칼슘이온은 신체 대사에 있어 거의 모든 생명현상에 관여한다. 세포성장은 물론 신경전달이나 근육수축 등에 있어 칼슘이온은 필수적이다. 그렇기 때문에 세포 내 칼슘이온이 부족해지면 인지장애, 운동실조(ataxia), 심장부정맥 등 다양한 질환으로 이어질 수 있다.

현재까지 칼슘대사 장애의 치료는 약물이나 전기 자극을 통해 이루어졌다. 하지만 이는 국소 부위 자극이 불가능하고 한번 자극을 주면 되돌릴 수 없다는 단점이 있다. 또한 의도하지 않은 곳을 자극해 부작용이 상존했다.

이러한 가운데 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 인지 및 사회성 연구단(단장 신희섭)의 허원도 그룹리더 연구팀(KAIST 생명과학과 교수)은 빛으로 살아있는 생체 내 칼슘이온 농도를 조절하는데 성공하였다. 이러한 결과를 활용하면 칼슘대사 질환의 새로운 치료법을 개발할 수 있을 것으로 기대된다.

IBS 연구진은 청색 빛을 흡수하면 군집을 이루는 식물의 광수용단백질에, 동물(인간)의 칼슘채널 활성화 조절단백질을 결합하는 기술을 활용하였다. 이로서 청색 `광(光)리모콘’으로 칼슘이온 통로인 칼슘채널을 의도적으로 여닫을 수 있어 기존 보다 5~10배 많은 칼슘이온이 세포 안으로 유입시킬 수 있었으며, 효율성 역시 세계 최고 수준으로 끌어 올릴 수 있었다.

빛의 강도와 노출시간을 달리함에 따라 칼슘이온의 유입량과 잔류시간의 조절이 가능하고 빛을 차단하면 양방향 조절 역시 가능하다. 특히, 위의 방법을 적용하여 쥐의 뇌 속 칼슘이온이 관여하는 쥐의 기억세포를 빛으로 자극해 기억력을 2배 높이는 데 성공했다.

허원도 그룹리더는 “살아있는 생체 내에서 칼슘이온 채널을 빛으로 제어한 것으로 적외선이나 소형화한 광원을 이용한 칼슘이온 대사질환 치료법으로 발전할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 또한 “대량의 화합물 중 칼슘이온 농도에 영향을 미치는 물질을 찾아내는 신약후보물질 발굴 플랫폼으로도 쓰일 수 있을 것”으로 내다봤다.

허원도 그룹리더 연구팀과 KAIST 생명과학과 한용만, 김대수 교수 연구팀이 함께 수행한 이 연구결과는 네이처 바이오테크놀로지(Nature Biotechnology, IF 41.51)誌 온라인에 9월 15일 게재되었다.