배경: 젖소의 유전자는 어떻게 메탄 배출에 관여하나

젖소의 간에서 만들어지는 6-하이드록시멜라토닌(6-hydroxymelatonin)이 반추위 세균의 증식을 촉진해 메탄 생성을 줄이는 데 관여한다는 연구가 미국국립과학원회보(PNAS)에 실렸다. 연구진은 착유 홀스타인 304두의 유전체·반추위 미생물 유전체·대사체를 분석하고, 체외 발효와 소 간세포 실험으로 숙주 유전자에서 미생물 발효로 이어지는 경로를 추적했다. 핵심은 간 대사와 반추위 미생물을 잇는 연결고리다.

반추위 미생물이 만드는 메탄은 온실가스이자 사료 에너지 손실의 원인이다. 사료 조절과 첨가제 외에 메탄 배출이 적은 가축을 선발하는 육종도 연구되고 있지만, 특정 유전변이가 어떤 대사체와 미생물을 거쳐 배출량에 영향을 주는지는 충분히 밝혀지지 않았다. 이번 연구는 이 과정을 밝히고자 했다.

핵심 발견: 간 대사체와 수소 이용 세균을 잇는 경로

주 분석 지표는 건물섭취량당 메탄 배출량(M/D)이다. 사료의 수분을 제외한 섭취량 1 kg당 메탄이 얼마나 발생하는지를 뜻하며, 304두에서는 직접 측정하지 않고 기존 인공신경망 모형으로 예측했다. 이 집단에서 추정한 유전력은 0.42, 미생물군 정보로 설명되는 분산 비율은 0.19로 나타났다. 해당 집단과 모형의 추정치이므로 개별 젖소의 배출량을 유전자가 42% 결정한다는 뜻은 아니다.

유전변이를 도구로 인과관계를 추정하는 멘델 무작위화(MR) 분석에서는 프레보텔라(Prevotella) 세 종이 낮은 M/D와 연결됐다. 특히 프레보텔라 브리안티이(Prevotella bryantii) B14 균주의 유전체에서 [NiFe] 그룹 1d 수소화효소 유전자가 확인됐으며, 네트워크 분석은 이 세균이 메탄생성 미생물과 수소를 두고 경쟁할 가능성을 뒷받침한다. 해당 균주를 체외 반추위 발효계에 넣었을 때도 수소와 메탄 생성이 감소했다.

연구진이 이 세균들을 조절하는 숙주 유래 대사체로 지목한 물질은 6-하이드록시멜라토닌이다. 39°C에서 6시간 진행한 체외 발효에서 0.1 mM 첨가는 가스 생성에 유의한 영향을 주지 않았지만, 1 mM에서는 메탄이 유의하게 감소했다. 총가스 생성량에는 유의한 변화가 없었다는 결과다. 순수배양에서는 1.5 mM이 P. bryantii B14의 성장을 가장 뚜렷하게 촉진했으나, 2 mM에서는 같은 효과가 관찰되지 않았다.

상류 조절 경로는 소 간세포에서 조사했다. ITFG2 발현을 억제하자 세포 대사 신호계인 라파마이신 표적 복합체 1(mTORC1)이 활성화되고, 멜라토닌 대사 효소 CYP1A2의 발현과 6-하이드록시멜라토닌 합성이 증가했다. mTORC1 억제제인 라파마이신을 처리하면 이러한 증가가 차단됐다. 살아 있는 젖소의 유전자를 조작해 메탄 저감 효과를 시험한 결과와는 구분해야 한다.

의미와 전망: 육종 후보 표지자와 남은 검증

ITFG2 인근의 5:106926534 변이에서는 TA 유전자형이 낮은 예측 M/D와 연결됐다. 별도 농장의 젖소 31두를 14일간 자동 헤드챔버로 측정한 결과도 같은 방향이었다. TA형 14두의 실측 M/D는 AA형 17두보다 유의하게 낮았지만, 하루 절대 메탄 배출량과 건물섭취량 각각에는 유의한 차이가 없었다. 따라서 총배출량 감소를 입증한 결과로 해석할 수는 없다.

이번 성과는 숙주 유전·간 대사체·반추위 미생물을 함께 살피는 저메탄 육종 연구의 근거를 보탠다. 다만 해당 변이가 ITFG2 발현을 바꾸는 정확한 방식과 대사체가 세균 성장을 촉진하는 기전은 미확정이다. TA형에서 P. bryantii와 관련 수소화효소가 증가하는 경향도 통계적 유의성에는 도달하지 못했다. 다른 반추동물에서의 재현성, 실제 개체에 대사체를 투여했을 때의 장기 효과와 안전성 역시 후속 검증 과제로 남는다.

연구 설계와 결과는 PNAS 논문 공개 본문에서 확인할 수 있다.