2026 노벨 생리의학상, 빛으로 뉴런을 켜는 조류 단백질 ‘광유전학’에

연못에 사는 단세포 조류가 빛을 향해 헤엄칠 수 있도록 도와주는 단백질 덕분에, 과학자들은 이제 청색광 한 줄기로 특정 유형의 뇌세포를 켜거나 끌 수 있게 되었다. 카롤린스카 연구소의 노벨 위원회는 생리학·의학상을 이 단백질을 발견하고 이를 도구로 만든 세 명의 연구자에게 수여했다: 스탠퍼드 대학교와 하워드 휴스 의학연구소의 칼 다이서로스(Karl Deisseroth), 베를린 훔볼트 대학교의 페터 헤게만(Peter Hegemann), 뷔르츠부르크 대학교의 게오르크 나겔(Georg Nagel)이다.

이 방법은 광유전학(optogenetics)이라고 불리며, 뇌 연구가 증명할 수 있는 범위를 바꾸어 놓았다. 신경과학자들은 공포나 배고픔 같은 상태에서 어떤 영역이 활성화되는지 이미 볼 수 있었지만, 특정 유형의 뉴런이 그 감정을 유발한다는 사실을 입증하는 경우는 드물었다. 광유전학을 사용하면 살아있는 동물에서 그 세포들을 켜서 행동이 나타나는 것을 관찰하거나, 끄면 행동이 멈추는 것을 볼 수 있다. 연구실들은 이후 이 기술을 이용해 기억, 통증, 갈증, 수면 및 사회적 행동을 담당하는 회로를 찾아냈으며, 현재는 한 형태의 실명 치료제로도 시험되고 있다.

위원회는 세 명에게 “빛에 의해 조절되는 이온 채널과 광유전학에 관한 발견”을 이유로 수상했다. 이들은 1200만 스웨덴 크로나를 균등하게 나누어 갖게 된다. “광유전학은 우리가 한때 꿈꿀 수 있었던 방식으로 뇌를 매핑할 수 있는 기회를 제공합니다,”라고 노벨 생리학·의학 위원회 위원장인 페르 스벤닝손(Per Svenningsson)이 말했다.

당신의 눈보다 20배 빠르게 반응하는 조류

이야기는 단일 세포로 이루어진 녹조류 클라미도모나스(Chlamydomonas)에서 시작된다. 접시에 넣고 저어준 뒤 한쪽에 빛을 비추면, 희미한 녹색 기운이 램프 쪽으로 표류한다. 이 조류는 눈점(eyespot)이라는 작은 주황색 점을 통해 빛을 감지하는데, 이 점에는 우리 눈에서도 발견되는 동일한 빛 포착 분자인 레티날이 포함되어 있다.

당시 마르틴스리트의 막스 플랑크 생화학 연구소에 있던 헤게만은 미세 전극으로 눈점을 측정했고, 빛이 도달한 후 0.5밀리초 만에 전기적 충격이 발생하는 것을 발견했다. 인간의 눈에서는 빛이 이온 채널이 열리기 전에 일련의 화학적 단계를 거치며, 전체 과정은 최소 10밀리초가 걸린다. 조류는 그보다 20배 이상 빨랐다.

헤게만의 설명은 간단했다: 하나의 단백질이 빛을 포착하고 하전 입자를 위한 구멍을 여는 두 가지 작업을 모두 수행해야 한다는 것이었다. 동료들은 의심했는데, 알려진 이온 채널 중 빛에 단독으로 반응하는 것은 없었기 때문이다. 그의 팀이 눈점에서 단백질을 분리하려고 시도했을 때, 단백질은 분해되었고, 그 아이디어는 수년간 정체되었다.

그들이 해낸 방법

전환점은 일본 연구자들이 클라미도모나스의 유전자 서열을 공개하면서 찾아왔다. 헤게만의 그룹은 알려진 빛 포착 단백질과 유사한 두 개의 유전자를 발견했고, 이를 프랑크푸르트의 막스 플랑크 생물물리학 연구소에 있던 나겔에게 보냈다.

나겔은 각 유전자를 개구리 알에 주입했는데, 이는 알을 외래 단백질 공장으로 만드는 표준적인 방법이다. 단백질은 알의 표면에 자리 잡았고, 나겔이 빛을 비추자 단백질이 열렸다. 양전하를 띤 이온이 흘러들어가 전류를 생성했다. 헤게만의 가설은 옳았다. 팀은 두 단백질을 채널로돕신-1과 채널로돕신-2라고 명명했고, 두 번째 단백질은 빛 펄스가 가해진 후 0.2밀리초 이내에 열렸다.

인간 배아 신장 세포와 햄스터 세포에서 채널로돕신-2는 빛 아래에서 전기 신호를 생성했다. 이 단백질은 휴대용 스위치처럼 행동했다: 유전자를 보유한 모든 세포는 빛에 반응할 수 있었다.

다이서로스는 바로 그것을 찾고 있었다. 정신과 의사로 훈련받은 그는 임상 작업 중 기존 치료법이 우울증이나 정신분열증 환자들에게 얼마나 도움이 되지 않는지 깨닫고 충격을 받았으며, 얇은 조직 절편이 아닌 살아있는 뇌에서 회로를 연구하고자 했다. 그는 나겔에게 채널로돕신-2 유전자를 요청하는 편지를 썼고, 이를 접시에서 배양 중인 쥐 뉴런에 삽입한 후 청색광에 노출시켰다. 뉴런은 명령에 따라 발화했고, 신호는 이웃 세포로 전달되었다.

그의 그룹은 이후 살아있는 쥐의 운동 피질에 있는 한 세포 유형에 유전자를 전달하고 두개골의 작은 구멍을 통해 얇은 광섬유를 삽입했다. 빛 펄스는 동물들이 수염을 움직이게 만들었다. 다른 실험에서는, 각성 회로로 의심되는 부위를 겨냥한 빛이 잠자는 쥐를 깨웠다.

빛이 전극과 약물을 이긴 이유

전극은 끝 근처의 모든 뉴런을 자극하는데, 그 유형이 무엇이든 상관없다. 약물은 조직을 통해 퍼져나가며 수 분에 걸쳐 작용한다. 광유전학은 두 가지 측면에서 동시에 정밀하다. 유전자는 선택된 세포 유형에만 들어가고, 빛은 그 세포들을 밀리초 단위로 전환하여 실제 신경 신호의 속도와 일치시킨다. DNA 이중나선 구조로 노벨상을 공동 수상한 프랜시스 크릭(Francis Crick)은 단일 뉴런을 제어하는 이상적인 방법은 빛일 것이라고 제안했지만, 그 아이디어가 터무니없게 들린다는 점을 인정한 바 있다.

정밀성이 중요한 이유는 규모 때문이다. 성인 인간의 뇌는 약 900억 개의 신경 세포를 보유하고 있으며, 각각은 수천 개의 다른 세포와 연결되어 있고, 관련 없는 기능을 가진 뉴런들이 서로 얽혀 있다. 노벨상 수상자 스스무 토네가와(Susumu Tonegawa)와 협력하여, 다이서로스의 팀은 쥐에서 공포 기억을 저장한 특정 세포를 재활성화했고, 동물들은 위협이 전혀 없는 장소에서 공포를 나타냈다. 다른 그룹들은 갈증, 주의력 및 발열을 위한 회로를 매핑했고, 새끼를 둥지에 모으는 행동과 그루밍 행동이 쥐에서 별개의 회로로 작동한다는 사실을 발견했으며, 심장이 더 세게 뛰도록 강제하면 불안을 심화시킬 수 있다는 것을 보여주었다.

노벨상이 해결하지 못한 것

광유전학은 여전히 주로 연구 도구일 뿐, 치료법은 아니다. 이를 사람에게 사용한다는 것은 일반적으로 변형된 바이러스를 사용하여 인간 세포에 외래 유전자를 삽입하고, 조직 깊숙이 빛을 전달해야 한다는 것을 의미하며, 뇌의 경우 이식 장치가 필요하다. 두 단계 모두 환자에게 일상적인 절차가 아니며, 인간 뉴런에 조류 단백질을 보유하는 것의 장기적인 안전성은 아직 확립되지 않았다.

가장 명확한 인간 대상 결과는 제한적이다. 망막색소변성증으로 40년간 시력을 잃은 한 남성이 한쪽 눈에 채널로돕신 유전자를 이식받고 망막에 빛 펄스를 투사하는 고글을 착용했다. 2021년 에 발표된 증례 보고에 따르면, 그는 테이블 위의 물체를 찾아내고 개수를 셀 수 있을 정도로 시력을 회복했다. 한 명의 환자는 치료가 광범위하게 효과가 있다는 증거가 아니라 원리 증명에 불과하며, 임상 시험은 여전히 진행 중이다.

이번 수상은 또한 경쟁이 치열했던 분야에 선을 긋는 의미를 가진다. 노벨상 규정은 한 상당 최대 3명의 수상자만 허용한다. 채널로돕신-2로 뉴런을 처음 전환시킨 2005년 논문은 다이서로스의 연구실에서 작성되었으며, 에드워드 보이든(Edward Boyden)이 제1저자였고 펑 장(Feng Zhang)과 생물물리학자 에른스트 밤베르크(Ernst Bamberg)가 공동 저자였다. 옥스퍼드의 게로 미젠뵈크(Gero Miesenböck)는 다른 광민감 시스템을 사용하여 빛에 반응해 뉴런을 발화시키는 것을 더 일찍 해냈다. 밤베르크, 보이든, 미젠뵈크는 올해의 세 수상자와 함께 2013년 광유전학 분야 브레인 상(Brain Prize)을 공동 수상했지만, 그들은 노벨상 수상자 명단에는 포함되지 않았다.

개구리 알에서 스톡홀름까지

노벨상으로 가는 길은 소수의 논문을 통해 이어졌다. 나겔, 헤게만 및 동료들은 2002년 에 채널로돕신-1을, 2003년 에 채널로돕신-2를 기술했다. 다이서로스의 그룹은 2005년 에 빛으로 제어되는 뉴런을 보고했고, 이 방법은 2006년에 이름을 얻었으며, 살아있는 쥐 뇌 내부의 뉴런을 최초로 제어한 것은 2007년에 이어졌다. 토네가와와의 공포 기억 실험은 2012년에 이루어졌다.

2026년 노벨 생리의학상에 관한 자주 묻는 질문

2026년 노벨 생리학·의학상은 누가 받았나요?

스탠퍼드 대학교와 하워드 휴스 의학연구소의 칼 다이서로스, 베를린 훔볼트 대학교의 페터 헤게만, 뷔르츠부르크 대학교의 게오르크 나겔입니다. 이들은 빛에 의해 조절되는 이온 채널과 광유전학에 관한 발견으로 영예를 안았으며, 1200만 스웨덴 크로나를 균등하게 나누어 가집니다.

광유전학을 간단히 설명하면 무엇인가요?

선택된 신경 세포를 빛으로 제어하는 방법입니다. 연구자들은 채널로돕신과 같은 광민감 단백질의 유전자를 한 유형의 뉴런에 추가합니다. 그런 다음 적절한 색의 빛을 비추면 해당 세포를 밀리초 단위로 켜거나 끌 수 있으며, 이를 통해 과학자들은 각 세포 유형이 어떤 기능을 하는지 테스트할 수 있습니다.

광유전학이 환자 치료에 사용되나요?

아직 승인된 치료법은 아닙니다. 임상 시험에서는 망막색소변성증으로 실명한 사람들의 부분 시력을 회복시키기 위해 이 기술을 테스트하고 있으며, 치료받은 한 환자는 특수 고글을 사용하여 물체를 찾고 개수를 셀 수 있게 되었습니다. 연구자들은 또한 인공와우를 전기 자극보다 더 정밀하게 만들 수 있기를 희망하고 있습니다.

세 명의 수상자는 12월 10일 스톡홀름에서 열리는 노벨상 시상식에서 메달과 증서를 받게 됩니다. 이 모든 것을 시작한 조류는 여전히 연못 물속에서 빛을 향해 헤엄치고 있으며, 그 눈점 속 단백질은 이제 전 세계 연구실에서 명령에 따라 열리고 있습니다.

참고문헌: Nagel et al., “Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel,” PNAS, 2003. DOI: 10.1073/pnas.1936192100. Boyden et al., “Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity,” Nature Neuroscience, 2005. DOI: 10.1038/nn1525

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