케피어 유래 효모 Kluyveromyces marxianus의 프로바이오틱스 능력을 기반으로 한 산업적 활용에 대한 전망: 총설

유산균은 일반적으로 안전한 미생물로 인식되며 요거트, 치즈, 케피어와 같은 유제품 발효에 널리 사용된다[9]. 케피어 알갱이에서 유산균은 일반적으로 케피어 알갱이 1 g당 10⁸–10⁹개의 집락형성단위(colony forming unit, CFU) 농도로 존재하며, 케피어 미생물군에서 가장 큰 비중(최대 80%)을 차지한다[1]. 케피어 우유와 알갱이에서 가장 흔한 유산균 속은 Lactobacillus, Lactococcus, Leuconostoc, Streptococcus spp.이다[4]. 지금까지 밝혀진 케피어 유산균의 종류에는 Lactobacillus kefiranofaciens, Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus delbrueckiisubsp. Bulgaricus, Lactobacillus crispatus, Lactobacillus psittaci, Lactococcus lactis, L. kefiri, Lentilactobacillus farraginis, Lentilactobacillus diolivorans, Lentilactobacillus otakiensis, Lactiplantibacillus plantarum, Lentilactobacillus sunkii, Lentilactobacillus buchneri, Lacticaseibacillus casei, Lacticaseibacillus paracasei, Levilactobacillus brevis, Limosilactobacillus fermentum, Leuconostoc citreum, Leuconostoc mesenteroides, Leuconostoc pseudomesenteroides, Streptococcus thermophilus등이 있다[3–5,7,8,10].

이러한 유산균은 항균, 항바이오필름, 항비만, 항염증 및 장내 미생물군 조절 효과를 포함한 다양한 건강상의 이점을 가질 수 있다. 특히, L. kefiranofaciens는 D-포도당과 D-갈락토스 잔류물이 동일한 양으로 구성되어 항균, 상처 치유 및 항종양 활동이 있는 케피란으로 알려진 수용성외 다당류를 생성한다[10].

효모는 다양한 환경 스트레스에 대한 뛰어난 저항성과 항생제 내성을 획득하고 전파할 가능성이 낮기 때문에 발효 산업에서 상당한 주목을 받았다[11]. 케피어에서 유래한 대표적인 효모로는 K. marxianus, Kluyveromyces lactis, S. unisporus, Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces cariocanus, Torulaspora delbrueckii, Zygosaccharomyces rouxii, Kazachstania servazzii, Candida inconspicua, Pichia pseudocactophila, Williopsis californica, Kazachstania aerobia, Lachancea meyersii가 있다[12]. K. marxianus는 유제품 및 생명공학 산업에서 널리 사용되는 한국산 케피어 효모의 주요 집단이다[13]. 그것은 pH를 낮추고 상당량의 아세트알데히드(6.51–11.64 mg/L), 에탄올(1,250–1,900 mg/L), 이산화탄소(590–2,550 mg/L)를 형성하여 케피어의 맛과 향 형성에 중요한 역할을 한다[14]. 또한, K. marxianus는 미생물 안정성, 화학적 특성, 케피어 그레인 미세구조를 포함한 케피어의 특정 특성을 제공하고 상피 세포에 부착하고 항균, 항산화 및 항염 효과를 발휘한다[15]. 다양한 케피어 효모의 기능적인 성질은 Table 1에 정리되어 있다.

아세트산 박테리아는 단당류와 에탄올에서 아세트산을 생성하며 유제품 산업에서 다방면의 역할을 한다[16]. 케피어의 대표적인 아세트산 박테리아에는 Acetobacter fabarum, Acetobacter lovaniensis, Acetobacter syzygii, Acetobacter okinawensis, Acetobacter orientalis, Gluconobacter frateurii, Gluconobacter cerinus, Tanticharoenia aidae가 있다. 흥미롭게도 아세트산 박테리아는 아일랜드, 벨기에, 남아프리카의 케피어에는 없지만 한국의 케피어에는 비교적 높은 수준으로 존재한다[8]. 한국 케피어에서 분리된 Acetobacter fabarum DH1801은 아세트산, 항균 셀룰로스, 엑소폴리사카라이드, 아스코르브산, 프로토카테츄산, 페놀 화합물과 같은 항균 물질을 생성하여 식품 매개 병원균에 대한 항균 활동을 할 수 있다[5]. 한편, Gluconacetobacter spp. 사이다 식초에서 분리한 것은 케피어 알갱이의 락토바실러스 속 단백질, 엑소폴리사카라이드 함량, 점도, 관능 점수 및 크기를 현저하게 증가시킬 수 있다[17].

건강상의 이점을 제공하기 위해 프로바이오틱스는 위산, 담즙산 및 소화 효소가 포함된 숙주의 혹독한 위장관 환경에서 생존하고 지속되어야 한다[23]. 또한, 장내 미생물 군집을 조절하고 장을 통과할 때 대사 활동을 유지할 수 있는 식민화 능력이 있는 프로바이오틱스 균주를 선택하는 것이 중요하다[23].

케피어 알갱이에서 유래한 10가지 L. kefiri 및 Lacticaseibacillus rhamnosus 균주가 인공 위장 및 장 환경에서 생존할 수 있으며, 각각 최대 1.59 및 3.28 Log CFU/mL의 감소가 있음을 발견하였다[24]. 생존 가능한 케피어 곡물 유래 S. cerevisiae는 위장관에서 L. paracasei H9의 생존과 Caco-2 세포에 대한 유산균 균주의 접착을 개선하는 것으로 나타났다[25]. 프로바이오틱 균주의 생존 및 성장과 소수성, 자가 응집 및 장 상피 세포 접착 능력 사이에 직접적인 상관 관계가 관찰되었다[26]. 장 점액층의 소수성 특성으로 인해 미생물의 소수성 세포 표면 특성은 장 상피 세포에 대한 비특이적 결합에 중요한 요소이다[27]. 프로바이오틱스가 장 상피 세포에 접착하고 자가 응집 능력은 연동 운동으로 인한 즉각적인 제거를 방지하고 병원균에 대한 경쟁 우위를 제공하기 때문에 위장관에서의 식민지화에도 필수적이다[28].

따라서 케피어 효모는 장내 단백질 분해효소와 폴리사카라이드에 대한 저항성으로 인해 인공 위장관에서 더 나은 생존과 케피어 유산균과 더 큰 상승 효과를 보일 수 있다[25]. 케피어 우유는 케피어 미생물이 생성하는 유기산의 존재로 인해 발효 중에 산성 pH(약 4.5)를 갖는다. 따라서 케피어 효모는 다른 전통적인 프로바이오틱 종보다 더 산에 강할 수 있다[29]. 실제로 케피어 효모는 다른 잠재적인 프로바이오틱 균주와 달리 보호 표면층 분자와 엑소폴리사카라이드를 생성하여 극한 조건에서 생존 가능성을 높이는 것으로 보인다[29]. 케피어 효모는 또한 유산균과 같은 유익한 박테리아의 성장을 촉진하기 위해 트레오닌, 글루타민, 알라닌, 글루타메이트, 세린 및 글리신과 같은 아미노산을 방출한다[30]. 따라서 케피어 효모와 유산균의 공생 관계는 생존성을 높이고, 유익한 미생물의 장 상피에 부착하며, 숙주의 건강상 이점에 기여할 수 있는 대사산물을 생성할 수 있다.

최근 수십 년 동안 항생제가 널리 사용되면서 항생제 내성 박테리아의 유병률이 증가하였다. 따라서 프로바이오틱스와 같은 대체 항균 접근 방식을 개발하는 것이 중요하다[31]. 길항 작용과 항균 물질 생성은 프로바이오틱스 균주를 선택하는 데 중요한 기준이다[32]. 많은 연구에서 케피어 발효 중에 젖산 및 아세트산과 같은 유기산과 에탄올이 생성되어 그람 양성 및 그람 음성 병원균에 대한 케피어의 항균 효과를 평가하였다[33].

케피어 밀크는 바실러스 세레우스, 황색포도상구균, 리스테리아 모노사이토게네스, 녹농균과 같은 식품 매개 병원균에 대한 항균 활성이 있는 것으로 나타났다. 이는 케피어의 항균 효과가 발효 중 생성되는 박테리오신과 엑소폴리사카라이드와 낮은 pH와 관련이 있음을 시사한다[33]. 이전 연구에서 케피어 알갱이에서 분리된 L. kefiranofaciens KF16과 L. lactis KF48 균주는 다른 분리균과 비교하여 E. coli BC1402, B. cereus BC6830, Salmonella enterica serovar Typhimurium RSSK95091, Yersinia enterocolitica ATCC 27729, S. aureus ATCC 25923에 대해 가장 강력한 억제 효과를 나타냈다[33]. 케피어는 유기산, 과산화수소, 아세트알데히드, 이산화탄소, 박테리오신을 통해 항균 효과를 유도한다[34,35].

케피어 효모는 항생제 내성 유전자를 전달하지 않으므로 항생제와 함께 안전하게 사용할 수 있다[36]. 케피어에서 분리한 K. marxianus KY-6는 Aspergillus flavus, Aspergillus niger, Penicillium rubens에 대해 57.52%–65.45%의 항균 효과를 보였다[37]. 또한, 연구에서는 케피어 유산균과 효모 간의 상승작용이 보고되었다. 병아리 부화 후 L. kefiranofaciens DN1과 K. marxianus KU140723-05를 조기에 처리하면 Salmonella Enteritidis의 장내 식민화를 억제하는 것으로 나타났다[38]. 한편, 케피어 분리물(L. lactis CIDCA 8221, Lactiplantibacillus plantarum CIDCA 83114, L. kefiri CIDCA 8348, K. marxianus CIDCA 8154, S. cerevisiae CIDCA 8112)의 혼합물을 경구 투여하면 햄스터에서 Clostridioides difficile로 인한 설사를 예방하는 것으로 나타났다[39]. 케피어 효모(크기: 1–10 μm)는 박테리아(크기: <1 μm)보다 크기가 훨씬 크기 때문에 입체 장애를 통해 항균 효과를 발휘할 수도 있다[38]. 또한 K. marxianus의 항균 효과는 미코신 독소 생성에 기인할 수 있다[40]. 효모의 항균 활성의 정확한 메커니즘은 아직 완전히 밝혀지지 않았지만, 독소 생성, 세포벽 분해 효소 분비, 영양소 경쟁이 관여하는 것으로 보인다[41]. 따라서 K. marxianus는 병원균에 대한 강력한 항균 효과를 가진 효과적인 보충제로 사용되어 항생제를 보완할 수 있으며, 앞으로 숙주에 적용할 수 있는 정확한 항균 물질이 필요하다는 전제 하에 사용할 수 있다.

서구적 생활 방식은 선천 면역 체계와 염증 반응의 비정상적인 활성화를 유발할 수 있으며, 이는 만성 염증성 질환 및 신경 염증성 질환과 같은 건강 문제를 유발하여 전 세계적으로 이환율과 사망률을 높이는 주요 원인이 된다[41]. 병원성 미생물은 숙주의 면역 반응을 악화시킬 수 있으므로 항염성 프로바이오틱스 제제는 이러한 면역 반응을 예방하는 데 도움이 될 수 있다[42]. 프로바이오틱스 균주는 선천 및 적응 면역 반응(예: 단핵구, 대식세포, B 림프구 및 T 림프구)과 상피 세포를 포함한 수많은 세포 유형에 영향을 미쳐 면역 체계에 영향을 미칠 수 있다[43,44]. 흥미롭게도 일부 케피어 미생물과 그 대사산물은 염증성 장 질환에 대한 효능이 입증되었으며 항염제로서의 잠재력이 있을 수 있다[42].

숙주에서 종양괴사인자-α(tumor necrosis factor-alpha, TNF-α) 및 일산화질소와 같은 염증 분자는 반응성 산소종과 반응하여 과산질소염소산염을 생성하는데, 이는 돌이킬 수 없는 세포막 손상을 초래할 수 있다[45].

초산화물 및 히드록실 자유 라디칼, 히드로퍼옥실, 퍼옥시 및 알콕시 라디칼을 포함한 반응성 산소종은 세포 대사 중에 지속적으로 생성된다[45]. 자유 라디칼은 신호 전달, 유전자 발현 및 수용체 활성화를 조절하지만, 과잉은 기능적 거대 분자(예: DNA, 단백질 및 지질)에 산화적 손상을 일으킬 수 있으며 당뇨병, 암 및 바람직하지 않은 염증 반응을 포함한 질병과 관련될 수 있다[46]. 따라서 항산화제는 신체를 자유 라디칼로부터 보호하고 항염증 인자로 작용할 수 있다[47].

최근의 시험관 내 및 생체 내 연구에 따르면 케피어는 항염증 매개체를 상향 조절하고 염증성 사이토카인을 하향 조절하여 면역 조절 효과를 발휘할 수 있다[48]. 또한 동결건조 케피어 밀크는 Balb/c 천식 마우스 모델에서 항염증 및 항알레르기 효과를 발휘할 수 있으며, C57BL/6 마우스에 케피어 밀크를 경구 투여하면 TNF-α, 인터루킨(IL)-6, IL-17a와 같은 면역 조절 인자 수치를 감소시킬 수 있다[46]. 케피어 섭취는 글루타치온 퍼옥시다아제 수치를 증가시키고 말론디알데히드를 하향 조절하여 산화 스트레스를 조절하는 데 도움이 된다[49]. 게다가 케피어는 리놀레산 과산화를 억제하고 1,1-디페닐-2-피크릴히드라질 및 슈퍼옥사이드 라디칼을 제거하여 항산화 활성을 나타낸다[50].

K. marxianus CIDCA 8154는 IL-1β 및 TNF-α와 같은 염증성 사이토카인으로 자극된 Caco-2 세포에서 염증 반응을 억제하는 것으로 보고되었다[51]. 또한 케피어에서 추출한 K. marxianus KU140723-02는 포도씨 가루나 추출물과 함께 배양했을 때 라디칼을 제거하는 것으로 밝혀졌다[52]. 효모의 항염증 및 면역 조절 활동은 β-글루칸에 의해 유도되며, 이는 일산화질소, 일산화질소 합성효소, IL-6, IL-1β와 같은 항염증 매개체의 생성을 억제할 수 있다[53]. 많은 연구에서 효모와 그 구성 요소의 항염증제로서의 잠재력을 조사했지만, 현재 S. boulardii가 유일하게 사용되고 있는 프로바이오틱스 효모이다[48]. 적절한 면역 기능은 건강을 유지하는 데 중요하므로 케피어와 K. marxianus의 항염증 메커니즘을 완전히 이해하는 것이 중요하다.

세포 증식, 분화 및 성장에 관여하는 유전자의 돌연변이로 인한 암은 전 세계적으로 사망의 주요 원인이다[55]. 유전적 요인이 암 발병에 큰 영향을 미치지만 건강한 생활 방식과 좋은 식습관을 따르면 암 위험을 최대 50%까지 줄일 수 있다[54].

케피어는 다양한 세포 경로와 상호 작용하여 증식, 세포 사멸 및 항산화 활성을 조절할 수 있다[55]. 인간 위 세포주(SGC7901)를 세포가 없는 케피어 분획으로 처리하면 항증식 및 세포 사멸 활성이 나타났는데, 이는 bax 유전자의 상향 조절과 bcl-2 유전자의 하향 조절로 인해 발생하였다[56]. 마찬가지로 케피어 밀크는 종양 크기와 Ki67, NF-κB 및 β-카테닌과 같은 종양세포 증식 지표를 감소시켜 대장암으로 유발된 C57BL/6 마우스에서 항암 효과를 유도하는 것으로 밝혀졌다[57]. 선행 연구에 따르면 케피어의 폴리사카라이드, 펩타이드, 스핑고지질과 같은 생리활성 화합물은 유방암, 위암, 대장암과 관련된 종양 세포의 증식을 억제하고 세포사멸을 유도할 수 있다[53]. 케피어 섭취는 형질전환 성장 인자(TGF)-α 및 TGF-β 분비를 감소시켜 암세포에서 항증식 효과를 유도한다[58]. 한편, 활성 케피어 펩타이드는 세포사멸을 유발하고 DNA 절단 중에 Ca²⁺/Mg²⁺-의존성 엔도뉴클레아제를 활성화한다[49]. 케피어 스핑고미엘린은 암세포에서 항증식 효과를 유도하고 항암 효과를 발휘하는 사이토카인인 인터페론-β를 상향 조절할 수 있다[59,60]. 엑소폴리사카라이드 케피란은 암세포에 직접 작용하기보다는 T 세포 활동을 통해 숙주 면역 체계를 자극하여 항종양 활성을 발휘할 수도 있다[35]. L. kefiri P-IF, L. kefiri P-B1, K. marxianus, Kazachstania turicensis, K. unispora를 포함한 케피어 곡물 분리물의 혼합물도 미토콘드리아 막 분극과 Bcl2 유전자 발현을 감소시켜 위암 세포에서 세포 사멸을 유도함으로써 항암 효과를 보였다[60]. 여러 시험관 내 및 생체 내 연구에 따르면 프로바이오틱스 효모는 항독소 효과, 단쇄 지방산과 같은 생리활성 물질 생성, 영양 효과, 발암 화합물 불활성화, 장벽 기능 개선을 포함한 메커니즘을 통해 암을 예방할 수 있다고 한다[61]. 나아가 다양한 연구에 따르면 효모 β-글루칸은 세포 주기 정지, 세포 사멸 및 괴사를 조절하여 항증식 효과가 있는 것으로 나타났다[62]. 이러한 연구를 통해 케피어가 다양한 세포 및 분자 경로를 통해 항암 효과를 발휘하는 천연 치료제가 될 수 있음을 보여주었다. 전통적인 항암제는 악성 세포와 정상 세포를 무차별적으로 죽이기 때문에 부작용을 일으키지 않는 물질을 찾는 것이 중요하다. 따라서 향후 연구는 케피어의 항암 메커니즘을 활용할 수 있는 K. marxianus와 같은 프로바이오틱 효모 개발에 집중해야 한다.