포에 부정적인 영양을 주기 시작하기 훨씬 이전부터 확인할 수 있습니다. 마찬가지로, 이러한 정보는 에너지 생성, 근육 합성 및 뇌 기능을 최대화하고 질병이나 건강을 측정하는 데 활용될 수 있습니다. 대사체학을 활용하면, 모든 생물학적 과정을 최적화할 수 있습니다.
대사체학 및 최적 영양 상태와 건강의 지표로 어떤 핵심 대사 산물을 사용할 것인지 더욱 잘 이해하는 것은 영양 과학의 혁신에 한 발짝 더 가까워지는 것입니다.
의료 기기, 피트니스 트래커, 호흡기 및 광학 스캐너
현재 소비자가 중요한 건강 지표를 측정할 수 있게 하는 의료 기기는 여러 가지가 있습니다. 현재 사용 중인 의료 기기로는 혈압, 맥파 속도, 체중, 신체 조성, 혈중 지질, 콜레스테롤, C 반응성 단백질, 체온 및 혈당 등을 측정하는 기구가 있습니다.
피트니스 트래커는 전 세계에서 수십억 달러 산업으로 폭발적인 인기를 얻게 되었습니다. 이것은 소비자들이 건강에 대한 실시간 피드백을 제공하는 기기를 원한다는 것을 분명히 보여줍니다. 현재는 걸음 수, 달린 거리, 수영 동작의 정확성, 페달링 케이던스 및 출력, 심박수, 칼로리 소모량 및 수면의 질 등을 알려주는 피트니스 트래커의 인기가 높습니다.
최근, 비침습적 기술의 인기가 높아지면서 특정한 빛의 파장을 인체 조직에 비추어 혈중 산소 포화도, 맥박, 색소 밀도, 피부 건강, 수분과 특정 영양소 및 항산화 영양소는 물론 가장 중요한 혈당과 같은 건강 지표를 확인하는 기술이 각광받고 있습니다. 또한, 혈중 알코올 농도를 측정할 수 있는 호흡기도 잘 아실 것입니다. 대사 건강이나 질병을 확인할 수 있는 호흡기(호흡에 포함된 대사 산물 측정) 또한 다시 주목 받고 있습니다.
이러한 의료 기기들에 부족한 점은 우리의 건강 상태를 포괄적으로 확인할 수 있도록 전술한 모든 건강 지표와 다른 측정값들을 하나의 기기로 통합해주는 기능입니다. 이러한 모든 지표와 기술을 우리의 영양 및 건강 상태를 실시간으로 측정할 수 있는 하나의 기기로 통합할 수 있다면 영양 과학에 커다란 혁신이 일어날 것입니다.
의료 기기와 영양, 의료 및 대사체학 정보의 통합
최종적으로 일어나야 할 영양 과학의 혁신은 전술한 포괄적인 의료 기기를 발명하고 영양, 의료 및 대사체학에서 이루어진 최신 연구 정보를 이에 통합하는 것입니다. 이러한 기기가 소비자에게 제공된다고 상상해보세요! 소량의 혈액만 제공하거나 빛을 비추거나, 또는 튜브에 숨만 불어 넣으면 실시간으로 전체적인 대사(대사체)에 관한 정보를 알 수 있게 됩니다. 그 다음 이 정보를 바탕으로 부족한 영양소나 섭취해야 할 식품은 물론 운동에 대한 추천을 받을 수 있을 것입니다. 그러한 기기는 거의 실시간에 가까운 시간에 신체의 대사 및 생화학 반응이 최대한 효율적으로 작용할 수 있도록 하는 정보를 제공할 수 있습니다. 이를 통해 우리는 경기력을 최대화하고 건강을 최적화하며 가장 중요한 것으로 건강 수명을 오랫동안 유지할 수 있다는 것입니다.
혁신적인 첨단 영양 기술, 특히 대사체학 분야의 기술을 포괄적이고 비침습적인 의료 기기와 통합함으로써 우리는 대사 건강, 다시 말해, 전체적인 건강에 관한 포괄적 정보를 즉각적으로 얻을 수 있게 되므로, 이것은 인류의 건강에 의미 있는 영향을 줄 영양 과학의 궁극적 혁신이라고 할 수 있습니다.
결론
영양 과학에 있어 1800년대 중반에서 1900년대 중반은 결정적인 시기였습니다. 이 100년 동안은 현재 우리가 영양에 관해 생각하는 방식—영양 결핍으로 인한 질병 예방을 위해 최소한의 영양 섭취—의 근본이 되었습니다. 영양에 대한 이러한 믿음은 이제 최소한의 영양소 섭취에서 최적 건강을 위해 최적 수준의 영양소를 섭취하는 것으로 바뀌어야 합니다. 영양 과학에서 의미 있는 혁신이 일어나려면, 기본 영양 연구, 특히 영양소가 분자 수준에서 작용하는 방식에 관한 연구에 새롭게 주목하고 끊임없이 연구해야 합니다. 영양 연구에서 환원주의적 접근법에 대한 의존을 줄이고 시스템 생물학이나 엔지니어링에 기초한 접근법을 더욱 활발히 도입하려면, 영양 과학에 적용할 수 있는 새로운 과학적 접근법 또한 개발되어야 하고 과학계에 수용되어야 합니다. 대부분 영양 연구는 영양 과학에서 약속의 분야라고 할 수 있는 시스템 생물학 분야인 대사체학에 집중되어야 합니다. 환원주의에서 벗어난 새로운 연구 방법, 표적 실험이 아니며, 가설을 기준으로 하지 않는 대사체학의 연구 방법은 영양 과학에 진정한 혁신을 가져올 것입니다. 영양소가 직·간접적으로 대사에 영향을 미치는 과정을 상대적으로 완전히 이해하게 되면, 우리는 이러한 지식을 기존 의료 기기와 통합할 수 있는 포괄적인 의료 기기를 새로 개발할 수 있을 것입니다. 이를 통해 우리는 기본 영양 연구에서 얻은 지식을 궁극적으로 모든 소비자가 건강한 수명 유지를 위하여 의도적인 행동을 취할 수 있게 돕는 유용하고 실행 가능한 정보로 변환할 수 있을 것입니다.
이것이 바로 영양 과학의 혁신이 제공하는 약속입니다.
