광유전학적 방법 – Optogenetic Method

뇌를 연구할 때 어느 특정 뉴런들만을 자극하고 싶다거나 억제하고 싶을 때가 있을 것입니다. 전극이나 자기장을 이용하면 원하지 않은 뉴런까지도 영향을 받습니다. 이 때 쓰는 방법이 광유전학적 방법(Optogenetic methods)입니다.

조류(algae)나 세균(bacteria) 등 많은 생물에서 빛에 민감한 단빅질들을 찾아볼 수 있습니다. 이런 단백질 중  녹조류에서 발견되는 채널로돕신2(channelrhodopsin 2; 이하 ChR2)는 Na+, K+,Ca++를 통과시키는 이온 채널을 조절합니다. 만약 푸른 빛이 ChR2-이온 채널에 감지되면, 그 이온 채널이 열려서 Na+, Ca++가 세포 안으로 들어와 세포막을 탈분극(depolarize) 시킵니다.

ChR2 단백질과 반대로, NpHR(Natronomonas pharaonis halorhodopsin)이란 단백질도 있습니다. 미생물의 한 종류인 ‘Natronomonas pharaonis’에서 발견된 할로로돕신(halorhodopsin)이란 뜻의 이름을 가진 이 단백질은 노란 빛에 반응하여 Cl-이온을 세포 안으로 들여오는 Cl- 수송체(transporter)를 작동시킵니다. 결과적으로 세포는 과분극(hyperpolarize)되어 억제됩니다. 이 두 단백질의 반응은 빛의 유무에 따라 매우 빠르게 상태가 변화하기 때문에 실험에 자주 쓰이는 것입니다.

ChR2와 NpHR은 해롭지 않은 바이러스를 이용해 뉴런에 그 유전자를 주입함으로서 뉴런에서 발현되게 할 수 있습니다. 바이러스를 뇌에 주입하기만 하면 알아서 뉴런을 감염시켜 단백질을 발현시키고, 이에 만들어진 ChR2와 NpHR이 세포막에 자리잡게 됩니다. 특정 뉴런에서만 그 단백질이 생성되도록 유전자를 변형시킬 수 있기 때문에, 뇌의 특정 부위에서, 특정 뉴런만을 골라서 자극/ 억제시킬 수 있는 것이지요.

optogenetics

아쉬운 점은 ChR2와 NpHR이 빛을 받아야 활동하기 때문에 뇌에 빛을 쪼여줘야 한다는 것입니다. 보통 대뇌 피질의 뉴런들을 조작할 때는 두개골에 작은 구멍을 뚫어서 발광 다이오드(LED)를 설치합니다. 뇌의 깊은 곳을 탐구할 때에는 전극이나 관(cannula)을 심는 것처럼 광섬유(optical fiber)를 심어서 빛을 깊은 곳으로 보내는 방법을 씁니다.

광유전학적 방법을 이용한 실험

이 방법을 통해 특정 뉴런이 포함된 신경 회로(neural circuit)의 작용에 대해 연구하기 좀 더 쉬워졌고, 신경질환을 치료하는 데에 이 방법을 응용하려는 연구도 활발하게 진행되고 있습니다. ==★

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