빛으로 뇌 신경세포 켠다…광유전학 개척자들 노벨상

다이서로스·헤게만 등 3명 생리의학상 수상

감정 담당 세포 실시간으로 탐색
파킨슨병·수면장애 치료 등 활용

빛에 반응하는 이온채널을 단세포 조류에서 발견하고 이를 이용해 살아 있는 뇌의 신경세포 활동을 제어하는 길을 연 세 명의 학자가 올해 노벨생리의학상 수상자로 선정됐다. 스웨덴 카롤린스카연구소 노벨위원회는 5일 칼 다이서로스 미국 스탠퍼드대 석좌교수와 페터 헤게만 독일 베를린 훔볼트대 석좌교수, 게오르크 나겔 독일 뷔르츠부르크대 교수에게 노벨생리의학상을 수여한다고 발표했다. 노벨위원회는 빛에 반응하는 이온채널과 광유전학에 관한 발견을 선정 이유로 밝혔다. 페르 스벤닝손 노벨생리의학상 위원장은 “광유전학은 과거 꿈에서나 가능했던 방식으로 뇌의 지도를 그릴 기회를 열어준다”고 평가했다.

유전공학과 광학을 결합한 광유전학은 빛으로 살아 있는 동물의 특정 신경세포 활동을 제어하는 기술이다. 유전공학을 이용해 빛에 반응하는 단백질을 신경세포에 만들도록 한 뒤 특정 파장의 빛을 쪼이면 세포 활동을 활성화하거나 억제할 수 있다. 연구진은 이때 나타나는 동물의 행동 변화 등을 살펴 해당 신경세포와 뇌 회로가 어떤 역할을 하는지 밝혀낼 수 있다.

뇌가 감정과 행동, 신체 기능을 어떻게 조절하는지는 오랜 기간 미지의 영역이었다. 과학자들은 20세기 들어 뇌의 어떤 영역이 어떤 기능에 영향을 주는지 조사하기 시작했지만 기존 연구법으로는 인과관계를 증명하는 데 한계가 있었다.

헤게만 교수와 나겔 교수는 녹조류인 클라미도모나스가 어떻게 빛을 향해 헤엄칠 수 있는지 연구하다가 채널로돕신 단백질을 발견했다. 다이서로스 교수는 채널로돕신 유전자를 생쥐 신경세포에 도입해 빛으로 세포 활성을 제어하는 데 성공했다.

이들이 구축한 광유전학 기술을 이용하면 기존 전기 자극과 달리 특정 종류의 신경세포를 선택적으로 정밀하게 제어할 수 있다. 신경 세포를 밀리초 단위로 제어해 신경 회로와 행동 간 인과관계를 파악하는 것도 가능하다.

김준기 서울아산병원 융합의학과 교수는 “실험동물의 뇌 회로 기능을 세포·분자 수준에서 이해하는 것은 물론 개발 중인 신약이 뇌에 미치는 효과에 대한 가설을 확인할 수 있게 됐다”고 했다. 다이서로스 교수는 지난해 국내 아산의학상 기초의학부문 수상자로 선정됐다.

세계 의과학자들은 파킨슨병과 간질, 수면 장애 등의 원인을 파악하고 신약을 개발하는 데 이 기술을 활용하고 있다. 공포와 트라우마 등을 극복하는 방법을 찾는 연구에도 쓰인다. 망막변성으로 시력을 잃은 환자의 시력 회복을 위한 임상시험에도 활용되고 있다. 김성영 쓰리브룩스테라퓨틱스 대표는 “이온채널은 세포의 전기적 신호뿐 아니라 칼슘 신호, 세포 내 소기관 기능 등 다양한 생명 현상을 조절한다”며 “신약 개발에서도 상당히 중요한 표적으로 주목받고 있다”고 했다.

올해 노벨생리의학상 상금은 1200만스웨덴크로나(약 16억원)다. 세 명의 수상자가 나눠 받는다. 생리의학상을 시작으로 6일 물리학상, 7일 화학상, 8일 문학상, 9일 평화상, 12일 경제학상 수상자가 발표된다. 시상식은 알프레드 노벨이 1896년 별세한 날짜인 12월 10일 열린다.

이지현 기자 bluesky@hankyung.com