뇌 신호 끊고 다시 잇는다…DGIST, 빛 제어 ‘생체 스위치’ 개발

스탠퍼드 공동연구진, 광제어 플랫폼 ‘LATeNT’ 개발

쥐 실험서 불안 행동 조절 회로 확인

췌장 베타세포에도 적용…연구 결과 ‘네이처 메소드’ 게재

DGIST 뇌과학과 엄지원 교수 연구팀. (앞줄 왼쪽부터) 엄지원 교수, 김동욱 박사, (뒷줄 왼쪽부터) 전영현 연구원, 김병찬 박사과정생, 김현호 박사 ⓒDGIST

대구경북과학기술원(DGIST)은 엄지원 뇌과학과 교수 연구팀이 미국 스탠퍼드대학교 Alice Ting 교수 연구팀과 빛으로 신경세포 사이의 신호 전달을 일시 차단한 뒤 되돌리는 광제어 플랫폼 ‘LATeNT’를 개발했다고 6일 밝혔다.

LATeNT는 특정 시냅스가 행동과 질환에 어떤 영향을 주는지 시간과 위치를 나눠 살필 수 있는 연구 도구다. 시냅스는 신경세포끼리 정보를 주고받는 연결 부위다. 기존 광유전학 기술은 주로 이온 통로를 이용해 신경세포의 전기적 활동을 조절해 특정 시냅스의 신호를 장시간 억제하면서 완전히 회복시키는 데 한계가 있었다.

연구팀은 신경전달물질 분비에 관여하는 단백질을 자르는 파상풍 신경독소에 빛을 감지하는 ‘LOV(light-oxygen-voltage) 단백질’을 결합했다. 이렇게 만든 LATeNT는 청색광을 받으면 활성화돼 신경전달물질을 담은 소포가 세포막과 융합할 때 필요한 VAMP2 단백질을 절단한다.

동물 실험에서 약한 청색광을 10~20분 비추자 시냅스 전달이 억제됐고, 빛 자극을 멈춘 뒤 24시간 안에 기능이 회복됐다. 어두운 조건에서는 LATeNT 활성이 검출되지 않았다.

연구진은 생쥐 해마의 특정 억제성 신경세포 신호를 일시 차단해 이 세포군이 불안 유사 행동을 조절하는 뇌 회로에 관여한다는 사실을 확인했다. 췌장 베타세포에서는 빛 자극으로 인슐린 분비를 억제할 수 있음을 입증했다.

연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 메소드(Nature Methods)’ 온라인판에 게재됐다. 노희광 박사와 김동욱 박사가 공동 제1저자로 참여했다. 이번 성과는 생쥐와 세포 수준에서 검증한 연구 플랫폼으로, 아직 질환 치료에 직접 적용하는 단계는 아니다.

엄 교수는 “LATeNT는 특정 시냅스 단백질의 기능을 시공간적으로 제어할 수 있는 최초의 분자 도구로서 신경회로 연구의 정밀도를 획기적으로 높였다”며 “향후 AAV(아데노연관바이러스) 유전자 전달 기술이나 약물 제어 시스템과 융합하면 뇌 신경질환은 물론 암, 대사, 면역 질환을 아우르는 정밀 맞춤형 치료 플랫폼으로 확장될 수 있을 것”이라고 강조했다.