IBS 신희섭 단장 연구팀, 빛으로 칼슘농도 조절
단백질 유전자 변형으로 빛 민감도 55배 증가시켜

옵토스팀원(OptoSTIM1)과 몬스팀원(monSTIM1) 기술과 세포 내 칼슘 농도의 관계.<사진= IBS>
옵토스팀원(OptoSTIM1)과 몬스팀원(monSTIM1) 기술과 세포 내 칼슘 농도의 관계.<사진= IBS>
복잡한 뇌 영역을 수술하지 않고 손전등 빛으로 공간 기억 능력을 향상시키는 기술이 개발됐다.

IBS(기초과학연구원·원장 노도영)는 인지및사회성 연구단 사회성 뇌과학 그룹 허원도 초빙연구위원(KAIST 생명과학과 교수), 신희섭 단장과 이상규 연구위원 연구팀이 머리에 빛을 비춰 뇌신경세포 내 칼슘 농도를 조절함으로써 공간 기억 능력을 향상 시키는 비침습적인 기술을 개발했다고 21일 밝혔다.

칼슘은 세포 기능에 중요한 물질로 세포 이동, 분열, 유전자 발현, 신경전달 물질 분비, 항상성 유지 등에 폭넓게 관여한다. 세포가 제 기능을 잘 수행하기 위해서는 세포 내 칼슘농도가 적절하게 조절되어야 한다. 세포 내칼슘 양이 부족해지면 인지장애, 심장부정맥 등 다양한 질환으로 이어질 수 있다. 신희섭 단장 연구 그룹은 칼슘 관련 유전자가 결핍된 쥐에서 공감 공포 학습이 감소한다는 사실을 밝혀낸 바 있다.

허원도 교수 연구팀은 이전 연구에서 세포에 빛을 비춰 세포 내 칼슘 농도를 조절하는 옵토스팀원(OptoSTIM1) 기술을 개발한 바 있다. 옵토스팀원 기술은 빛을 이용해 비침습적으로 세포의 기능을 조절하는 광유전학 기술이다. 쥐 머리에 청색 빛을 쬐어주면 광수용체 단백질 여러개가 결합되는데 이 단백질 복합체가 세포의 칼슘 통로를 열면 세포 내로 칼슘이 유입된다.

옵토스팀원 기술을 이용하려면 생체 내에 광섬유를 삽입해 빛을 뇌 조직내로 전달하는 과정이 필요하다. 광섬유 삽입은 털, 피부, 머리뼈, 생체 조직 손상과 면역력 약화 등 부작용을 유발하다는 문제점이 있다.

연구팀은 옵토스팀원 기술에서 사용된 광수용체 단백질의 유전자를 변형시켜 빛에 대한 민감도를 55배 증가시킨 몬스팀원(monster OptoSTIM1, monSTIM1) 기술을 개발했다. 수술없이 살아있는 쥐 머리에 손전등 강도의 빛을 비추는 것만으로도 뇌신경세포 내 칼슘 농도가 증가하고 공간 기억 능력이 향상됨을 확인했다.

빛 자극으로 뇌신경세포 내 칼슘 농도 조절 및 공간 공포 행동 실험.<사진= IBS>
빛 자극으로 뇌신경세포 내 칼슘 농도 조절 및 공간 공포 행동 실험.<사진= IBS>
또 머리뼈 근처 뇌 피질뿐만 아니라 뇌 깊숙하게 위치한 해마와 시상의 뇌신경세포 내 칼슘 농도 증가를 관찰했다. 몬스팀원 기술을 이용해 살아있는 쥐의 전대상 피질의 흥분성 신경세포의 칼슘 농도를 조절하고 공간 공포 행동 실험했다. 그 결과 뇌신경세포 내 칼슘이 증가하면 공간 기억 능력이 향상됨을 알아냈다. 뇌 영역중 전대상 피질은 공감 공포 학습행동 모델쥐가 고통을 인지하는 신경세포 활성과 관련된 뇌 영역이다.

이처럼 몬스팀원 기술을 이용하면 빛 자극으로 쥐의 생리 현상에 지장을 주지 않으면서 뇌신경세포의 칼슘 농도를 실시간 조절할 수 있다. 수술없이 살아있는 동물의 뇌신경세포를 조절하는 것 뿐 아니라 향후 세포 수준에서 개체 수준까지 칼슘의 역할이나 칼슘에 의한 신경행동적인 변화를 규명하는 연구에 활용될 것으로 기대된다.

허원도 교수는 "몬스팀원 기술을 이용하면 빛만으로 뇌를 손상시키지 않고 비침습적으로 세포 내 칼슘 신호를 쉽게 조절할 수 있다"면서 "뇌세포 칼슘연구, 뇌인지과학연구 등에 다양하게 적용되길 기대한다"고 말했다.

이번 연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈에 10일 오후 7시(한국시간) 온라인 게재됐다. 제1저자로는 김성수 연구원과 경태윤 연구원이 참여했다.

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