과학 책을 읽다보면, “구체적인 과정은 아직 밝혀지지 않았다”라는 문구를 종종 볼 수 있다. 이 문구는 전반적인 개념은 과학적으로 밝혀졌지만, 세부적인 과정 규명에는 좀 더 연구가 필요함을 의미한다. 생물학에서 우리 몸을 이루는 가장 기본적인 단위인 세포에 관해서도 이러한 문구가 적용된다. 세포의 구조와 기능에 관해 상당 부분 알려졌지만, 이전까지 세포 내에서 필요한 물질이 어떻게 수송되는지 구체적인 과정에 관해서는 정확히 밝혀지지 않았다.

세포 내에서는 마치 택배로 물건을 배송하듯이 여러 물질들을 수송하기 위해 작은 막으로 이루어진 소기관들이 역동적으로 움직이는 것을 관찰할 수 있다. 물질의 수송은 세포의 성장과 분열에 필수적인 활동이다. 엔도좀(endosome)이나 엑소좀(exosome), 리소좀(lysosome) 등이 물질 수송에 관여한다. 그러나 많은 막 구조의 소기관들의 이동은 매우 역동적인데다 복잡하여, 단계별 메커니즘을 규명하는 연구가 제한됐다.

이에 IBS 인지 및 사회성 연구단의 허원도 그룹리더 연구진이 빛으로 세포 소기관들의 움직임을 제어할 수 있는 기술을 개발했다. 빛을 통해 세포의 여러 기능을 조절하는 광유전학 기술로, 생체막 올가미(IM-LARIAT; Light-Activated Reversible Inhibition by Assembled Trap of Intracellular Membrane)라 불리는 기술이다. 빛을 통해 세포내 생체막으로 이루어진 소기관들을 올가미로 붙잡듯 서로 응집시킬 수 있고, 가역적으로 제어가능하다는 점에서 붙여진 이름이다.

▲ 청색광을 통한 세포내 물질수송 제어

▲ 청색 빛에 의한 막 구조 세포 소기관의 이동 조절

연구진은 청색 빛에 반응하는 식물의 청색광 수용 단백질에 세포 소기관들의 생체막에 존재하는 랩 단백질(Rab small GTPase) 을 결합시킨 융합 단백질을 개발했다. 일반 세포나 신경 세포에 이 융합단백질을 발현시키면 청색 빛에 의해 세포내 소기관들의 움직임이 조절된다. 실험동물의 여러 세포에 청색 빛을 비춘 결과, 많은 막 구조 세포 소기관들이 서로 응집하여 이동이 일시 정지되어 세포의 물질 수송과 신경 전달 등의 기능이 마비됐다. 이후 다시 빛을 끄자, 세포 소기관들의 움직임이 정상적으로 재개되는 것을 확인했다. 빛에 의해 세포 소기관이 변형되는 것이 아닌, 세포 소기관들의 움직임이 가역적으로 조절된다는 점에서 향후 세포 기능 연구에 더욱 활용 폭이 넓을 것으로 기대되고 있다.

특히 이번 연구에서 연구진은 암세포 외에도 신경세포에 생체막 올가미 기술을 적용, 엔도좀들의 이동을 일시 정지 시켜, 뇌 신경 세포 성장원추(growth cone)의 성장을 제어하는데 성공했다. 청색 빛을 비추자 일시적으로 성장이 멈췄던 신경세포가, 빛을 끄자 다시 빠르게 자라나는 것을 추가로 확인했다. 성장원추는 재생하는 신경세포의 말단 부위를 말한다.

이번 연구는 빛을 비추는 최소 자극으로 막 구조 세포 소기관들의 이동을 가역적으로 제어할 수 있게 된 데 의의가 있다. 허원도 교수 연구팀은 지난 3년 동안 유명학술지에 독자적으로 개발한 광유전학기술들을 연속적으로 발표하고 있으며 현재 수편의 논문들도 해외유명저널에서 심사 중이다. 2013년에 Nature Methods, Nature Communications, Cell 자매지인 Chemistry & Biology 표지논문으로 발표를 시작했다. 2015년 Nature Biotechnology 표지논문에 이어, 이번에는 Nature Chemical Biology에 발표하는 등 세계적으로 광유전학분야를 선도하고 있다.

허원도 그룹리더는 “생체막 올가미 기술 개발을 통해 적외선이나 소형 광원을 이용한 생체막 관련 질환 치료법이나 신경세포재생연구로 발전시킬 수 있을 것”이라며, “특히 뇌 신경세포 내 소기관들의 이동과 물질 수송 연구는 기억과 학습 관련 연구분야에도 새 장을 열어줄 것”이라고 말했다.

이번 연구결과는 생명과학 분야 세계적 학술지인 네이처 케미컬 바이올로지(Nature Chemical Biology,IF 12.996) 온라인판 4월 12일자에 게재됐다.

▲ 생체막올가미 기술 적용한 신경세포의 성장

▲ 세포내 물질수송 과정

대외협력실 김주연