빛을 비춰 신경세포 활동을 제어하는 광유전학(optogenetics)에서 뇌수술을 하지 않고도 외부에서 빛을 비춰 뇌 신경세포를 제어하는데 성공했다는 논문이 발표됐다.
광유전학이라는 말을 제창한 건 스탠퍼드대학 신경생물학자인 칼 다이서로스(Karl Deisseroth). 광유전학이란 유전자 편집에 의해 빛에 반응하는 광감수성 단백질을 세포 내에 발현시킨 세포 정보를 빛 자극에 의해 유도하는 새로운 기법을 이용해 세포 활동을 연구하는 학문 영역이다.
광유전학의 문을 처음 연 건 막스플랑크생물학연구소 페터 헤게만(Peter Hegemann) 등이 1991년 발표한 논문. 이들은 단세포 조류 클라미도모나스(Chlamydomonas)가 빛을 따라 헤엄치는 방향을 바꾸는 것에 주목하고 빛이 클라미도모나스 움직임에 영향을 주는 구조로 광과민성 단백질인 로돕신이 관계하고 있다는 걸 밝혀냈다.
이어 2005년 칼 다이서로스가 광과민성 단백질 일종인 채널 로돕신2 ChR2를 배양접시에서 해마에서 유래한 신경세포에 발현시켜 빛을 통해 신경 활동을 밀리초 단위로 제어하는데 성공했다.
2007년에는 살아있는 쥐 신경세포에서 광유전학 기술을 응용하는데 성공했다는 논문도 발표됐다. 이에 따라 다이서로스는 광유전학 기술을 응용해 쥐에 빛으로 공포 기억을 유발시키는 실험에 성공했다. 2013년에는 일본 연구팀이 빛을 비춰 과실 기억을 인위적으로 만들어내는데 성공했다.
살아있는 쥐 뇌에 있는 신경세포를 빛으로 조작하려면 세포를 제어하는 뇌에 광펄스를 조사해야 하며 테더링한 광섬유에서 작은 무선 임플란트와 신축성 있는 척추 임플란트 등 수술을 통한 임플란트 삽입이 필요했다.
다이서로스는 2019년 해양 생물에서 발견한 ChRmine라는 새로운 광과민성 단백질을 쥐 뇌 세포에 발현시켰다. 그리고 두개골 외부에서 붉은 빛을 비춰 최대 7밀리미터 깊이에 있는 뇌와 뇌간 신경세포를 밀리 초 단위로 제어하는데 성공한 것.
기존 광유전학 기술은 빛에 민감한 단백질을 발현시키기 위해 특정 형질 유전자를 주입한 바이러스를 뇌에 주사해야 했다. 연구팀은 이를 방지하기 위해 2016년 캘리포니아공과대학이 개발한 PHP 바이러스를 혈액에 주사하는 방법을 취했다. 다시 말해 광원 뿐 아니라 광과민성 단백질 유전자도 뇌에 대한 비침습성 방법으로 주입된 셈이다.
연구팀은 이번에 발표한 비침습 방법을 쥐 뿐 아니라 물고기에도 응용할 수 있을지 시험 중이다. 또 다른 연구팀과 협력해 인간 이외 영장류에 응용하는 연구도 진행하고 있다고 한다. 연구팀은 이는 16년간 실시해온 연구의 마무리가 될 것이라면서 광범위하게 적용 가능한 연구 도구가 되기를 희망한다고 덧붙였다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.