동물 행동 조종하는 '뇌세포 리모컨' 나왔다
국내 연구팀이 자기장으로 뇌세포의 활성을 제어해 뇌 기능을 조절하는 기술을 개발했다. 뇌에 칩을 직접 이식하지 않고 뇌의 기능을 조절할 수 있어 뇌 과학과 의학 분야에 널리 활용될 것으로 기대를 모으고 있다.
기초과학연구원(IBS) 나노의학연구단 천진우 단장과 이재현 연구위원은 28일 자기장에 반응하는 나노미터(㎚·10억분의 1m) 크기의 단백질로 이온 채널을 열고 닫아 뇌 세포 안팎의 이온 농도를 조절해 뇌 세포 활성을 제어하는 ‘나노 자기유전학 기술’ 개발했다고 밝혔다.
사람 몸의 신경세포는 세포 내 양이온과 음이온의 농도를 조절해 전기 신호를 만들고 전달한다. 칼슘(Ca) 이온이 세포 내부로 유입되면 뇌세포가 활성화되면서 전기 신호를 생성하고 뇌 신경을 통해 신호가 전달되면 중추 신경계가 몸의 각종 부위를 움직이게 하는 원리다. 세포막을 관통하고 있는 이온 채널은 이온이 드나드는 통로 역할을 한다.
이온 채널은 종류에 따라 문을 열고 닫는 방식이 다양하다. 빛을 받으면 작동하거나 세포 안팎의 양이온과 음이온의 농도에 따라 작동하기도 한다. 이중 '피에조' 이온 채널은 사람이 문을 여닫는 것처럼 물리적인 힘이 작용해야 작동한다.
연구팀은 피에조 이온 채널에 자기장에 반응하는 단백질인 ‘나노나침반’을 붙이고 회전력(토크)으로 이온 채널을 열고닫는 기술을 개발했다.
연구팀은 먼저 피에조 이온 채널을 뇌세포의 세포막에 만들기 위해 신종 코로나바이러스 감염증(COVID-19·코로나19) 백신 중 mRNA 백신에 쓰이는 기술을 이용했다. mRNA 백신은 독감을 유발하는 아데노바이러스의 독성을 없앤 후 코로나19의 스파이크 단백질을 만드는 유전자를 집어 넣어 만든다. 연구팀은 그 대신 피에조 이온 채널을 만드는 유전자를 집어넣었다.
몸속에 들어간 아데노바이러스는 이 유전자를 읽어 세포막에 이온 채널을 만든다. 연구팀은 이렇게 만들어진 피에조 이온 채널에 특수 주사기로 크기가 500nm(나노미터·10억분의 1m)인 나노나침반을 붙였다.
피에조 이온 채널을 열고 닫기 위해서는 1~10피코뉴턴(pN·1피코뉴턴은 1조분의 1뉴턴)에 해당하는 힘이 필요하다. 힘이 이보다 작으면 이온 채널이 작동하지 않고 크면 이온 채널이 훼손될 우려가 있다. 연구팀은 자기장 생성 장치로 세기가 25밀리테슬라(mT·자기장의 세기를 나타내는 단위) 자기장을 생성한 후 이 자기장 세기에서 5피코뉴턴의 회전력이 생기도록 나노나침반을 설계했다.
연구팀은 쥐를 대상으로 실험을 진행했다. 쥐의 우뇌에 있는 운동 신경 세포에 피에조 이온 채널을 만들고 나노나침반을 붙인 후 자기장 생성 장치로 자기장을 만들었다. 그 결과 멈춰있던 쥐가 움직이기 시작했고 왼발의 운동 신경이 활성화돼 쥐가 반시계방향으로 뱅글뱅글 도는 것을 확인했다. 이때 쥐의 평균 운동 속도는 대조군의 평균 운동 속도의 5배였다.
기존의 뇌 과학 분야에서 뇌세포의 활성을 조절할 때는 작은 칩을 뇌에 삽입하거나 광섬유를 직접 연결해 빛으로 조절하는 방식을 주로 활용했다. 이 기술을 이용하면 칩이나 광섬유를 삽입하기 위해 수술할 필요가 없고 자기장은 빛과 달리 인체 침투력이 높아 신체 곳곳의 이온 채널을 원격으로 조절할 수 있다.
천 단장은 "피에조 이온 채널이 물리적인 힘으로 작동한다는 사실은 이미 알려졌지만 실제로 채널을 작동시키고 동물의 행동을 제어한 건 처음"이라며 "운동 신경세포뿐 아니라 청각, 시각 세포에도 적용할 수 있어 파킨슨병 같은 뇌 관련 질환 치료, 면역 조절, 두뇌의 작동 원리 규명 등 뇌과학을 연구하는 새로운 방법으로 거듭날 것"이라고 말했다. 이 연구는 국제 학술지 '네이처 머티어리얼스' 인터넷판 1월 28일자에 실렸다.
[김우현 기자 mnchoo@donga.com]
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