Bronze Age cheese reveals human-Lactobacillus interactions over evolutionary history

발효 유제품 역사에 대한 우리의 이해는 분자 증거의 부족으로 크게 제한됩니다. 여기서는 청동기 시대 발효 유제품의 DNA 증거를 제공하고, Xiaohe 인구의 유제품 생산 및 활용을 조사하며, 케피르 생산 역사와 Xiaohe 인구와 다른 인구 간의 문화적 상호작용에 대한 다음과 같은 통찰을 제공합니다.

첫째, Xiaohe 인구가 케피르를 생산하기 위해 사용한 염소가 신석기 이후 유라시아 전역에 퍼져 있던 계통에 속함을 발견했습니다. 이는 청동기 시대에 Afanasiavo 와 Bactria–Margiana 고고학 복합체 집단이 북부 및 서부 신장에 영향을 미쳤다는 이전 연구 결과와 일치하며, 유목민이 Xiaohe 인구에 미친 영향과 관련이 있을 수 있습니다. 그 후, 고대 및 현대 Lactobacillus 균주의 계통수를 사용하여 케피르의 확산 경로를 추적했습니다. 재구성된 고대 Xiaohe 균주, 티베트 균주, 동아시아의 두 균주는 kefiranofaciens 아종에 속한 반면, 유럽, 동아시아 해안, 태평양 섬의 균주는 kefirgranum 아종에 속함을 발견했습니다. 케피르는 기존의 케피르 곰팡이로 우유를 접종해야만 생산할 수 있기 때문에, 이러한 발효 미생물은 케피르 생산 역사를 추적하는 이상적인 지표가 됩니다. 우리의 관찰 결과는 두 L. kefiranofaciens 아종의 서로 다른 확산 경로를 강력히 시사합니다. Kefirgranum 계통의 확산은 러시아 북부 코카서스 산악 지역에서 유럽과 다른 지역으로 전파된 이전 경로와 일치합니다. 그러나 kefiranofaciens 계통은 신장에서 티베트와 간칭 지역과 같은 동아시아 내륙의 다른 지역으로 전파된 또 다른 경로를 시사합니다. Kefiranofaciens 계통의 확산은 청동기 시대 신장과 티베트 인구 간의 교차 지역 교류를 시사하는 다양한 고고학적 증거에 따라 문화적 상호작용을 동반했을 가능성이 큽니다. 따라서 Xiaohe 인구는 초원 문화에서 가축 사육을 적극적으로 채택했고, 관련 발효 유제품인 케피르 치즈가 Xiaohe 문화의 중요한 부분이 되었으며 이후 동아시아 내륙으로 더 널리 퍼졌음을 알 수 있습니다.

둘째, 수천 년에 걸쳐 인간에 의해 전파되고 소비된 종의 진화를 추적함으로써 인간 활동이 인간-미생물 상호작용을 통해 미생물 진화에 미칠 수 있는 영향을 탐구할 수 있었습니다. 발효를 통해 치즈를 만드는 것은 유제품의 저장 수명을 연장하고 유당 불내증으로 인한 위장 증상을 완화할 수 있습니다. 유제품 발효 기술의 확산은 주로 인간 이동 및 상호작용과 함께 이루어지며, 이 과정은 발효에서 주요 역할을 하는 Lactobacillus 종의 진화를 형성했습니다. 예를 들어, 두 L. kefiranofaciens 아종의 분화는 공통 조상의 초기 가축화 이후 다른 인구로 케피르가 확산되면서 촉진되었을 가능성이 큽니다. 또한, 장 염증 반응 감소와 관련된 두 개의 수평 유전자 전이 (HGT) 영역을 확인했습니다. 이는 선호하는 균주가 케피르 곰팡이 거래를 통해 쉽게 공유되고 유지될 수 있는 장기적인 케피르 제조 과정에서 인간에 의해 선호되는 발효 제품의 특징으로 선택되었을 가능성이 있습니다. 과거 인간 이동 및 문화와 관련된 미생물의 진화 동력은 인간 관련 미생물 진화에 영향을 미치는 다양한 요인을 강조하며, 이러한 정보는 과거 인간 행동을 더 잘 이해하는 데 활용될 수 있습니다.

또한, 우리의 데이터를 사용하여 프로바이오틱 박테리아 L. kefiranofaciens의 진화를 추적할 수 있었습니다. Lactobacillus 종은 매우 높은 유전적 다양성을 보여 최근 25개 속으로 재분류 되었습니다. 외래 DNA를 수평 유전자 전이 (HGT)를 통해 통합할 수 있는 능력이 Lactobacillus 종, 특히 발효 식품에서 발견되어 인간에 의해 소비되는 다서식 환경 종의 다양화에 중요한 역할을 한다고 제안되었습니다. 그러나 장기간에 걸쳐 HGT 사건이 발생한 시점을 추적하는 시간적 증거는 부족했습니다. 여기서 관찰된 HGT 사건은 L. kefiranofaciens 유전체의 세 가지 잠재적인 적응 경로를 시사합니다. 첫째, 유독 물질의 배출과 영양소의 흡수를 담당하는 것으로 알려진 ABC 수송 시스템의 획득을 통한 항생제 노출과 같은 환경적 스트레스에 대한 저항성입니다. 둘째, 박테리아 방어 시스템의 증강으로 이는 박테리오파지 감염에 대한 저항성을 제공할 수 있으며, R-M 시스템과 type II toxin-antitoxin 시스템 도입이 그 예입니다. 흥미롭게도, Lactobacillus 종 사이에서 관찰된 매우 높은 유전적 다양성과 광범위한 HGT에도 불구하고, 앞서 언급한 두 가지 HGT 사건 모두 외래 DNA 도입에 대한 방어적 기능을 가지고 있으며, 이는 HGT로 인한 적합성 비용을 상쇄하는 메커니즘일 가능성이 큽니다. 셋째, 세포 표면 성분의 적응은 세포벽의 완전성에 기여하며 인간 숙주와의 상호작용에 관여할 가능성이 있습니다. 전반적으로, 이는 다양한 환경 스트레스가 존재하는 다양한 생태적 서식지에 Lactobacillus가 적응하는 데 기여하는 중요한 메커니즘으로 보입니다. 그러나 주목할 점은 항생제 저항성 관련 유전자도 L. kefiranofaciens 균주 사이에서 수평적으로 전이되며, 이는 항생제의 널리 퍼짐에 따른 생태학적 결과를 암시합니다.

또한, 고대 유기 잔류물에 보존된 DNA에 대해 알려진 바가 거의 없기 때문에, 우리는 케피르 치즈 샘플 내 미생물 DNA의 보존 상태를 조사했습니다. 케피르는 기존 곰팡이의 증식을 통해 생산되며, 여러 Lactobacillus 종과 효모 종을 포함한 공생 미생물 군집에 의해 발효가 이루어집니다. 우리의 관찰에 따르면 이 군집은 환경에 존재하는 세균이나 곰팡이에 대해 상대적으로 저항성을 보였으며, Aspergillus 종과 같은 부패 곰팡이가 이러한 저항성에 기여할 수 있다는 점이 주목할 만합니다. 오염된 세균이나 곰팡이 종의 부재는 고대 샘플에서 거의 관찰되지 않으며, 이는 내인성 DNA의 무작위 보존 및 외래 DNA 도입의 결과로 보기 어렵습니다. 오염 물질은 밀도가 높고 오염 저항성이 높다고 여겨지는 치석 및 석관 뼈와 같은 고대 샘플에서도 일반적으로 확인됩니다. 이러한 저항성은 당시 미생물학에 대한 이해와 오염 방지 대책이 제한적이었던 청동기 시대의 케피르 치즈 생산에 매우 중요했을 것입니다. 또한, 여러 박테리아와 곰팡이 종이 형성하고 유지하는 공생관계는 순수 배양을 통해 재현하기 어려운 도전 과제가 될 수 있으며, 따라서 케피르 곰팡이를 처음부터 생산하는 것은 어려웠습니다.

이 연구는 몇 가지 잘 보존된 유제품 잔존물에 대해 수행되었으며, Xiaohe 인구에 의해 케피르 생산에 관여한 미생물의 원래 다양성을 완전히 반영하지 못했을 가능성이 큽니다. 또한 높은 수준의 DNA 분해로 인해, 분석에 충분한 표적 분자를 얻기 위해 DNA 캡처를 사용했습니다. 조립된 고밀도 유전체가 효율적이고 특정적인 DNA 캡처를 시사하더라도, 이는 여전히 DNA 탐침과 유사한 서열로의 편향을 초래할 수 있습니다. 마지막으로, 여기서 확인된 HGT 사건은 생물정보학적 분석을 통해 도출된 것으로, 현대 실험과 고대 발효 미생물에 대한 추가 연구를 통해 이러한 영역의 기능적 및 진화적 역할을 검증하는 추가적인 확인이 필요합니다.