페터 헤게만, 녹조류의 빛 감지 수수께끼를 풀어 광유전학을 연 생물물리학자

페터 헤게만

출생	1954년 12월 11일 Münster, Germany
직업	생물물리학자
수상	매스리상 · 고트프리트 빌헬름 라이프니츠상 · 브레인상

젊은 연구자들이 광유전학을 어떻게 발전시킬 수 있느냐고 페터 헤게만(Peter Hegemann)에게 물으면, 그는 기자들에게 늘 같은 답을 한다. 그러지 말라는 것이다. 대신 새로운 분야에 뛰어들어야 한다고 말한다. 노벨위원회가 막 광유전학의 출발을 이끈 인물로 인정한 과학자에게서 나온 뜻밖의 말이지만, 헤게만은 한 분야가 자신을 중심으로 자리를 잡기 전에 떠나는 일을 반복해 왔다. 베를린 훔볼트대학교 기자회견에서 그는 자신이 걸어온 우회로를 이렇게 열거했다. 화학자에서 생화학자로, 이어 식물생리학 분야에서 10년을 보낸 뒤 생화학과 생물물리학 교수로 일했다는 것이다. “그리고 이제는 신경과학자입니다.” 그는 덧붙였다. “평생 신경과학 실험은 한 번도 해본 적이 없지만요.”

뷔르츠부르크대학교의 게오르크 나겔(Georg Nagel), 스탠퍼드대학교의 칼 다이서로스(Karl Deisseroth)와 함께 받은 이번 상은 빛에 반응해 열리는 이온 채널과 광유전학에 관한 발견을 기린다. 노벨위원회가 소개한 이야기의 출발점에는 헤게만이 있다. 보도자료는 “모든 것은 페터 헤게만의 호기심에서 시작됐다”고 전한다. 단세포 녹조류인 클라미도모나스가 어떻게 빛을 향해 헤엄치는지 알고 싶어 했다는 것이다. 그 답은 채널로돕신이었다. 빛을 받아들이고 세포막에 구멍을 여는 단백질로, 이 과정은 한 번에 일어난다. 이 단백질을 신경세포에 넣으면 연구자들은 푸른빛으로 해당 세포를 켤 수 있다. 헤게만은 이 발견을 다룬 논문에 대해 학술지 Science가 처음 보인 반응을 아직도 기억한다. “연못 찌꺼기에서 나온 이온 채널.” 그는 클라미도모나스 연구자들이 그 표현을 반기지는 않았다고 덧붙였다.

그의 학창 시절을 돌아보면 이런 연구와 이어질 만한 단서는 거의 없다. 헤게만은 1954년 12월 11일 뮌스터에서 태어나 의사 집안에서 아헨으로 옮겨 자랐다. 인문계 김나지움에 다니며 로마와 그리스의 전쟁을 다룬 지루한 기록을 번역하느라 여러 해를 보냈고, 과학과 미술, 음악만 좋아했다고 회상한다. 학교 오케스트라에서 플루트를 연주했고 오토바이를 탔으며, 학창 시절과 대학 시절 성적은 완전히 평범했다고 말한다. 뮌스터에서 화학을 공부한 뒤 뮌헨으로 옮겨 생화학을 전공했다.

그의 경력을 좌우한 선택은 마르틴스리트의 막스 플랑크 생화학연구소에서 나왔다. 그는 1984년 디터 외스터헬트(Dieter Oesterhelt) 연구팀에서 박사학위를 마쳤으며, 염분을 좋아하는 미생물에서 발견되는 빛 구동 염화물 펌프인 할로로돕신을 연구했다. 헤게만의 회상에 따르면 외스터헬트는 두 가지 길을 제시했다. 은퇴할 때까지 원하는 만큼 자신의 연구실에 남거나, 독립적으로 연구하다 5년 뒤 떠나는 길이었다. 헤게만은 두 번째를 택했다. 케네스 포스터(Kenneth Foster)는 조류의 광센서가 동물의 눈에서도 기능하는 분자 계열인 로돕신일 것이라는 논문을 발표했고, 헤게만은 시러큐스대학교 포스터 연구실에서 박사후 연구원으로 1년을 보낸 뒤 마르틴스리트로 돌아와 자신의 연구팀을 이끌었다.

그곳에서 1990년대 초, 그는 이후 10년 동안 매달릴 수수께끼를 발견했다. 조류의 안점에 미세 전극을 대고 측정한 결과, 빛이 닿은 지 0.5밀리초 만에 전기 자극이 발생했다. 이는 사람의 눈에서 빛이 신호로 바뀌는 화학 반응 연쇄보다 20배 이상 빠른 속도였다. 헤게만은 하나의 단백질이 빛을 받아들이는 동시에 이온 채널 역할을 해야 한다고 결론 내렸다. 동료들은 회의적이었고, 연구팀이 단백질을 분리하려 할 때마다 단백질은 부서졌다. 그는 1993년 레겐스부르크대학교 생화학 교수로 자리를 옮겼다. 2000년 전후, 일본 연구자들이 발표한 클라미도모나스 유전자 서열에서 그의 연구팀은 후보 단백질 두 개를 찾아 프랑크푸르트 막스 플랑크 생물물리학연구소의 나겔에게 보냈다. 나겔은 이 단백질을 개구리 난자에서 발현시킨 뒤 빛을 비추자 채널이 열리는 것을 관찰했다. 헤게만은 나겔, 에른스트 밤베르크(Ernst Bamberg)와 함께 2002년 Science에 채널로돕신-1을, 신경과학계가 채택한 형태인 채널로돕신-2를 2003년 PNAS에 발표했다.

이 도구는 빠르게 확산됐다. 2005년 다이서로스 연구팀은 채널로돕신-2를 이용해 배양한 쥐 신경세포를 원하는 순간 발화하게 했고, 같은 해 헤게만은 채널로돕신으로 병아리 배아의 신경 활동을 켠 연구에도 공동 저자로 참여했다. 실험 생물물리학 교수로 부임한 훔볼트대학교에서 그의 연구실은 새로운 변이를 만들어내는 작업장으로 바뀌었다. 2014년에는 채널로돕신을 빛으로 작동하는 염화물 채널로 바꿔 신경세포를 활성화하는 대신 억제하는 데 성공했다. 2016년 수여된 유럽연구위원회 지원금으로 빛에 민감한 효소를 찾는 연구를 진행했고, 그 과정에서 최초로 알려진 이종이량체 로돕신을 발견했다. 2015년부터는 베를린에서 헤르티 신경과학 석좌교수로 재직하고 있다.

노벨상 수상자를 세 명으로 제한하면 여러 사람이 얽힌 이야기는 단순해지지만, 헤게만의 경력만 살펴봐도 빠진 부분이 드러난다. 미생물 로돕신 연구로 이 모든 발견의 토대를 닦은 지도교수 디터 외스터헬트는 2021년 헤게만, 다이서로스와 함께 앨버트 래스커 기초의학연구상을 받았지만 2022년 11월 세상을 떠났다. 노벨상은 사후 수여되지 않는다. 두 편의 채널로돕신 논문에 공동 저자로 참여한 밤베르크는 올해 노벨상 수상자 세 명과 함께 2013년 브레인 프라이즈를 받았지만 이번 수상자 명단에는 포함되지 않았다. 연구 장소를 둘러싼 해석도 엇갈린다. 노벨위원회는 수상으로 이어진 발견이 마르틴스리트 연구소에서 이뤄졌다고 설명하는 반면, 레겐스부르크대학교는 자교 연구실에서 진행된 연구가 토대를 마련했다고 주장한다. 의료 분야의 가능성도 아직 제한적이다. 가장 분명한 임상 성과는 망막색소변성증 환자 한 명이 제한적이나마 시력을 되찾은 사례다. 헤게만은 과학계가 연구자에게 보상을 주는 방식에도 공개적으로 비판적이다. 그는 2023년 영상에서 동료들에게 젊은 연구자를 평가할 때 3~4년간의 논문 수가 아니라 연구의 독창성을 기준으로 삼으라고 촉구했다. 안타깝게도 현실은 그렇지 않다고 그는 말했다. 또 방송사 rbb와의 인터뷰에서는 훔볼트대학교에서 기초연구를 계속할지 자주 고민했다며, 지원이 충분하지 않았다고 털어놓았다.

수상 소식은 하마터면 그를 비껴갈 뻔했다. 헤게만은 노벨상 웹사이트 인터뷰에서 10월 5일, 모르는 사람이 다시 전화해 달라고 보낸 이메일을 무시했다고 말했다. 그러다 항해 여행 때 본 적 있는 스웨덴 국가번호를 알아보고서야 상황을 깨달았다. 훔볼트대학교 기자회견에서 그는 상을 받기 위해 연구해서는 안 된다고 말했고, 최소 열 개 국적의 연구자가 모인 자신의 연구팀을 자랑스럽게 소개했다. 대학 지도부는 2029년 5월 완공 예정인 새 건물을 통해 광생물학을 지원하고 있다. 그는 여전히 레겐스부르크 초고속 나노현미경 센터의 자문을 맡고 있으며, 광유전학을 더 다양한 생명체에 적용하는 것을 목표로 2022년부터 진행 중인 유럽연구위원회 시너지 프로젝트에도 참여하고 있다.

스톡홀름 메달 수여식은 12월 10일, 그의 72번째 생일 전날 열린다. 그는 가족과 핵심 공동 연구자들을 데려갈 계획이다. 노벨상 인터뷰에서 그는 클라미도모나스가 빛에 반응하는 방식을 다룬 최초의 연구가 1866년 발표됐다고 짚었다. 연구를 수행한 러시아 과학자는 상트페테르부르크의 네바강에서 조류를 채집했고, 전기도 없이 연구했다. 다음 세대 연구자에게 전하는 헤게만의 조언은 광유전학에 관해 그가 늘 하는 말과 같다. 연구할 만한 흥미로운 생명체는 아주 많다는 것이다.

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