허원도 기초과학연구원(IBS) 인지 및 사회성 연구단 그룹리더는 식물의 광수용단백질을 활용해 뇌 신경세포뿐만 아니라 일반 세포 내 다양한 단백질 조절로 광유전학 응용 분야를 확장해왔다. 허원도 그룹리더 연구팀은 채널로돕신을 이용한 신경세포 활성화뿐만 아니라 칼슘이온채널의 활성화로, 다양한 세포들의 기능을 원격 조종할 수 있는 기술의 시대를 열었다.

허 그룹리더는 지난 2012년 IBS에 합류한 이후, 광유전학에 필요한 광학 기술과 단백질 공학기술을 개발하는데 성공, 관련 연구 성과들을 연이어 내놓고 있다. 지난 2014년 네이처 메소드와 네이처 커뮤니케이션즈에 잇따라 연구성과를 게재한 데 이어, 2015년 9월에는 빛으로 세포의 칼슘 농도를 조절해 생쥐의 기억력을 2배로 높여 네이처 바이오테크놀로지의 표지논문을 장식했다.

허 그룹리더 연구팀의 광유전학 연구는 자체 개발한 광유도 분자올가미(LARIAT) 기술을 바탕으로 한다. 이름 그대로 세포에 빛을 비춰 원하는 단백질을 올가미로 잡아 묶듯이 이동을 잠시 멈추게 하는 기술이다.

연구진이 애기장대 식물에 있는 청색광 수용 단백질 중 하나인 `크립토크롬2`을 이용해 만든 융합단백질을 실험동물 세포에 발현시키고 청색광을 비추면, 빛에 반응해 커다란 단백질 복합체가 만들어진다. 복합체 안에 원하는 단백질을 가두면 기능을 저해할 수 있다. 빛을 끄면 단백질은 다시 원래 상태로 돌아간다. 빛으로 단백질의 움직임을 조종하는 것이다.

광유도 분자올가미 기술의 적용 범위는 매우 넓다. 기능을 조절하고자 하는 세포 내 특정 단백질을 청색광 수용 단백질에 결합시키면, 연구자가 원하는 단백질의 움직임과 기능만을 제어할 수 있는 올가미를 얻을 수 있기 때문이다. 지난 2014년 연구진은 광활성 세포막 수용체 기술을 개발해 신경 세포의 성장과 분화로 이어지는 신호전달을 조절하는 데 성공했다. 별도 물질 처리 없이 오직 빛을 켜고 끔으로써 신경세포의 성장과 분화를 제어할 수 있음을 확인한 것이다.

2016년 4월 허 그룹리더 연구팀은 세포 소기관의 이동을 빛으로 제어하는 데 성공해 네이처 케미컬 바이올로지에 게재했다. 이는 세포내 물질 수송을 조절하는 새로운 광유전학 기술인 생체막 올가미(IM_LARIAT) 기술을 개발한 결과로, 연구진이 만든 융합단백질을 실험동물의 암세포와 신경세포에 발현시킨 뒤 청색 빛을 비추면, 엔도좀이나 리소좀 등 많은 막 구조 세포 소기관들이 서로 응집해 이동이 일시 정지되는 현상을 확인했다. 세포의 이동 방향을 결정하는 `방향타 단백질`을 발견하여 PNAS에 논문을 게재했다.

여기서 더 나아가 같은 해 8월에는 세포의 이동 방향을 결정하는 `방향타 단백질`인 `PLEKHG3` 단백질의 새로운 역할을 발견해 PNAS에 발표했다. 역시 광유도 분자올가미 기술을 이용, 빛으로 이 단백질의 활성을 조절해 세포의 이동을 실시간으로 제어하는데 성공한 것이다.

최근 허 그룹리더는 수술이나 약물투여 없이 레이저나 LED 빛을 쏘아 알츠하이머, 암 등 칼슘이온 관련 질환의 발병원인을 밝히는 차세대 광유전학 기술들을 개발한 공로를 인정받아 4월, 이달의 과학기술인상 수상자에 선정됐다. 현재 허 그룹리더는 초기 연구 분야인 식물생물학, 세포생물학, 생화학, 뇌과학의 경계를 넘나들며 학제 간 융합과 소통을 통해 생명현상의 본질을 찾고 있다. 허 그룹리더는 "바이오이미징 기술과 광유전학을 뇌 과학 연구에 적용해 인류의 뇌 질환 극복에 기여하겠다는 것이 목표"라고 말했다. 김달호 기자

※ 이 기사는 기초과학연구원의 지원을 받아 작성 됐습니다.

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