[김태의 뇌 과학] 빛으로 뇌를 조절하다/광주과학기술원 융합기술원 의생명공학과 교수

입력 : ㅣ 수정 : 2016-08-09 00:14

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뇌과학에 대한 관심이 어느 때보다 뜨겁다. 3년 전 미국 버락 오바마 대통령은 뇌연구 법안 ‘브레인 이니셔티브’를 발표해 뇌과학 연구 붐을 일으켰다. 우리나라도 지난 5월 미래창조과학부에서 ‘뇌연구 신흥강국 도약’을 목표로 향후 10년간 총 3400억원 규모의 신규 재정을 투입할 계획이라고 밝힌 바 있다.

김태 광주과학기술원 융합기술원 의생명공학과 교수

▲ 김태 광주과학기술원 융합기술원 의생명공학과 교수

뇌가 아직 미지의 영역이라는 점과 뇌과학의 발전을 통해 얻을 수 있는 잠재적 효과가 클 것이라는 기대감이 이런 흐름을 이끌어 가고 있다. 인류의 문명이 인간의 작은 뇌에서 비롯됐다는 것을 생각할 때 뇌과학의 발전이 가져올 사회·경제·군사·의학적 영향은 무궁무진하다고 할 것이다. DNA를 발견했던 프랜시스 크릭은 18세기 말 마치 예언처럼 이런 말을 남겼다. “현재 뇌과학이 당면한 중대한 문제는 뇌 안의 다른 세포에는 아무 영향을 주지 않으면서 한 종류의 세포만 조절할 수 있는 방법이 없다는 것이다.”

뇌 안에는 다양한 종류의 세포들이 얽혀 있어 한 종류의 세포만을 선택적으로 조절하는 것이 사실상 불가능했다. 그런데 ‘광유전학’의 등장으로 이런 문제가 조금씩 풀리고 미지의 영역이 서서히 밝혀지고 있다.

원래 인체에도 빛에 반응하는 세포가 존재한다. 눈에 있는 ‘원추세포’와 ‘간상세포’가 그렇다. 이들 세포가 빛에 반응하는 것은 ‘포톱신’이나 ‘로돕신’ 같은 광감수성 단백질 ‘옵신’이 존재하기 때문이다.

그럼 뇌세포를 선택적으로 조절하기 위해 이런 광수용체를 신경세포에 달아 주면 어떨까? 재미있는 아이디어이지만 인체에 존재하는 광수용체는 1000분의1초 단위의 정밀한 조절을 하기에는 다소 느리다.

‘필요는 발명의 어머니’라고 했지만 ‘발견의 어머니’이기도 한가 보다. 뜻밖에도 연못 안에 답이 있었다. 연못에 자라는 녹조류의 일종인 ‘클라미도모나스’에서 우연히 ‘채널로돕신’이라는 옵신이 발견됐다. 이것은 양이온 채널과 연결돼 있어 빛을 비추면 빠른 속도로 양이온 채널을 개방하는 성질을 갖고 있었다. 채널로돕신을 신경세포에 발현시킨 뒤 빛을 비추면 인위적으로 신경세포의 활성을 조절하는 게 가능해질 것이라는 생각에 이르렀다. 자, 이제 채널로돕신을 신경세포에 발현시키기만 하면 된다.

신경세포에 채널로돕신을 발현시키는 것은 ‘분자생물학’을 활용해 가능하게 됐다. 원하는 유전자를 세포에 발현시키기 위해 바이러스를 사용하는 방법은 이미 널리 사용되고 있었다. 병을 일으키지 않는 무해한 바이러스에 채널로돕신 유전자를 삽입한 뒤 바이러스를 동물의 뇌에 주입하면 바이러스의 습성에 따라 세포에 침투하면서 해당 유전자를 세포 안으로 들여보내게 된다.

이런 방법으로 채널로돕신 유전자가 세포 내로 들어가면 세포 스스로 채널로돕신을 생산하기 시작하고, 생산된 채널로돕신은 세포 표면에 위치하게 돼 빛만 비추면 반응할 준비가 되는 것이다.

하지만 모든 세포가 채널로돕신을 가지고 있다면 특정 세포 유형만을 조절하겠다는 당초 목표는 성취할 수 없게 된다. 따라서 분자생물학적 기법으로 채널로돕신이 특정 종류의 세포에서만 발현되도록 유전자를 설계하는 것이 필요하다. 이것이 광유전학의 기본 개념이다.

뇌과학의 관심이 고조되고 있다. 광유전학은 어쩌면 우리가 감당할 수 없는 강력한 뇌조절 기법일지도 모르겠다. 인류가 앞으로 뇌과학을 어떤 방향으로 이끌어 갈지 걱정과 기대가 함께 다가온다. 일단 조절 능력을 가지게 되면 ‘어떻게 조절해야 하는가’라는 매우 어려운 숙제가 시작되는 것이다. 뇌과학 기술의 개발뿐만 아니라 이러한 흐름에 대한 철학적, 윤리적 고민이 수반돼야 할 것이다. 하지만 이런 연구를 통해 질병의 기전을 이해하고, 질병으로 인한 고통을 덜고 좀더 건강한 삶을 영위하는 데 도움이 되는 뇌과학 기술은 계속 발전할 것이라고 기대해 본다.
2016-08-09 29면
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