빛을 이용해 실험 대상의 행동을 통제하거나 조작하는 연구가 진행되고 있다. 본교 백자현(생명대 생명과학부) 교수 연구팀은 실험용 쥐의 도파민 분비를 조절해 행동을 분석하는 연구를 진행하고 있다. 허원도(KAIST 생명과학과) 교수 연구팀은 2015년 10월 쥐의 기억력을 높이는 데 성공했다. 허원도 교수 연구팀은 지난 2015년 10월 쥐의 칼슘 채널을 빛으로 조절하는 새로운 기술을 발표했다. 앞서 소개한 것처럼 빛을 이용해 칼슘 채널을 활성화하자 쥐의 기억력이 두 배가량 향상됐다. 허원도 교수는 세포 내 칼슘량 가가 기억력에 관련된 특정 유전자의 발현을 유도해 쥐의 기억 생성 과정을 더 효율적으로 만들었을 가능성을 염두에 두고 연구 중이다. 이들 연구에는 공통적인 특징이 있는데 바로 빛을 이용해 실험대상의 뇌를 조작했다는 것이다.

▲ 본교 백자현 교수의 실험실, 실험용 쥐 머리에 광섬유 장치가 연결돼 있다. 사진 | 서동재 기자

빛으로 켜는 스위치를 달다

앞서 설명한 연구에서는 빛을 이용해 세포를 조작했다. 이 기술을 광유전학 기술이라고 한다. 광유전학(Optogenetics) 기법은 빛(opto-)과 유전학(genetics)의 합성어로, 특정 신경세포를 유전학적 기법으로 빛에 반응하도록 조작해 세포를 조종하는 기술이다.

이 기술은 바닷속 해조류에서 영감을 얻었다. 조류 중에는 빛이 오는 방향으로 움직이는 종이 있는데, 이들에게는 빛에 반응하는 단백질이 있어 빛이 들어오면 이온채널이 열린다. 한국과학기술연구원(KIST) 기능커넥토믹스연구단 이호진 연구원은 “광유전학 기법에 사용되는 것들은 일종의 이온 통로로서 특정 파장대 빛의 유무에 따라 선택적으로 열리고 닫히는 특성이 있다”고 말했다. 이런 특성은 나타난 이온 통로의 종류에 따라 신경 세포를 활성 시키거나 억제할 수 있다.

이러한 혁신적인 방법은 칼 다이서로스(Karl Deisseroth, 스탠퍼드대 하워드휴즈의학연구소) 교수의 연구 결과로 세상에 나왔다. 2005년 칼 다이서로스 교수는 단세포 녹조류에서 ‘채널로돕신 2(ChR2)’이라는 단백질을 추출해 실험 배양한 포유류 신경세포에 이식했다. 연구결과 채널로돕신2를 이식한 신경세포에 빛을 쬐어주자 신경세포가 활성화되는 것을 확인했다. 이 연구결과 발표 이후 다양한 광유전학 기법이 연구되고 있다. 이외에도 빛을 받으면 신경세포의 과분극을 유도해 신호전달을 억제하는 할로로돕신(halorhodopsin)과 인간의 망막에 있는 멜라놉신(melanopsin) 등 빛에 반응하는 단백질이 있다.

정교한 신경회로 조작 가능해

광유전학 기법은 인체에 해가 없을 정도로 약한 바이러스를 이용해 빛에 반응하는 유전자 정보를 주입한다. 바이러스는 생체 내 세포들에 유전자 정보를 전달하는 일종의 전달 수단이다. 바이러스를 통해 주입된 유전자는 세포에서 발현돼 빛에 반응하는 단백질을 형성한다. 이렇게 만들어진 단백질이 특정 파장의 빛에 반응해 신경세포를 조종할 수 있다. 빛으로 특정 신경세포만 활성화하는 이러한 기술은 정교한 신경회로 조작을 가능케 했다. 백자현 교수는 “광유전학은 원하는 부위의 특정 신경 세포에 한정적으로 발현하도록 해 현재 각광받는 연구방법”이라고 말했다.

이전에는 뇌에 직접 전극을 꽂아 전류를 흘려보내는 방법을 사용하기도 했지만, 이 방법은 뇌 신경세포에 관한 정확한 연구가 어렵다는 단점이 있었다. 백자현 교수는 “뇌에는 무수히 많은 종류의 신경세포가 섞여 있는데, 전극을 꽂아 자극하면 그 주변의 신경세포를 모두 자극하게 돼 어떤 신경세포가 반응한 것인지 알기 어렵다”고 말했다. 광유전학 기술을 이용하면 원하는 신경세포만 자극해 연구에서 다른 변수가 작용할 확률을 줄일 수 있다.

정확한 뇌지도 제작 선행돼야

아직 광유전학은 초기 단계에 있다. 광유전학 활용을 위해서는 각각의 신경세포가 하는 기능에 대해 알아야 한다. 이를 위해 뇌의 기능에 대한 많은 연구가 필요하다.

광유전학 기술을 이용한 뇌 조작 연구가 더욱 성공적인 결과를 내기 위해서는 특정 신경세포의 자극에 대한 정확한 뇌지도가 있어야 한다. 정확한 지도가 있어야 정확한 장소를 찾아갈 수 있기 때문이다. 뇌지도 제작이 완성되면 원하는 부분을 정확히 자극해 의도치 않은 부가작용을 줄일 수 있게 된다. 이인아(서울대 뇌인지과학과) 교수는 “한 신경망에 대한 조작은 우리가 이해하지 못하는 다른 신경망에 영향을 끼쳐 의도치 않은 결과를 초래할 가능성이 있다”라고 말했다. 뇌의 작동원리를 완전히 이해하지 못한 상황에서 가해지는 뇌 조작은 다른 부작용으로 나타날 수 있다는 것이다.

실제 인간에게 활용하기 위해서는 기술과 장치의 안전성 검증이 필요하다는 의견도 있다. 안전성이 검증된 바이러스라고는 하나 바이러스를 직접 주입하는 것에 대한 저항감이 있을 수 있다. 또한, 광유전학 연구에 사용되는 LED 장치를 연구했던 김태일(성균관대 화학공학부) 교수는 “인간의 뇌가 훨씬 크고 복잡하기에 원하는 곳에 장치를 심는 기술이 필요할 것이며 뇌에 이식하는 장치도 생체 친화적인지 아닌지 검증돼야 한다”고 말했다.

이경주 기자  race@kukey.com