누에(Bombyx mori) 장내 미생물군은 식물 독소의 글루코실화를 통한 대사 해독에 관여합니다.

커뮤니케이션 생물학 6권, 기사 번호: 790(2023) 이 기사 인용

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초식동물은 다양한 메커니즘을 통해 사료 성분을 해독하는 능력을 발전시켜 왔습니다. 올리고식누에는 특별한 고품질 실크를 생산할 목적으로 뽕나무 잎 대신 꾸지뽕나무 잎(CTL)을 먹습니다. 그러나 CTL을 먹인 누에는 뽕나무 잎을 먹인 누에보다 몸집이 더 작고, 성장이 느리며, 실크 생산량도 낮은 것으로 밝혀졌습니다. 여기에서 우리는 CTL에서 발생한 높은 함량의 프레닐화 이소플라본(PIF)이 누에 장내 미생물군을 통해 누에 배설물에서 글리코실화 유도체(GPIF)로 전환된다는 것을 보여줍니다. GPIF가 발견되기 때문에 이러한 생체 변형은 PIF 해독의 핵심 과정입니다. 시험관 내 및 생체 내에서 모두 밝혀진 바와 같이 독성이 훨씬 적습니다. 또한, 장내 미생물군을 리모델링하기 위해 프로바이오틱스로서 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)를 추가하면 누에의 성장과 발달을 유익하게 촉진할 수 있습니다. 결과적으로, 이 연구는 CTL을 먹인 누에의 적응성을 향상시켜 실크 생산에 대한 의미 있는 지침을 제공합니다.

자연에서 식물은 독성 대사산물을 생성하여 초식동물로부터 자신을 방어하는 반면, 초식동물은 독성 성분의 파괴2, 가수분해3, 인산화 및 글리코실화4를 포함한 대사 해독을 통해 독성 섭식1을 극복하는 데 적응하면서 식물 방어에 저항하는 메커니즘을 진화시켰습니다. 위의 해독 이벤트는 곤충 ATP 결합 카세트 수송체5, 장내 미생물6,7 또는 심지어 수평 유전자 전달8,9에 의해 시작되었습니다. 이러한 요인 중에서 장내 미생물군은 곤충 방어 및 보호에 중요한 역할을 합니다7,10. 예를 들어, 소나무 선충 또는 소나무 바구미는 α-피넨 및 디테르펜산과 같은 독성 테르페노이드가 풍부한 침엽수림에서 자란 곤충 초식 동물로, 이들의 장내 미생물은 테르페노이드를 분해하여 곤충 건강에 기여하는 강력한 능력을 나타냅니다11,12. 곤충과 장내 미생물 사이의 유익한 상호 작용이 숙주의 해독을 달성한다는 것이 밝혀졌습니다.

누에는 누에나방과(Lepidoptera, Bombycidae)에 속하는 누에(Bombyx mori)는 실크 생산을 위한 가장 오래된 경제적 곤충 중 하나로 중국의 오랜 양잠 역사 속에서 널리 양식되어 왔다13. 누에는 과식성 곤충으로서 주로 뽕나무과 식물군에 속하는 뽕나무 잎을 먹지만 같은 과에 속하는 꾸지뽕나무 잎(CTL)14도 먹을 수 있습니다. CTL을 먹인 누에는 오랜 역사를 갖고 있으며 중국의 고대 어휘집인 "얼야(Erh-ya)"까지 거슬러 올라간다고 기록되어 있습니다. 특히, CTL을 먹인 누에가 생산한 재배 실크는 뽕나무나 터서 실크에 비해 훨씬 더 질기고 안정적인 구조, 더 강한 인장 강도 및 더 나은 성능을 보였습니다. 특히 현이나 활현을 만드는데 적합합니다15,16; 『17세기 중국 기술: 천공개오』에 언급된 옛 왕조에서는 용포를 만드는 특수 재료로 사용되기도 했다. 따라서 CTL은 점차 다양한 생산 방식에서 누에에게 먹이를 주는 대안이 되었습니다.

그러나 적응성이 낮은 CTL을 먹인 누에는 다른 잎을 먹인 누에보다 몸집이 더 작고, 성장이 느리며, 실크 생산도 더 낮았습니다. 이 현상의 근본적인 원인은 알려져 있지 않지만, 관련 2차 대사산물에 의해 활성이 조절되는 해독 대사 효소인 카르복실에스테라제의 상향 조절을 관찰하기 위한 CTL의 2차 대사산물과 관련이 있을 수 있다고 보고되었습니다. CTL을 먹인 누에의 카복실에스테라제 활성은 뽕나무 잎을 먹인 누에의 활성보다 높았으며, 이는 CTL에 독성 2차 대사산물이 존재함을 시사합니다.

여기에서는 CTL과 누에 배설물(SWF)의 비교 화학적 조사를 통해 CTL의 주요 구성 요소인 프레닐화 이소플라본(PIF)이 SWF에서 글리코실화 유도체(GPIF)로 전환되고 GPIF의 독성이 크게 약화된다는 사실을 발견했습니다. 이러한 전환은 체외에서 누에 장내 미생물과 CTL의 주성분인 6,8-디프레닐로볼(DPL)의 공동배양 시험을 통해 확인되었습니다. 섭식 중에 누에 장내 프로바이오틱스로서 B. subtilis를 첨가하면 16S rDNA 앰플리콘 서열분석으로 측정한 바와 같이 장내 미생물군을 재구성할 수 있으며, CTL을 섭식한 누에의 성장과 발달이 크게 개선되었습니다. 우리의 연구는 다양한 사료 재료에 따른 누에 성장 차이의 기본 메커니즘을 밝혀냈습니다. 또한, 먹이를 주는 동안 프로바이오틱스를 첨가하여 장내 미생물군을 리모델링함으로써 누에의 발달을 개선하는 유용한 방법을 제공합니다.