큐레이션_curation

광유전학 영어로 Optogenetics이다. 빛으로 생체 조직의 세포들을 조절할 수 있는 생물학적 기술로, 신경 세포를 유전적으로 조작하여 빛에 반응하는 이온 채널을 발현시킨 것이 대표적 사례이다.  몸속 깊은 곳까지 빛이 파고들어 행동은 물론 기억까지 조절할 수 있다. 초파리와 생쥐를 비롯한 동물 실험에서 잇따라 성과가 나오고 있다. 사람에게 적용되면 알츠하이머 치매 같은 난치병도 극복할 수 있을 것으로 기대된다. 이를 위해 국내외 연구자들이 면역반응이나 열 발생 같은 부작용을 줄이면서 간편하게 몸 안에 넣어서 사용할 수 있는 광유전학 장치를 개발하고 있다.
신경 활동의 조절을 위해서는 채널로돕신, 할로로돕신, 아키로돕신archaerhodopsin과 같은 광유전학적 작동기를 사용하고, 신경 활동을 광 시각적으로 기록하기 위해서는 칼슘 농도 변화를 감지하는 GCaMP, 신경 소포체의 분비를 감지하는 synaptopHluorin, 신경전 전달물질을 감지하는 GluSnFRs, 세포막 전위를 감지하는 Arclightning (ASAP1)과 같은 광유전학적 센서를 사용한다. 광유전학을 사용하면 유전학적으로 분류된 특정 신경 세포들의 신경 활동을 선택적으로 조절하거나 기록할 수 있으며, 빛을 사용하기에 대상 위치와 시간을 정확히 조절할 수 있다.

녹조류의 빛 감지 단백질 활용

광유전학은 광학과 유전학을 결합한 기술로 이를 이용하면 생체 조직, 심지어 자유롭게 움직이는 동물에서 개별 신경 세포들의 활동을 조절 및 관찰하고 신경 활동의 조절이 어떠한 효과를 유발하는지 실시간으로 확인할 수 있다. 광유전학에 필요한 주재료는 빛에 반응하는 단백질이다. 광유전학이 나오기 전까지는 신경세포를 촉진·억제하기 위해서는 전기나 약물을 사용했다. 하지만 이 방법들은 주변의 다른 세포까지 영향을 줘 정교하게 신호를 조절하는 데는 어려움이 있었다.
광유전학은 독일 뷔르츠부르크대의 게오르크 니겔 교수팀이 2002년 국제 학술지 ‘사이언스’에 발표한 논문에서 시작됐다. 연구진은 빛을 향해 움직이는 생물인 ‘클라미도모나스’라는 녹조류에서 빛을 감지하는 단백질을 발견했다. ‘채널로돕신’이란 단백질은 빛을 받으면 전류를 만들었다. 이후 미국 스탠퍼드대의 칼 다이서로스 교수팀이 채널로돕신을 생쥐의 신경세포에 이식하며 연구를 발전시켰다. 현재 파킨슨병, 알츠하이머, 우울증 등 다양한 뇌 질환 치료에 광유전학을 적용하는 연구가 이뤄지고 있다.

채널로돕신

미생물인 해조류로부터 추출된 단백질이다. 클라미도모나스라는 해조류가 유명한데 이 해조류는 주광성을 가지고 있어 빛이 있는 곳으로 모이는 특징을 가지고 있다. 이 주광성을 가지게 하는 원인이 바로 채널로돕신인데 이 단백질은 푸른빛을 전기로 바꾸는 역할을 하기 때문에 빛이 있을 때 조류가 지속적으로 에너지를 공급받을 수 있도록 해 준다. 이러한 이유로 클라미도모나스가 주광성을 띠게 된다. 채널로돕신의 특징은 광유전학에서 열쇠로서 작용하는데 예를 들어 뉴런을 활성화시킨다고 하자 바이러스 벡터를 이용하여 활성화를 원하는 뉴런에 채널로돕신을 넣어주면 채널로돕신이 있는 특정 뉴런만 빛에 의해 활성화된다. 채널로돕신은 이처럼 광유전학에서 빛을 인지하는 센서로 작용하며 자극을 원하는 세포만을 자극시킬 수 있도록 해준다 라는 장점을 가지고 있다.

죽부인 모방해 면역반응 차단

뇌신경을 자극하고 반응을 측정하기 위해서는 딱딱한 금속 소재의 탐침이 뇌에 이식된다. 이는 뇌 세포를 손상하거나 주변에 면역반응을 일으켜 신호 측정을 어렵게 만든다. 연구진은 뇌와 비슷한 힘을 견디는 재질의 그물 구조 탐침을 개발했다. 대나무로 만든 죽부인처럼 생긴 탐침은 뇌 조직과 성질이 유사하고 기존보다 1000배 이상 유연해 뇌신경에 면역반응을 일으키지 않는다. 광유전학의 동물실험 결과를 사람에 적용하려면 무엇보다 부작용 문제를 해결해야 한다. 기초과학연구원(IBS) 분자 분광학 및 동력학 연구단의 박홍규 교수팀은 “부작용 없이 빛으로 뇌신경을 자극해 뇌 신호를 기록할 수 있는 나노 장치를 개발했다”라고 19일 국제 학술지 ‘나노 레터스’에 발표했다. 또한 연구진은 여기에 1㎝ 길이의 빛을 보낼 수 있는 통로를 결합해 나노 죽부인의 끝까지 빛을 잘 전달할 수 있게 했다. 빛이 전용 통로로 간접적으로 전달되기 때문에 열로 인한 뇌 손상이 없다.연구진은 생쥐의 뇌에 개발한 장치를 삽입해 신경 자극과 동시에 신호를 기록하는 데 성공했다. 연구진은 사람 뇌세포에서 사용할 수 있도록 탐침 기술을 개선하는 연구를 진행할 계획이다.