[연재기사] “새로운 비트(BIT)가 온다(V)” 신경세포를 켜고 끄는 유전자 빛 스위치 (Genetic Light Switches)

연재기사

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빛(Light)으로 두뇌의 비밀을 푸는 것, 즉 광학과 유전공학을 융합하는 새로운 학문과 기술을 광학유전 공학(Optogenetics)이라 한다. MIT와 Stanford 과학 자들이 해조류(Algae)에서 채널로드옵신(ChR2)이 라는 단백질을 만드는 유전자를 추출했다. 이 유전자 를 뉴런에 이식했다. 이 유전자가 만드는 단백질은 푸 른빛을 쏘이면 뉴런들로 하여금 불을 지피게 한다. 즉 뉴런을 활성화하는 On Switch 역할을 한다. 또 다른 할로드옵신(Halorhodopsin) 단백질은 노랑색 빛을 쏘 이면 뉴런으로 하여금 침묵(Silencing)케 한다. 즉 Off Switch 역할을 한다. 그런데 이 기술은 빛을 뉴런 에 전달하기 위해 광섬유(Optical Fibers)를 이식해야 한다. 그러나 최근 발표된 논문에서 근적외선을 이용 한 비이식용 분자 빛 스위치(Molecular Light Switches)를 개발했다는 내용이다. 따라서 파킨슨병, 척추장애, 우울증, 정신병, 의식의 문제 등이 조만간 빛에 의해 풀리고 빛에 의해 치료하는 새로운 길이 열 릴 것으로 기대하고 있다.

2008년노벨화학상: 녹색형광단백질 (GFP) 2008년도 노벨화학상은 첨단 생명공학의 중요한 실 험 도구인 형광 단백질을 연구한 과학자 3명에게 돌 아갔다. 이들은 녹색 형광(螢光) 단백질(GFP)의 발

견과 개발이라는 업적을 세웠다. 시모무라 (Shimomura) 박사는 자체적으로 초록색 형광을 내 는 단백질(GFP)과 그 단백질을 만들어 내는 유전자 를 처음 발견한 업적을, 챌피(Chalfie) 박사와 첸 (Tsien) 박사는 이 형광 단백질을 다양한 생물학 실 험에 활용할 수 있는 방법을 확립한 공로를 인정 받았 다. 시모무라 박사는 1960년대에 북아메리카 서해안 에서 발견되는 해파리의 일종인 아름다운 젤리 물고 기(Beautiful Jellyfish)인 ‘에쿼리아 빅토리아 (Aequorea Victoria)’에서 GFP를 최초로 추출했으 며, GFP가 자외선 아래에서 초록빛을 낸다는 점도

“새로운 비트(BIT)가 온다(V)”

신경세포를 켜고 끄는 유전자 빛 스위치 (Genetic Light Switches)

차 원 용

아스팩미래기술경영연구소 소장, [email protected]

그림 1. 1994년에 챌피 교수가 만든 C-엘레강스의 GFP 이미지[Chalfie et al.(Science, 1994) and Nobelprize.org].

알아냈다. 그로부터 30년이 흐른 후 챌피 교수는 특정 단백질의 유전자에 GFP 유전자를 붙이면 초록색을 띤다는 것을 규명했다. 특정 단백질이 작용하는 위치 와 시기, 양 등을 현미경으로 확인할 수 있고 단백질 의 기능도 유추할 수 있게 됐다. 또 첸 교수는 GFP 유전자를 변형시켜 초록색뿐 아니라 청록색, 노란색 등 여러 색을 낼 수 있게 했다. 한번에 여러 단백질의 기능을 연구할 수 있는 기반을 마련한 것이다. 이때부 터 녹색형광단백질은 현대 바이오과학(contemporary bioscience)에 가장 유용한 툴로 사용되어 왔다.

광학유전공학(Optogenetics)

빛으로 두뇌의 비밀을 푸는 것(Decoding the Brain with Light), 즉 광학과 유전공학을 융합하는 새로운 기술을 광학유전공학(Optogenetics)이라 한 다. 유전자 빛 스위치(Genetic Light Switches), 즉 분자 빛 스위치(Molecular Light Switches)를 만들 면 기억을 탐색하고 두뇌질병 치료를 향상시킬 수 있 다. 그 이유는 이러한 분자 빛 스위치가 어떤 뉴런이 기억을 만들어 내는데 관여하는지 정확하게 찍어 낼 수 있기 때문이다. 뿐만 아니라 오로지 빛만을 이용 해 기억을 추출할 수도 있다. 또한 잠자는 것에서부 터 깨어남까지 전 과정을 빛으로 추적할 수도 있다.

이러한 새로운 기술인 광학유전공학(Optogenetics) 은 5년 전에 Stanford 대학의 물리학자이며 생명공학 자인 Karl Deisseroth와 MIT 생명공학자인 Ed Boyden이 창조한 기술로, 지금은 지구상의 100여 개 연구실에서 활용되고 있다. 분자공학기술과 이식에 의 해 두뇌의 깊은 곳까지 빛을 전달하는 광섬유 디바이 스(fiber-optic devices) 기술의 융합으로 연구원들은 살아 있는 동물의 서로 다른 행동에 영향을 미치는 신 경 자극 효과에 대해 연구할 수 있게 되었다. 이는 그 전의 기술인 전극을 통해 전류를 전달하여 자극을 주 는 전기자극보다 더 정확하고 뉴런의 활동까지 제어 할 수 있다는 면에서 획기적인 기술로 평가 받고 있다.

ChR2 단백질에 푸른빛을 쏘이면 뉴런들은 불을 지피며 연결

그 기술은 채널로드옵신(Channel-rhodopsin-2, ChR2)라 불리는 요상한 단백질로 시작한다. 이 단백 질은 평상시 초록색 해조류의 세포막 속에 앉아 있다 가 푸른색 빛에 노출되면 전기적 상태가 변화한다.

Ed Boyden은 해조류에서 ChR2와 그 것을 엔코딩하 는 유전자를 분리해냈다. Boyden은 분리해낸 유전자 를 2008년도 노벨화학상 수상자들이 발견한 초록색 빛에 반응하는 녹색형광단백질(GFP)과 연결하여 새 로운 단백질을 창조해냈다. 그 다음 새로운 단백질을 만드는 유전자를 쥐의 뉴런에 주입했다. 그 결과 초록 색 빛에서는 초록색 형광 색을 띄고, 푸른색 빛에서는 뉴런 세포들이 불을 지피며 연결되는 것이다. 따라서 뉴런들이 어떻게 연결되고 활동하는지를 인간의 눈으 로 볼 수 있게 되었다.

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차 원 용

그림 2. 빛으로 경감하기(Light relief). 특정 뉴런에 유전공 학을 가해 만든 빛-스위치 덕분에 과학자들은 광 섬유 케이블을 통해 쥐의 신경세포 활동을 분석 하고 제어할 수 있게 되었다. 광학유전공학기술 이라 불리는 이 기술은 특정 신경 회로와 연결해 다양한 행동이나 두뇌 질병들을 분석할 수 있다 [Credit: Karl Deisseroth].

광섬유 이식 신경 스위칭 시스템

Boyden은 그 다음 정확하고 신뢰성 있는 신경 스 위칭 시스템을 창안했는데, 이는 밀리 초(1/1,000)에 작동하는 것으로 우리 두뇌 속에 존재하는 신경 세포 들의 상호작용 시의 속도와 같다. 그 다음 이 새로운 단백질을 만드는 유전자에 특정 뉴런을 제어하는 유 전적 요소들을 가미했다. 따라서 이를 쥐의 두뇌에 주 입했을 때, 단백질은 특정 뉴런들에 불을 밝혀 알려주 고, 그 결과 뉴런의 기능을 연구하게 해준다. 이를 유 전자 빛 스위치(Genetic Light Switches) 또는 분자 빛 스위치(Molecular Light Switches)라 하는데 빛 에 민감한 ChR2 유전자를 켜고 끄는 것이다. 단, 단점 이 있다면 이를 광섬유를 이식해야 한다는 것이다. 빛 을 특정 신경 세포에 전달하기 위해 광섬유를 동물의 두뇌에 이식해야 한다.

2010년 비이식 근적외선 기술

이 분야의 선구자인 Karl Deisseroth은 2010년 들어 새로운 기술을 첨가했다. 하나의 뉴런 세포를 제어하는 것이 아니라 전체 뉴런의 회로들을 제어하는 것으로

이는 두뇌의 특정 신경망의 역할을 연구하는데 획기적 인 기술이다. 그 전에는 빛을 특정 신경 세포에 전달하 기 위해 광섬유를 동물의 두뇌에 이식해야만 했다. 그 러나 Karl의 신기술은 비이식용으로, 빛을 두뇌의 깊은 조직까지 전달할 수 있는 근적외선(near-infrared light)을 이용한다. 따라서 표적 뉴런으로 하여금 빛에 더 욱 민감하게 하여 신경망들을 더욱 정교하게 제어할 수 있다. 이번 연구는 Cell지 2010년 3월 18일자 온라인판에

“Molecular and Cellular Approaches for Diversifying and Extending Optogenetics(광학유전공학의 다각화 및 확장을 위한 분자 및 세포 접근)”(Gradinaru et al., Cell, 2010)라는 논문으로 발표되었다.

두 가지 분자 빛 스위치

지금까지 과학자들은 뉴런을 활성화시키든가 아니 면 억제하든지 하는 두 개의 빛-스위치 또는 옵신 (Opsins)에 집중해왔다. 하나는 채널로드옵신 (channelrhodopsin)이라 불리는 초록색 해조류의 피 막 속에서 발견되는 단백질이다. 이 단백질은 푸른색 빛을 쪼였을 때 피막의 채널을 열어 소디엄(sodium) 이나 칼슘(calcium) 이온들을 받아들인다. 이 단백질 을 생산하는 유전자를 동물의 뉴런에 이식하면 유전 자가 생산한 단백질들은 이온의 유입을 허락하여 뉴 런을 활성화 한다. 즉, 푸른색 빛을 쪼이면 이 단백질 은 On Switch 역할을 하여 뉴런을 활성화 한다.

두 번째 빛 스위치는 하나의 이온 펌프(an ion pump) 역할을 하는 할로드옵신(halorhodopsin)이다.

이는 노랑색 빛에 반응하여 염화 이온(chloride ions) 을 유입시켜 뉴런을 침묵하게 만든다. 그런데 문제가 있다. 이 할로드옵신은 뉴런을 효과적으로 제어하지 못하고 두뇌 세포 내에서 독소 물질을 만들어 낸다.

그래서 Deisseroth 팀은 피막 트래픽킹(membrane trafficking)이라 불리는 현상을 이용해 이 단점을 극 복해냈다. 할로드옵신을 세포 안에 즉 피막 안에 가두 는 것이 아니라 유전공학을 가해 피막 외부에 존재토

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연재기사-새로운 비트(BIT)가 온다(V)

그림 3. 광섬유 이식 신경 스위칭 시스템(Neural switching system)[Credit: Elaine Kurie/Karl Deisseroth].

록하여 보다 빛에 민감하게 반응함으로써 염화이온을 유입시켜 뉴런을 억제토록 한 것이다. 즉 노란색 빛을 쪼이면 단백질은 뉴런을 억제하는 Off Switch 역할을 하는 것이다. 이번에 선보인 노랑색 빛 기술은 그 전 의 기술보다 무려 20배 정도 민감하다.

활용과 기대

한 가지 실용 가능한 분야는 의사결정과 같은 특정 컴퓨팅을 수행하는 신경 회로들을 분석하는 것이다.

이의 임상 응용은 무궁무진하다. 두뇌에 정확하게 전

달하고 이식된 광-섬유나 비이식의 근적외선으로 특 정 단백질을 활성화시킴으로써, 의사들로 하여금 선택 된 기능을 하는 뉴런들만을 활성화시킬 수 있다. 이는 파킨슨병이나 맹인 같은 두뇌 질병들을 위한 새로운 치료기술로 사용할 수 있다. 정확한 뉴런들을 활성화 시킴으로써 정신적이거나 감성적 상태를 변화시킬 수 있다. 이는 심각한 우울증을 치료할 수 있다. 더 나아 가 인간의 정신적 능력과 행동들을 고양시키거나 제 어할 수 있다. 정신병(psychiatric disorders)에 집중할 수 있고, 의식의 문제(questions of consciousness)를 풀 수 있고, 두뇌-기계 인터페이스(Brain-machine interfaces) 기술에 혁신을 가할 수 있으며, 기타 인지 과학에도 적용이 무궁무진 하다.

특히 비이식 기술인 근적외선은 조직 깊숙한 곳 까 지 침투해 조만간 파킨슨병이나 우울증을 치료할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 게다가 척추를 다친 곳도 치료할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 신경 세포가 있 는 곳이면 활성화와 억제가 다 가능하다는 얘기이다.

차원용 소장/공학박사/MBA

아스팩미래기술경영연구소 연구소장 고려대학교 안암캠퍼스 교양학부 겸임교수 숙명여자대학교 정책산업대학원 겸임교수 저서 : <한국을 먹여 살릴 녹색융합 비즈니

스(2009)> 외 다수

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차 원 용

그림 4. 길을 비추는 빛(Lighting the way). 광학유전공학이 라 불리는 새로운 기술은 각각의 뉴런을 제어할 뿐 아니라 빛의 파동으로 전체 두뇌 신경 회로들 을 제어할 수 있다. 여기의 그림은 광섬유를 이식 해 푸른빛을 쥐의 두뇌에 전달해, 쥐가 좋아하는 방으로 건너 가도록 한다[Cedit: Karl Deisseroth].