우리 인체는 무수한 단백질로 구성돼 있으며 신경세포들의 통신에 의해 외부 자극에 반응할 수 있게 된다. 특히 신경세포가 서로 통신할 때 세포들이 서로 맞닿아 각자의 의견을 교환하게 되는데, 뇌에서의 신경전달은 신경세포 말단의 시냅스에서 신경전달물질을 저장하는 포낭 주머니가 세포막에 융합되며 활성화된다.

하지만 이러한 활성화는 저절로 발생하지 않으며 많은 에너지 장벽에 의해 어려움을 겪는다. 이때 가장 중요한 역할을 하는 단백질이 바로 스네어(SNARE) 단백질로, 이는 신경전달물질의 분출에서 핵심을 차지하고 있다.

스네어 단백질은 수 년 전부터 학계에서 매우 중요한 단백질로 평가를 받아왔다. 신경세포를 파괴하지 않으면서도 신경세포를 제어할 수 있는 물질인 만큼, 스네어 단백질의 신경물질 조정과정을 파악하는 것은 학계의 연구에서 매우 중요한 사안으로 떠올랐다.

스네어 단백질 원리 규명


이런 가운데 국내 연구진이 그동안 밝혀지지 않은 스네어 단백질의 숨겨진 구조를 밝혀내 주목을 받고 있다. 카이스트 물리학과의 윤태영 교수팀이 자기력 나노집게를 이용, 뇌신경세포 사이의 신경물질전달에서 가장 중추적인 역할을 수행하는 스네어 단백질의 작동원리를 단분자 수준에서 밝혀낸 것이다.

이번 연구가 주목을 받는 것은 ‘단백질-단백질’ 상호작용을 단분자 수준에서 밝혀냈다는 점에서 그 가치를 인정받았을 뿐 아니라, 해당 연구를 기반으로 향후 퇴행성 뇌질환이나 신경질환과 연관된 질병의 예방 및 치료에도 새 문을 열 수 있을지에 대한 기대가 작용했기 때문이다.

윤태영 교수팀은 스네어 단백질의 작동원리를 규명하기 위해 자기력 나노집게를 이용, 피코 뉴턴(pN) 수준의 힘으로 단백질에 정교한 힘을 가하며 나노미터 수준의 물리적 변화를 실시간으로 측정했다.

“스네어 단백질은 신경세포 전달이 가능하도록 힘을 내는 단백질이라고 볼 수 있습니다. 우리팀의 연구는 과연 스네어 단백질이 어떻게 힘을 내는지를 알아내는 것이었습니다. 스네어 단백질은 네 개의 코일이 꼬여지면서 어떠한 힘을 발생하거든요. 하지만 지금까지는 어떻게 이 단백질이 힘을 내는지 제대로 알려지지 않았어요. 우리 연구팀은 이를 실험하기 위해 두 개의 자성을 이용, 물리적 변화를 관찰했습니다.”

윤태영 교수팀은 자기력 나노집게를 이용해 단분자 수준에서 단백질 구조 변화를 실시간으로 측정했다. 피코 뉴턴(pN) 수준의 힘으로 단백질 하나를 정교하게 당겼다 놓으면서 실험을 이어간 것이다. 그 결과 힘이 너무 많이 가해지면 찢어지고, 반대로 힘이 전혀 발생하지 않으면 신경세포들이 그대로 붙어버린다는 것을 알 수 있었다.

“우리는 연구를 통해 스네어 단백질은 늘 절반이 붙어있는 상태라는 것을 알 수 있었습니다. 이것은 미세한 힘을 가함으로써 알게 된 사실인데, 기존의 연구는 힘을 가하지 못하거나, 혹은 세기를 조절하기 못해 항상 붙어 있거나 떨어져 있는 상태의 스네어 단백질만을 관찰할 수 있었던 거죠. 스네어 단백질이 절반이 붙은 상태로 신경세포의 통신을 기다리고 있다는 것은 0 혹은 1이 아닌, 중간상이 존재한다는 의미입니다.”

생체신호는 디지털과 같이 0과 1, 극단적인 상태에서 일을 하는 게 아닌 다양한 변수와 변화 속에서 계속 변화하는 유기체다. 때문에 우리 인체의 스네어 단백질은 완전히 붙지도, 혹은 떨어져 있지도 않은 중간상의 상태로 존재하면서 신경세포의 신호가 떨어질 때 빨리 반응한다.

“절반만 붙어 있는 상태로 있는 것은 신경세포 통신에 이용하기 위해서입니다. 신경세포가 빨리 신호를 처리해줘야 우리 인체가 정상적으로 작동할 수 있겠죠. 때문에 절반만 묶은 상태로 기다리고 있는 것입니다. 이 상태라면 반사신경 등에 의해서도 자극에 대한 반응을 금세 나타낼 수 있죠.”

윤 교수는 이러한 연구를 그동안 생물학 연구자들이 많이 진행한 것이라고 이야기했다. 다만 구체적인 작동원리에 대해서는 증명이 되지 않았던 것이다. 윤 교수는 “절반만 묶은 상태는 평소에는 존재하지 않는다. 때문에 우리 연구팀은 자성을 이용해 미세한 힘을 걸어놓음으로써 이를 확인할 수 있었다”고 밝혔다.

실제로 인체에서 신호를 전달하는 세포와 신호를 받는 세포는 기본적으로 서로를 밀쳐내려는 힘을 갖고 있다. 때문에 스네어 단백질이 이 둘의 관계를 결합을 해줘야, 정상적인 신호체계가 이어질 수 있는 것이다. 여기서 윤 교수팀이 마련한 자성의 힘은 세포가 서로를 밀어내는 힘에 비교할 수 있다.

“실제로 우리 연구팀이 힘의 정교한 조절을 통해 생체막 사이의 스네어 단백질의 상황을 묘사한 것은 우리 인체에서 발생하고 있는 현상을 거의 그대로 나타낸 것이라고 볼 수 있습니다. 스네어 단백질의 중간구조는 생체막이 서로 밀어내는 힘을 견디고 유지하면서 신경물질을 주고받는 과정을 조절하는 역할을 하는 것이죠.”

멀리 가기 위해 깊이 판다


윤 교수팀의 이번 연구는 응용연구가 아닌 기초연구에 속한다. 가장 근본적인 물음을 탐구한 것으로, 당장은 눈에 띄는 변화가 없을지라도 이러한 기반이 탄탄해지면 향후 더욱 많은 응용연구를 진행할 수 있어 매우 의미가 있다. 더욱 멀리 가기 위해 깊이 파는 단계라고 볼 수 있다.

“이번 연구는 단백질 상호작용에 대한 연구입니다. 사실 하나의 분자수준에서 단백질 수준의 상호작용을 읽어냈다는 것은 세계적으로 매우 높은 수준이라고 할 수 있습니다. ‘단백질-단백질’ 상호작용에 대한 연구는 어려움이 많았거든요. 지금까지는 DNA나 RNA 등의 핵산물질에 대한 연구가 주를 이뤘는데, 점차 우리 인체에서 실제적인 기능을 수행하는 단백질에 대한 탐구로 많은 연구들이 옮겨가는 추세에 있어요. 따라서 핵산물질 혼자만의 거동이나, 혹은 핵산물질과 단백질의 상호작용이 아닌 단백질과 단백질의 상호작용을 역학적 기법으로 한국에서 연구가 이뤄졌다는 점에서 의의가 있다고 할 수 있죠.”

윤태영 교수가 이번 연구를 진행한 것은 2010년부터다. 단백질 연구는 크게 두 분야로 나눠지는데, 한 가지가 형광기법으로 연구를 진행하는 것이라면 다른 하나는 역학적 기법으로 단백질의 작동원리를 관찰하는 것이다.

“지난 2010년 스네어 단백질, 그리고 스네어 단백질과 같은 역할을 하는 시냅토테그민 단백질에 대한 두 가지 연구를 진행해서 사이언스 지에 발표한 적이 있어요. 그 가운데 스네어 단백질을 좀 더 구체적으로 알고 싶다는 생각이 들었죠. 기존의 형광기법은 실험을 쉽게 진행할 수 있지만 단백질 안에서의 작동원리를 정교하게 알 수 없거든요. 때문에 역학적 기법을 선택하게 됐습니다. 역학적 기법은 실험과정은 비록 힘들어도 실험이 성공하게 되면 단백질 내에서 어떤 일이 발생했는지, 구조를 아는 데 더욱 정확히 접근할 수 있죠.”

이번 연구는 새로운 연구기법을 만들었다는 점과, 스네어 단백질을 명확히 분석함에 따라 신경세포 통신의 분자 메커니즘을 명확히 규명하는 큰 툴(tool)을 가졌다는 데 큰 의의가 있다. 더불어 치매나 알츠하이머 같은 퇴행성 뇌질환과 스네어 단백질의 연관성이 조심스럽게 거론되고 있는 상황인 만큼, 이번 연구 결과로 다양한 퇴행성 뇌질환을 연구할 수 있을 것으로 보인다.

“지금까지는 절반만 붙어 있는 스네어 단백질이 어떻게 완전히 붙어가는지에 대해 연구를 진행했는데, 앞으로는 이것을 어떻게 풀어가는가에 대한 연구를 진행하려고 합니다. 신경세포가 이 스네어 단백질을 풀어주거든요. 그래야만 재활용을 할 수 있기 때문이죠. 우리의 인체 활동은 매우 활발한데, 붙어 있는 상태로만 지낼 수 없거든요. 붙고 떨어지는 것의 반복이 우리 인체를 계속 리프레시(refresh) 할 수 있게 해주죠.”

이를 위해 독일의 막스 플랑크 연구소와 공동연구를 진행하고 있다는 윤태영 교수. 앞으로 그의 새로운 연구를 계속 기대해 본다.