광활성 Flp 단백질(PA-Flp 단백질)의 활용(IBS 제공) © 뉴스1

국내 연구진이 수술이 아닌 LED 빛을 뇌에 비춰 유전자 발현을 조절할 수 있는 효소를 개발했다.

기초과학연구원(IBS·원장 김두철)은 인지 및 사회성 연구단(단장 신희섭, 이창준)의 허원도 교수 연구팀(KAIST 생명과학과)이 빛만 비춰도 유전자 발현을 조절하는 효소를 개발했다고 19일 밝혔다.연구팀이 개발한 광활성 Flp 유전자 재조합 효소(이하 PA-Flp 단백질)는 빛에 민감하게 반응해 활성화된다. 수술이 아닌 LED 빛을 쏘는 비침습성(non-invasive) 방식만으로도 유전자의 발현을 유도할 수 있어 물리적·화학적 손상에 의한 부작용도 최소화할 수 있다.

단백질 공학을 통해 기존에 잘 알려져 있지 않았던 Flp 재조합 효소를 활성화시키는 위치를 찾는 힌트를 얻어 PA-Flp 단백질을 설계했다.

PA-Flp 단백질의 발현정도는 적색 형광단백질을 붙여 쉽게 알아볼 수 있도록 만들었다. PA-Flp 단백질은 매우 적은 양으로도 반응하는 민감도를 지녔다.

연구팀은 기억을 관장하는 쥐의 뇌 해마 부위에 PA-Flp 단백질을 넣은 뒤 약 30초 동안 LED를 머리 부분에 비추는 실험을 진행했다.

그 결과 생쥐 뇌의 깊은 조직 영역에 도달하는 매우 적은 양의 빛으로도 PA-Flp 단백질이 활성화된 것을 확인했다.

생쥐에게 쏜 빛은 1-2mW/mm2로 실생활에서 사용하는 휴대폰의 손전등 혹은 발표 시 이용하는 레이저 포인터 정도의 세기다.

물리적 손상을 전혀 일으키지 않는 비침습성 방식으로도 유전자 발현을 조절하는데 성공한 것이다.

연구팀은 또 신희섭 단장이 이끄는 사회성 뇌과학 그룹과 공동 연구를 통해 행동을 재현하고 검증하는 실험에 돌입했다.

해마보다 더 깊숙한 곳에 위치한 내측 중격(~3.5mm) 뇌 내측 중격(medial septum): 기억의 중추 역할을 담당하는 해마와 연결된 부위에는 칼슘 채널이 존재하는데, 이 칼슘 채널의 발현이 억제되면 물체를 탐색하는 능력이 증가한다는 기존의 연구에 착안해 실험을 설계했다.

연구팀은 내측 중격에 PA-Flp 단백질을 도입하고 LED 빛을 쏘자 칼슘 채널의 발현이 억제됨을 확인했다. 실제 PA-Flp 단백질이 활성화된 실험군은 물체를 탐색하는 능력이 대조군에 비해 훨씬 커져 물체 주변으로 더 많은 움직임을 기록했다.

빛으로 원하는 타이밍에 유전자를 자르고 재조합하는 효소를 개발해 향후 광유전학에 응용가치가 클 것으로 기대된다.

허원도 교수(왼쪽,교신저자), 박병욱 연구교수(가운데,공동교신저자),정현진 연구원(제1저자)© 뉴스1

허원도 교수는 “실험쥐의 생리학적 현상에 영향을 줄 수 있는 물리적·화학적 자극이 거의 없이 LED로 원하는 특정 유전자 발현을 조절할 수 있는 것이 큰 장점이다”며, “향후 다양한 뇌 영역을 탐구하는데 널리 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구 결과는 세계적 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈’(Nature Communications)에 지난 18일 게재됐다.


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