장내 미생물군과 운동 수행능력: 연구 동향

2019년 Nature Medicine에 발표된 Scheiman 등의 획기적 연구에 따르면, 경쟁 마라톤 선수들은 젖산을 대사시켜 유산소 대사를 뒷받침하는 단쇄지방산(SCFA)인 프로피오네이트로 전환하는 세균, 베이오넬라 아티피카(Veillonella atypica)를 유의하게 더 많이 보유하고 있었다. 연구진이 러너들에게서 분리한 V. atypica를 무균 생쥐에게 이식했을 때, 대조군 세균을 이식받은 쥐에 비해 트레드밀 탈진 도달 시간이 13% 개선되었다. 이 단일 결과는 장내 미생물군 연구를 주류 스포츠 과학의 영역으로 끌어올렸고, 다음과 같은 질문을 던졌다. 장내 세균 구성을 최적화하는 것이 경쟁 선수를 위한 합당한 수행능력 개입이 될 수 있을까?

이 리뷰는 운동과 장내 미생물군 구성 사이의 양방향 관계, 운동 수행능력과 관련된 특정 세균 분류군, 그리고 선수 장내 미생물군 최적화에 가장 탄탄한 근거를 갖춘 실용적인 식이·보충 전략에 관한 현재까지의 근거를 종합한다.

선수의 장내 미생물군은 확연히 다르다

여러 단면 연구에서 엘리트 및 경쟁 선수는 나이, 성별, BMI를 맞춘 비활동적 대조군에 비해 측정 가능한 수준으로 다른 장내 미생물군 구성을 갖는다는 것이 확인되었다. 그 차이는 미묘하지 않다. Clarke 등(2014)은 프로 아일랜드 럭비 선수 40명과 비활동적 대조군 46명의 분변 미생물군을 비교했고, 선수 그룹이 다음과 같은 특징을 보인다는 것을 발견했다.

• 전반적으로 더 높은 미생물 다양성(알파 다양성 지수로 측정) — 높은 다양성은 대사 건강 및 장 교란에 대한 회복력과 일관되게 연관되어 있다.
• 아커만시아 뮤시니필라(Akkermansia muciniphila)의 상대적 풍부도 증가 — 점막층과 관련된 세균으로, 장벽 무결성 및 인슐린 감수성 향상과 연관된다.
• 프레보텔라(Prevotella) 속 세균 증가 — 높은 섬유질 섭취 및 탄수화물 발효 능력과 관련된 분류군이다.
• 고단백 섭취 비활동적 대조군에 비해 박테로이데스(Bacteroides) 비율 감소.

중요한 점은 이러한 차이가 전적으로 훈련량 자체에 기인하지는 않는다는 것이다. 식이 구성, 특히 섬유질 섭취량은 그룹 간 미생물군 변이의 상당 부분을 설명한다. 운동에 의한 미생물군 변화와 식이에 의한 변화를 분리하는 것은 이 분야의 핵심적인 방법론적 과제로 남아 있다.

종단 개입 연구에서 더 명확하게 드러나는 것은, 구조화된 유산소 운동(주당 150분 이상의 중강도)을 시작하면 식이 변화와 무관하게 6주 이내에 장내 미생물군 다양성과 파이칼리박테리움 프로스니치이(Faecalibacterium prausnitzii) 풍부도가 유의하게 증가한다는 것이다(Barton 등, 2018).

베이오넬라와 젖산-프로피오네이트 경로

Scheiman 등(2019)의 베이오넬라 발견은 지금까지 미생물군에서 수행능력으로 이어지는 직접적 경로에 대해 가장 기전적으로 설득력 있는 근거를 제시한다. 고강도 운동 중 활동 근육에서 생성된 젖산은 일부가 혈류로 이동하며, 장내에 순환하는 베이오넬라 아티피카는 메틸말로닐-CoA 경로를 통해 이를 프로피오네이트로 전환할 수 있다. 단쇄지방산인 프로피오네이트는 이후 간과 심장의 유산소 기질로 활용되어, 사실상 젖산을 사용 가능한 연료로 재순환시킨다.

수행능력 측면에서 함의는, 결장 내 베이오넬라 개체수가 많은 선수일수록 고강도 노력 중 더 많은 혈중 젖산을 프로피오네이트로 전환할 수 있어 혈중 젖산 축적을 줄이고 젖산 역치 수준 또는 그 이상에서의 지속 가능한 파워 출력을 개선할 수 있다는 것이다. 이는 기존의 젖산 제거 경로(코리 회로, 근육 산화)와는 독립적으로 작동하는 진정으로 새로운 수행능력 기전을 나타낸다.

이 기전이 베이오넬라 특이적 프로바이오틱스, 식이 조작, 표적 섬유질 보충 등을 통해 의도적으로 강화될 수 있는지는 활발한 연구 대상이지만, 아직 인간 수행능력 시험에서 확립되지는 않았다.

미생물군 구성과 지구력 능력

지구력 수행능력은 장내 미생물군과 운동 능력의 교차점 중 가장 광범위하게 연구된 영역이다. 여러 갈래의 근거가 지구력 능력을 제한하거나 가능하게 하는 데 장내 세균이 기능적 역할을 한다는 것을 뒷받침한다.

단쇄지방산(SCFA) 생성: 식이 섬유를 발효시키는 장내 세균은 부티레이트, 아세테이트, 프로피오네이트를 생성한다. SCFA는 결장세포의 연료로 작용해 장 무결성을 유지하고, 포만감 호르몬에 신호를 보내며, AMPK 및 PGC-1α 활성화를 통해 골격근 미토콘드리아 생합성을 조절할 수도 있다(den Besten 등, 2013). SCFA 생성 세균(비피더스균, 파이칼리박테리움, 로제부리아)이 많은 선수는 일부 단면 연구에서 더 높은 최대 유산소 능력을 보였다.

상기도 질환 감소: 엘리트 지구력 선수는 운동 유발성 면역억제로 인해 상기도 감염률이 높다. 여러 전향적 연구에서 락토바실러스와 비피도박테리움 풍부도가 높을수록 러너의 상기도 질환 일수가 30~40% 적은 것으로 나타났다(Cox 등, 2010). 이는 경쟁 시즌 동안 훈련 중단을 줄이는 데 도움이 될 수 있다.

장내 세균과 근력 및 근육 적응

장내 미생물군과 근력 수행능력 사이의 관계는 지구력 관련 문헌만큼 발전하지 않았지만, 새로 나오는 근거는 세 가지 경로를 통한 의미 있는 연관성을 시사한다.

단백질 소화와 아미노산 이용률: 장내 세균은 효소적 가수분해와 경쟁적 흡수를 통해 식이 아미노산의 생체이용률을 조절한다. 특정 분류군(특히 단백질 분해성 세균)은 식이 단백질을 더 효율적으로 가수분해해, 단백질이 풍부한 식사 후 순환 아미노산 농도를 높인다. 이는 동일한 단백질을 섭취하는 두 선수라도 미생물군 구성에 따라 실제 아미노산 이용률이 다를 수 있음을 시사한다(Sonnenburg & Bäckhed, 2016).

염증과 근단백질 합성: 장내 이상균총과 장 투과성 증가로 부분적으로 유발되는 전신 염증 상승은 NF-κB 매개 동화 신호 억제를 통해 근단백질 합성을 저해한다. 따라서 표적 식이 또는 프로바이오틱스 개입을 통해 장내 이상균총을 줄이면 회복 중인 근육 조직의 염증 부담을 낮춰 간접적으로 훈련 적응을 개선할 수 있다.

테스토스테론과 동화 호르몬 조절: 장내 미생물군은 안드로겐 대사에 관여한다. 특정 베타글루쿠로니다제 발현 세균은 에스트로겐 대사산물을 탈포합시켜 성호르몬의 장간 순환에 영향을 미칠 수 있다. 훈련된 선수에서 미생물군 구성과 테스토스테론 수준을 직접 연결하는 근거는 제한적이지만, 예비 데이터는 장내 이상균총 점수가 높은 선수일수록 유리 테스토스테론 대 코르티솔 비율이 낮다는 것을 시사한다(Vignoli 등, 2019).

회복, 면역, 장 투과성

강도 높은 훈련은 이른바 '장 누수(leaky gut)' 현상을 통해 장 투과성을 증가시킨다. 이는 열에 의한 밀착연접 손상, 운동 중 장 점막으로 가는 혈류 감소, 위장관 움직임에 의한 기계적 스트레스 등에 기인한다. 장 투과성 증가는 세균 내독소(리포다당류, LPS)가 전신 순환으로 이동하는 것을 허용해, 훈련 후 24~48시간 지속될 수 있는 저강도 염증 반응을 유발하고 회복을 저해한다.

점막층 관련 세균(아커만시아 뮤시니필라)이 풍부한 건강하고 다양한 미생물군은 기저 장 투과성을 낮추고 운동 후 LPS 이동을 제한한다. Lamprecht 등(2012)의 근거에 따르면, 14주간 다균주 프로바이오틱스를 보충한 훈련된 선수는 위약군에 비해 운동 후 혈장 조눌린(장 투과성 지표)이 유의하게 낮았고 염증성 사이토카인 IL-6도 감소했다. 이는 미생물군 최적화가 운동 유발성 장 투과성을 낮추는 정량화 가능한 회복 이점을 제공함을 시사한다.

선수 장내 미생물군의 식이 조절

장내 미생물군 구성은 일부 분류군의 경우 식이 변화 후 3~5일 이내에 반응하지만, 안정적이고 의미 있는 변화를 위해서는 4~12주간의 일관된 식이 패턴이 필요하다(David 등, 2014). 선수에게 미생물군 최적화를 위한 가장 영향력 있는 식이 지렛대는 다음과 같다.

식이 섬유 다양성: 주당 30가지 이상의 서로 다른 식물성 식품을 섭취하는 것은 가장 높은 장내 미생물군 다양성 점수와 연관되며, 이는 단백질 중심의 저섬유질 식단으로 치우치는 경향이 있는 일반적인 선수 식이 패턴보다 상당히 높다. 하루 총 식이 섬유 섭취량이 10g 증가할 때마다 4주 이내에 SCFA 생성 세균의 측정 가능한 증가와 연관된다.

발효식품: Cell지에 발표된 Wastyk 등(2021)의 무작위 대조 시험은 건강한 성인을 대상으로 고섬유질 식이 개입과 고발효식품 식이 개입을 직접 비교했다. 발효식품 그룹(요거트, 케피어, 김치, 콤부차)은 미생물군 다양성을 증가시키는 동시에 IL-6와 IL-12p70을 포함한 19가지 염증성 단백질 지표를 10주 이내에 감소시켰다. 고섬유질 그룹은 SCFA 생성 분류군이 증가했음에도 이에 상응하는 면역 하향조절을 보이지 않았다. 전신 염증이 상승하는 고강도 훈련기의 선수에게는 발효식품 섭취가 섬유질만으로는 얻을 수 없는 특정한 항염증성 미생물군 이점을 제공할 수 있다.

폴리페놀 섭취: 짙은 베리류, 석류, 다크 초콜릿, 녹차에 함유된 식물 폴리페놀은 소장에서 거의 흡수되지 않고 결장에 도달해 미생물 대사의 기질이 된다. 폴리페놀 발효는 항염증 대사산물을 생성하고 비피도박테리움과 아커만시아 풍부도를 선택적으로 증가시킨다(Duda-Chodak 등, 2015).

프로바이오틱스 보충: 근거가 말해주는 것

선수 대상 프로바이오틱스 보충은 세 가지 주요 결과에 걸쳐 연구되어 왔다.

상기도 질환 감소: 가장 강력한 근거 범주다. Gluckman 등(2019)의 코크란 인접 리뷰에 따르면, 락토바실러스 기반 프로바이오틱스(주로 L. rhamnosus와 L. fermentum)는 8건의 RCT에 걸쳐 위약군에 비해 지구력 훈련 선수의 상기도 질환 지속기간을 평균 1.9일, 발생률을 31% 감소시켰다. 질병으로 경쟁 시즌이 방해받는 선수에게 이는 훈련 연속성 측면에서 의미 있는 이득으로 이어진다.

운동 중 위장관 장애: 위장관 증상은 경쟁 중 지구력 선수의 30~50%에서 나타난다. 락토바실러스 아시도필루스와 다균주 조합은 여러 소규모 RCT에서 마라톤 및 울트라마라톤 러너의 위장관 증상 빈도와 중증도를 감소시켰으나, 연구 간 효과 크기 차이가 상당하다.

수행능력 지표: 프로바이오틱스가 수행능력을 직접 개선한다는 근거는 여전히 약하다. 훈련된 선수에서 질병 감소 및 회복 효과와 독립적으로 프로바이오틱스 보충이 VO2max, 1RM 근력, CMJ 높이를 직접 개선한다는 것을 보여준 대규모 RCT는 없다. 존재하는 수행능력 이점은 간접적인 것으로 보인다 — 더 나은 훈련 연속성, 염증 유발 피로 감소, 향상된 회복 품질을 통해서다.

실용적 지침: 락토바실러스 람노서스 GG(하루 10^9 CFU)는 상기도 질환 감소에 관해 가장 탄탄한 근거를 갖고 있다. 락토바실러스와 비피도박테리움 균종을 모두 포함한 다균주 제품은 전반적인 장 건강과 회복을 우선시하는 선수에게 합리적인 선택이다. 균주 특이성은 총 CFU 수보다 더 중요하다.