빛으로 뇌세포 켜고 끈 광유전학 개척자 3인, 노벨 생리의학상

빛으로 뇌의 특정 신경세포만 골라 켜고 끄는 길을 연 과학자 3명이 2026년 노벨 생리의학상을 받는다. 카롤린스카 의과대학 노벨총회는 5일 현지시간 칼 다이서로스 미국 스탠퍼드대학교 교수와 페터 헤게만 독일 베를린 훔볼트대학교 교수, 게오르크 나겔 독일 뷔르츠부르크대학교 교수를 공동 수상자로 선정했다고 밝혔다. 수상 업적은 ‘빛에 의해 작동하는 이온 채널과 광유전학에 관한 발견’이다.

광유전학은 단순히 뇌에 빛을 비추는 기술이 아니다. 먼저 빛에 반응하는 단백질을 만드는 유전자를 원하는 세포에 발현시키고, 그 세포에 특정 파장의 빛을 전달한다. 그러면 유전적으로 지정된 세포만 밀리초, 즉 1초의 1,000분의 1 단위로 켜거나 끌 수 있다. 여러 종류의 세포가 뒤섞인 부위를 함께 자극할 수 있는 전극 방식과 달리, 어떤 세포의 활동이 행동 변화를 실제로 일으키는지 인과관계로 시험할 수 있게 한 점이 중요하다.

출발점은 녹조류가 빛을 감지하는 방식이었다. 헤게만과 나겔 연구진은 2002년 녹조류 클라미도모나스에서 빛으로 열리고 닫히는 양성자 통로인 채널로돕신1, ChR1을 보고했다. 2003년에는 채널로돕신2, ChR2가 빛을 흡수하면 0.2밀리초 안에 열리는 양이온 채널이라는 사실을 개구리 난자와 포유류 세포에서 입증했다. 0.2밀리초는 1초의 5,000분의 1이다. 빛을 감지하는 기능과 세포 안팎으로 이온이 오가는 통로 기능이 단일 단백질에 함께 들어 있다는 점이 핵심이었다.

다이서로스 연구진은 이 발견을 신경과학의 도구로 발전시켰다. 2005년 ChR2 유전자를 배양한 쥐 신경세포에 넣고 청색광을 비춰 밀리초 단위의 신경신호를 일으켰다. 2007년에는 지름 약 200마이크로미터, 곧 0.2밀리미터인 광섬유로 살아 있는 설치류의 운동피질에 빛을 전달했다. 그 결과 특정 흥분성 신경세포를 자극해 행동을 제어했으며, 별도의 화학 보조인자도 필요하지 않았다. 세포 배양 접시에서 확인한 원리가 살아 있는 동물의 뇌와 행동을 연결하는 실험으로 이어진 것이다.

빛으로 신경세포를 움직이려는 시도 자체는 앞서 있었다. 1971년 레이저 자극이 있었고, 2002년에는 3개 유전자를 조합한 chARGe 방식이 제시됐다. 2005년에는 P2X2 수용체와 빛으로 분해되는 ATP를 이용해 행동을 제어하는 실험도 나왔다. 다만 이런 방식은 여러 구성요소나 외부 화학물질이 필요했고 반응도 느렸다. 채널로돕신은 하나의 단백질이 빛을 받고 곧바로 이온 통로를 여는 구조여서 실험 장치를 단순하게 만들고 시간 정밀도를 높였다.

광유전학은 이후 뇌의 기능을 행동 수준에서 확인하는 연구에 쓰였다. 2007년에는 오렉신 신경세포를 빛으로 자극해 잠든 생쥐가 깨어나도록 했고, 2012년에는 공포기억이 만들어질 때 활성화된 세포군을 다시 빛으로 자극해 기억 회상을 유발했다. 관찰만으로는 함께 움직이는 것처럼 보였던 뇌 활동과 행동 사이의 관계를, 선택한 세포를 직접 작동시켜 검증한 사례들이다.

수상 당시 다이서로스는 하워드휴스의학연구소와 스탠퍼드대, 헤게만은 베를린 훔볼트대, 나겔은 뷔르츠부르크대에 소속돼 있다. 상금은 1,200만 스웨덴크로나이며 세 사람이 똑같이 나눈다. 이번 수상은 빛에 반응하는 이온 채널의 발견에서 출발해, 살아 있는 뇌에서 특정 세포와 행동의 연결고리를 시험하는 방법으로 완성된 연구의 흐름을 함께 인정한 것이다.

자료: 카롤린스카 의과대학 노벨총회, 노벨재단, 미국 국립의학도서관(NLM), 미국 국립과학원(PNAS), Nature Portfolio