빛으로 신경세포 켜고 끈다…뇌의 비밀 밝힌 '광유전학'

(서울=뉴스1) 구교운 기자 = 빛으로 특정 신경세포를 켜거나 끄면서 기억과 감정이 만들어지는 뇌의 작동 원리를 밝히는 기술이 올해 노벨 생리의학상의 주인공이 됐다. 빛과 유전공학을 결합한 '광유전학'이다.

스웨덴 카롤린스카 의대 노벨총회는 5일(현지시간) 칼 다이서로스 미국 스탠퍼드대 교수와 페터 헤게만 독일 훔볼트대 교수, 게오르크 나겔 독일 뷔르츠부르크대 교수 등 3명을 올해 노벨 생리의학상 공동 수상자로 선정했다. 노벨위원회는 '광개폐성 이온 채널과 광유전학에 관한 발견'을 선정 이유로 밝혔다.

의료계에 따르면 광유전학은 빛에 반응하는 미생물 단백질을 특정 신경세포에 발현시킨 뒤 빛을 비춰 세포의 활동을 활성화하거나 억제하는 방법이다. 원하는 신경세포에 빛으로 작동하는 스위치를 달아주는 셈이다.

출발점은 미생물이 빛에 반응하는 원리를 밝히는 기초연구였다. 노벨위원회에 따르면 헤게만과 나겔은 단세포 조류에서 빛을 받으면 이온이 통과하는 단백질인 '채널로돕신'을 발견했다. 다이서로스는 이를 신경세포에 적용해 빛으로 신경신호를 유발하고 살아 있는 동물의 뇌에서도 특정 회로를 조절하는 기술로 발전시켰다.

이 기술로 뇌를 연구하는 방식도 바뀌었다. 특정 행동을 할 때 어느 신경세포가 활동하는지 관찰하는 데서 나아가 해당 세포의 활동을 직접 조절해 행동이 어떻게 달라지는지 확인할 수 있게 됐다.

이상엽 KAIST 생명화학공학과 특훈교수는 "이번 수상의 가장 큰 의미는 살아 있는 뇌에서 특정 신경세포를 빛으로 정밀하게 켜고 끌 수 있게 함으로써 뇌 기능을 상관관계가 아니라 인과관계로 규명할 수 있게 했다는 점"이라며 "광유전학을 통해 기억, 감정, 수면, 운동 등을 담당하는 신경회로의 기능을 직접 검증할 수 있게 되면서 신경과학 연구의 패러다임을 바꿨다고 할 수 있다"고 설명했다.

김기현 서울성모병원 안과 교수도 특정 신경세포를 작동시켰을 때 행동이 나타나는지와 활동을 억제했을 때 행동이 달라지는지를 확인함으로써 신경회로와 기능 사이의 인과관계를 검증할 수 있게 됐다고 평가했다.

김준기 서울아산병원 융합의학과 교수는 기존 전기 자극과 비교해 특정 종류의 신경세포를 선택적으로 조절할 수 있고 시간적으로도 정밀하게 제어할 수 있다는 점을 광유전학의 장점으로 꼽았다. 특정 회로의 활동과 동물 행동의 관계를 실시간으로 확인하는 실험이 가능해졌다는 설명이다.

광유전학은 현재 파킨슨병과 뇌전증, 수면장애 등 신경계 질환의 발생 기전을 연구하는 데 활용되고 있다. 실험동물에서 질환과 관련된 회로를 조절하면서 새로운 치료 표적과 신약 후보의 효과에 관한 가설을 검증하는 도구로도 쓰인다.

환자 치료에 적용하려는 연구도 진행 중이다. 김기현 교수에 따르면 망막색소변성 환자의 남아 있는 망막 신경세포에 빛 감지 능력을 부여하는 치료 연구에서 일부 시각 기능 회복이 보고됐다.

이상엽 교수는 단세포 조류의 빛 감지 단백질을 포유류 신경세포의 광스위치로 전환한 연구의 독창성에도 주목했다. 자연계에서 발견한 생물학적 기능을 새로운 목적의 연구 도구로 발전시킨 대표적 사례라는 평가다.

이 교수는 "처음에는 호기심에서 출발한 기초연구가 혁신적 의생명 기술로 발전된 매우 좋은 사례"라고 강조했다.

한편 다이서로스는 지난해 3월 아산사회복지재단이 선정한 제18회 아산의학상 기초의학부문을 수상하기도 했다.

kukoo@news1.kr