기초과학연구원(IBS) 인지 및 사회성 연구단은 수술 없이 손전등 강도 빛을 머리에 비춰 공간 기억 능력을 향상시키는 기술을 개발했다. 이는 빛을 이용하여 비침습적으로 세포의 기능을 조절하는 광유전학(Optogenetics) 기술 중 하나로, 머리에 청색 빛을 비춰 뇌신경세포 내 칼슘 농도를 조절함으로써 공간 기억 능력을 향상시키는 기술이다.

칼슘은 세포 기능에 중요한 물질로, 세포 이동, 세포 분열, 유전자 발현, 신경전달물질 분비, 항상성 유지 등에 폭넓게 관여한다. 세포가 제 기능을 잘 수행하기 위해서는 세포 내 칼슘 농도가 적절하게 조절되어야 한다. 세포 내 칼슘 양이 부족해지면 인지장애, 심장부정맥 등 다양한 질환으로 이어질 수 있다.

연구팀은 이전 연구로 빛을 이용하여 세포 내 칼슘 농도를 조절하는 옵토스팀원(OptoSTIM1) 기술을 개발한 바 있다. 쥐 머리에 청색 빛을 쬐어주면 광수용체 단백질(CRY 단백질) 여러 개가 결합되어 복합체를 형성하며, 이 복합체가 세포의 칼슘 통로를 열면 세포 내로 칼슘이 유입된다. 옵토스팀원(OptoSTIM1) 기술은 외과적 시술에 비해 비침습적이긴 하나, 빛을 뇌 조직 내로 전달하기 위해서는 체내에 광섬유를 삽입하는 과정이 필요하다. 광섬유 삽입은 털, 피부, 머리뼈, 생체 조직 손상 및 면역력 약화 등 부작용을 유발한다는 문제점이 있다.

이번 연구에서는 옵토스팀원 기술을 발전시켜 빛에 대한 민감도를 55배 증가시킨 몬스팀원(monster OptoSTIM1, monSTIM1) 기술을 개발했다. 옵토스팀원 기술에서 사용된 광수용체 단백질(CRY 단백질)의 유전자를 변형시켜 빛에 대한 민감도를 증가시켰다. 이로써 수술 없이 살아있는 쥐 머리에 손전등 강도(1mW/mm²)의 빛을 비추는 것만으로도 뇌신경세포 내 칼슘 농도 조절이 가능해졌다.

▲ 옵토스팀원(OptoSTIM1)과 몬스팀원(monSTIM1) 기술과 세포 내 칼슘 농도의 관계. 옵토스팀원(OptoSTIM1, CRY2) 기술에서 사용된 광수용체 단백질의 빛에 대한 민감도를 55배 증가시킨 몬스팀원(monSTIM1, E281A-A9) 기술을 이용하면, 낮은 강도의 빛에서도 세포 내부의 칼슘이 증가하는 것을 관찰할 수 있다.

연구팀은 몬스팀원(monSTIM1) 기술을 이용하여 살아있는 쥐의 전대상 피질의 흥분성 신경 세포의 칼슘 농도를 조절하고, 공간 공포 행동 실험을 진행했다. 대조군과 실험군 쥐를 각각 준비한 뒤, 실험군 쥐에 몬스팀원(monSTIM1) 기술을 적용했다. 그 후, 공포감이 느껴지는 공간에 쥐를 놓았더니, 실험군 쥐가 대조군 쥐에 비해 공포감을 더 많이 느끼는 것을 관찰했다. 뇌신경세포 내 칼슘 농도가 증가하면 공간 기억 능력이 향상됨을 밝혔다.

▲ 빛 자극으로 뇌신경세포 내 칼슘 농도 조절 및 공간 공포 행동 실험

허원도 초빙연구위원은 “몬스팀원(monSTIM1) 기술을 이용하면 빛만으로 뇌를 손상시키지 않고 비침습적으로 세포 내 칼슘 신호를 쉽게 조절할 수 있다”며 “이 기술이 뇌세포 칼슘 연구, 뇌인지과학 연구 등에 다양하게 적용되길 바란다”고 말했다.

파킨슨병 초기에는 도파민 신경세포가 도파민 생성 기능을 멈춘 상태이지만 아직 사멸하지 않고 살아있다. 이 때 도파민 신경세포를 잠재우는 가바(GABA)를 조절하면 파킨슨병을 근본적으로 치료할 수 있을 것으로 기대한다.

연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 1월 10일 온라인 게재되었다.

IBS 커뮤니케이션팀
박인혜