국내 연구진이 빛으로 뇌 신경세포 성장인자수용체를 원격제어 하는데 세계 최초로 성공했다.

미래창조과학부는 기초과학연구원(IBS)의 인지 및 사회성 연구단 허원도 그룹리더(KAIST 생명과학과 교수) 연구진에 의해 ‘광유도 뇌신경세포 성장인자수용체 (OptoTrk)’을 기술을 개발하는데 성공했다고 밝혔다.

광유도 뇌신경세포 성장인자수용체 기술은 빛으로 세포막에 위치한 특정 수용체를 원격조정 할 수 있는 광유전학분야 신기술로써 연구진은 이를 신경세포에 적용해 신경세포의 분화를 유도하는데 성공한 것이다.

이번에 개발된 광유도 뇌신경세포 성장인자수용체(OptoTrk) 기술의 핵심은 신경세포에 별도의 물질처리를 하지 않고 빛만을 사용해 신경세포가 작동하게 하는 것이다.

빛을 쬐어 주는 순간 수용체는 순식간에 활성화되고, 신경세포의 신호전달을 유도함으로써 신경세포의 성장과 분화를 유도하는 것이다.

지금까지는 생체작용물질(natural ligand)이 특정 수용체를 조절하는데 널리 사용되어 왔다. 하지만 약물을 처리할 경우 목표물 특이성이 낮기 때문에 그로 인한 부작용이 많았다.

또한 세포내 원하는 부위만 국부적으로 활성 시킬 수 없었기 때문에, 세포내 역동적인 신호전달 과정을 정량적으로 분석하는 데에는 한계가 있었다.

연구진은 이러한 기존의 문제점들을 해결하기 위해 광유전학(optogenetics)기술을 도입한 새로운 기술을 개발했다.

광유전학은 최근 생명과학의 여러 분야에서 각광 받고 있는 학문으로, 미생물이나 식물에서 발견되는 빛에 반응하는 단백질을 인간이나 동물세포에 적용해 세포의 여러 기능들을 조절할 수 있다.

연구진은 신경 영양물질에 특이적인 수용체(Trk receptor)의 말단에 청색 빛에 반응하는 단백질을 결합시켜, 빛에 반응할 수 있는 수용체를 만들어 이를 광유도Trk(OptoTrk)라 명명했다.

이 기술의 특징으로는 한 번의 빛을 조사하게 되면, 일시적인 세포내 신호 활성이 일어나게 되고 반복적인 또 다른 빛의 조사를 통해 가역적으로 조절 받을 수 있었다.

반면 지속적인 빛을 조사하자 세포내 신호 활성은 오랜 시간동안 유지되었고, 세포내에서 작용하는 기능도 위의 경우와 상이했다.

신경세포 성장물질을 처리했을 때 신경극 발아(neurite outgrowth)가 가능한 PC12 세포주에서 신경 영양 물질을 처리하지 않고도 반복적인 빛을 주자 세포에서 신경극이 뻗어져 나와 형태적으로 분화함을 관찰하였다.

또한 실제 쥐의 뇌에서 추출한 신경세포의 기능과 관련되는 사상위족(filopodia)의 개수도 증가함을 확인하였다.

이러한 빛으로 조절가능한 수용체로 생체 내 또는 생체 밖에서 시공간적으로 하위신호전달을 조정하여 여러 생물학적 기작을 더 자세히 규명 하는데 큰 도움을 줄 것이라 기대된다.

허원도 교수는 “빛을 쬐어주는 빈도를 조절함으로써 하위 신호전달의 지속성도 조절할 수 있었고, 결과적으로는 세포의 분화 또한 유도할 수 있음을 확인했다는데 이번 연구성과의 의미가 있다”고 밝혔다.

아울러 허 교수는 “현재 여러 동물 모델을 대상으로 광유도 뇌신경세포 성장인자수용체 기술을 이용한 뇌과학 연구를 진행 중”이라며 “이 기술은 뇌의 복잡한 신경망 구조에서 신경세포가 어떠한 기능을 하는지 규명해 내는데 획기적인 역할을 할 것”이라고 말했다.

한편 이번 연구 결과는 네이처 출판그룹이 발간하는 세계적 권위지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 10.015, JCR 상위 5.35%)’ 온라인 판 6월 4일자에 게재되었다.