주목받는 ‘광유전학의 세계’

여러 파장 빛으로 뉴런 자극
손상없이 신경세포 활동 조절

“인간의 뇌는 우리가 알고 있는 우주에서 가장 복잡한 세계다. 그런 복잡함 때문에 단순한 모델은 비현실적인 것이 되고 정확한 모델은 이해할 수 없게 된다.”(미국 듀크대 인지과학자 스콧 휴텔)

과학의 발달로 가장 작은 미립자의 세계에서 끝을 상상할 수 없는 광대한 우주까지 비밀이 속속 풀리고 있지만 여전히 과학계에 미스터리로 남아 있는 부분이 있다. 바로 ‘뇌’다.

뇌의 각 부분이 어떤 일을 하는지, 기억은 어떻게 이뤄지는지, 뇌질환은 어떻게 발생하는지 등 뇌의 비밀을 풀어내려는 뇌 과학자들에게 빛을 이용해 신경세포를 선택적으로 작동시킬 수 있는 ‘광유전학’이라는 새로운 도구가 주어졌다.

광유전학(optpgenetics)은 빛(opto)과 유전학(genetics)을 결합한 용어로, 뇌 신경세포를 빛에 반응할 수 있도록 유전적으로 조작해 세포의 생리를 연구하는 학문이다. 신경세포 중에 빛에 반응할 수 있는 광반응성 단백질이 발견되면서 시작됐다.

광유전학이 주목받는 이유는 ‘100세 시대’라 불릴 정도로 인간의 수명이 늘어나면서 뇌질환, 신경질환을 앓는 사람들이 함께 늘고 그에 따른 사회적, 경제적 손실이 커지고 있기 때문이다. 더군다나 기존에는 뇌를 연구하거나 치료하기 위해서는 외과수술을 통해 뇌의 일부분에 손상을 주거나 뇌에 칩을 심어 전기적 자극을 주는 등의 침습적 방식밖에 없었다. 광유전학은 신경세포를 손상시키지 않고도 정교하게 뇌 기능을 알아낼 수 있을 뿐만 아니라 뇌 신경 활동을 조절할 수 있다는 장점까지 갖추고 있다.

신경세포인 뉴런은 컴퓨터처럼 전기신호로 정보를 주고받는다. 막전위(膜電位)라고 부르는 세포 안팎의 전압 차로 생긴 전류가 뉴런을 자극하면 이웃한 뉴런에 신경전달물질을 내뿜어 정보를 전달하는 방식이다. 뉴런에 인위적인 전기 자극을 준다면 뇌 신경 회로를 마음대로 조정할 수도 있게 된다는 말이다. 광유전학은 서로 다른 파장의 빛으로 여러 신경세포의 활동을 조정할 수 있다는 것을 전제로 하고 있다.

2005년 미국 스탠퍼드대 연구진이 녹조류에서 추출한 ‘채널로돕신’이라는 단백질을 포유류의 신경세포에 심은 뒤 빛을 쬐이자 뉴런이 활성화되는 것을 확인한 것이 광유전학 연구의 시작이었다. 이후 생물학자들은 초파리와 꼬마선충, 생쥐 등을 이용해 광유전학 연구를 진행했다.

초파리는 광유전학 초창기에 시도된 동물이다. 과학자들이 유전자를 변형시켜 초파리에게 빛으로 작동하는 이온채널 단백질이 나타나도록 한 뒤 355㎚(나노미터) 파장의 레이저를 쏘자 초파리의 활동이 과다하게 활발해졌다. 빛이 초파리의 중추신경에 발현된 이온채널을 활성화시켜 통제할 수 없을 정도의 엄청난 전기신호들을 발생시켰기 때문이다.

광유전학 연구에서 가장 많이 쓰이는 동물은 ‘예쁜꼬마선충’이다. 성충의 몸길이도 1㎜에 불과한 이 선형동물은 생체 구조가 단순하고 수명이 3주에 불과하지만 유전자 조작이 쉽고 포유동물과 유사한 유전자들을 갖추고 있어 신경과학이나 노화 연구에 많이 활용된다. 생물학자들은 광유전자인 채널로돕신을 꼬마선충의 촉각신경세포에서 발현시킨 뒤 빛을 쬐여 주면 다양한 행동을 조정할 수 있다는 사실을 밝혀냈다.

이런 광유전학 기술을 이용하면 알츠하이머, 파킨슨 질환 같은 퇴행성 뇌질환, 우울증, 불면증, 강박증, 간질, 외상후스트레스장애(PTSD), 불안장애, 기억상실, 거식증 같은 정신질환의 원인과 치료법 개발, 암세포 및 암신호전달 연구 등에도 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

그렇지만 광유전학을 실제 사람의 치료에 적용하기 위해서는 빛에 반응하는 단백질이나 유전자를 원하는 신경세포까지 전달하는 기술과 두개골 속 깊숙한 곳에 위치한 신경세포를 빛으로 효과적으로 자극하는 방법을 찾아야 하는 두 가지의 숙제가 남아 있다. 이를 위해서는 뉴런과 뉴런이 어떻게 연결돼 있는지를 보여주는 정밀한 ‘뇌지도’가 필요하다.

한국과학기술연구원(KIST) 관계자는 “광유전학은 최근 뇌과학 분야에서 가장 빠르게 발전하고 있는 분야”라며 “광유전학 기술의 바탕이 되는 정밀한 뇌지도는 인간의 뇌 연구에 새로운 지평을 열어줄 수 있을 뿐만 아니라 새로운 형태의 인공지능과 로봇 시스템 개발에도 도움이 될 것”이라고 말했다.

유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr