KIST, 뇌 회로 작동 보여주는 센서 개발

조지 어거스틴 교수

아주경제 이한선 기자 = 국내 유치 해외 연구진이 뇌 회로의 작동을 눈으로 보여주는 센서를 개발했다.
 
한국과학기술연구원(KIST)은 기능커넥토믹스연구단 조지 어거스틴 박사팀이 복잡한 뇌의 연결구조를 빛을 이용하여 눈으로 볼 수 있게 만드는 기술을 개발했다고 25일 밝혔다.
 
이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 세계수준의 연구센터(WCI) 사업의 일환으로 신경과학 분야의 권위있는 학술지인 저널 오브 뉴로사이언스 10월호에 게재됐다.
 
뇌가 제 기능을 수행하는데 가장 기본이 되는 시냅스는 흥분성 시냅스와 억제성 시냅스로 구분되는데 두 개의 시냅스가 균형을 이룰 때 신경회로는 정상적인 기능을 할 수 있다.
 
시냅스간의 소통은 +와 - 성질을 가진 이온의 교환을 통해 이뤄지는 가운데 억제성 시냅스가 활성화 되는지 여부는 세포 내의 염소 이온(Cl-)의 농도 변화에 의해 조절된다.
 
억제성 신경망 연구에 신경세포 내의 염소 이온 농도 측정을 위해 연구진은 빛을 이용했다.
 
형광 단백질은 특정 파장의 빛에 각각 반응해 고유한 파장의 빛을 내는 성질이 있다.
 
다른 두 가지 형광단백질이 가까운 거리 내에 적절한 방향으로 존재하면 하나의 형광단백질에서 발산한 파장의 빛에 의해 옆의 형광단백질이 활성화돼 빛을 발산하는 FRET 반응이 일어나 두 형광단백질 중 빛을 받는 단백질은 염소 이온과 결합이 가능하다.
 
두 가지 형광단백질을 연결하면 염소 이온 존재 여부에 따라 발산하는 빛의 파장이 달라지는 센서로 역할을 할 수 있다.
 
이러한 원리에 의해 고안된 센서단백질이 클로멜레온이다.
 
기존의 클로멜레온은 신호 대 잡음비가 낮아 염소 이온 농도 측정에 오차를 유발할 수 있고 염소 이온 농도에 따른 FRET 비율의 변화 폭이 좁은 가운데 클로멜레온을 만드는데 막대한 시간이 소요되는 한계를 가지고 있었다.
 
어거스틴 박사는 듀크대 핼링어 박사 연구팀과 공동으로 단시간 내에 최적의 클로멜레온을 제작하는 단백질 제작 자동화로봇 시스템을 개발하고 새로운 염소 이온 센서 단백질, 슈퍼클로멜레온을 만들었다.
 
기존의 전통적인 분자생물학적, 생화학적 방법으로는 한 번에 한 가지 돌연변이 단백질 밖에 만들 수 없었지만 새로운 자동화로봇시스템은 384개의 돌연변이 후보 단백질을 단 한 번의 작동으로 만들 수 있다.
 
슈퍼 클로멜레온은 기존에 비해 FRET 비율의 변화폭이 2배 이상 증가했고 높은 신호 대 잡음비를 얻을 수 있어 오차를 줄 일 수 있었다.
 
슈퍼클로멜레온을 이용하면 보다 선명한 이미지를 통해 염소 이온의 농도 측정할 수 있고 높은 해상도의 억제성 신경회로망 규명이 가능하다.
 
이처럼 특정 파장의 빛으로 활성이 조절되거나 혹은 특정한 이온, 막전위 등에 반응해 빛을 내는 단백질을 신경세포 내로 도입해 뇌 회로를 연구하는 것이 광유전학 기술이다.
 
연구는 센서단백질을 신경세포에 도입 및 발현시켜 신경세포 활성 여부를 광학 현미경을 통해 관찰하고 얻어진 이미지를 분석해 살아있는 쥐에서 특정부분의 뇌가 어떻게 작용하는지 효율적으로 파악할 수 있는 방법을 제시했다.
 
또 복잡한 신경회로가 어떻게 기능하는지를 분석하는데 토대를 마련해 특정 뇌질환 및 유전병의 원인 규명이 가능할 것으로 기대된다.
 
조지 어거스틴 박사는“이번 연구를 통해 최적의 단백질을 단시간 내에 제조하는 기술 개발에 성공했고 이를 광유전학 기술과 결합해 뇌 활동을 이미지화하는 획기적인 신경기능 회로 연구의 토대를 마련했다”며 “국내 단백질 공학 수준을 한 단계 끌어올리는 계기가 될 수 있을 것”이라고 밝혔다.