청색광 한 번에 시냅스 제어…24시간 뒤 기능 복원

DGIST 엄지원 뇌과학과 교수 연구팀과 앨리스 팅 미국 스탠퍼드대 교수 연구팀이 약한 청색광을 한 차례 비춰 신경세포 사이의 신호 전달을 차단하고, 빛을 제거한 뒤 약 24시간 안에 기능을 자연 회복시키는 광제어 플랫폼 ‘LATeNT’를 개발했다. 뇌 신경회로뿐 아니라 인슐린 분비까지 제어할 수 있어 생체 기능 연구의 활용 범위를 넓힐 기술로 평가된다.

LATeNT는 파상풍 신경독소에 빛을 감지하는 LOV 단백질을 결합한 구조다. 청색광이 들어올 때만 신경전달에 필요한 VAMP2 단백질을 절단해 시냅스 신호를 멈춘다. 연구팀은 쥐의 해마에 있는 특정 억제성 신경세포 신호를 일시적으로 차단해 이 세포가 불안 행동 조절에 핵심 역할을 한다는 점을 확인했다. 신경전달 억제 효과는 기존 광유전학 기술보다 강하고 오래 지속됐다.

시냅스는 신경세포가 정보를 교환하는 연결 부위로, 기능 이상은 우울증과 불안장애, 자폐스펙트럼장애 등 여러 신경정신질환과 관련된다. 기존 광유전학은 신경세포의 전기적 활동을 조절하는 데 효과가 있었지만, 선택한 시냅스의 전달 기능을 장시간 억제한 뒤 원래 상태로 되돌리는 데 제약이 있었다. LATeNT는 시간과 공간에 따라 특정 시냅스 단백질의 기능을 가역적으로 조절하도록 설계돼 이 한계를 보완했다.

연구팀은 LATeNT를 췌장 베타세포에도 적용해 빛으로 인슐린 분비를 정밀하게 조절하는 데 성공했다. 향후 아데노연관바이러스 유전자 전달기술이나 약물 제어 시스템과 결합하면 뇌질환과 암, 대사질환, 면역질환 연구 및 정밀 치료 플랫폼 개발에 활용할 수 있으며, 합성생물학 기반 유전자 회로 설계에도 적용 가능성이 있다. 연구 결과는 지난달 31일 ‘네이처 메서즈’ 온라인판에 실렸고, 노희광·김동욱 박사가 공동 제1저자로 참여했다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 연구를 지원했다.