뇌의 신경세포 활동을 실시간으로 볼 수 있는 형광 단백질센서‘봉우리’개발

뇌의 신경계는 자극이 가해지면 전압 변화가 일어나는데, 이러한 전기적 활동을 통해 정보를 전달한다. 해외 유치과학자가 주축이 된 국내 연구진이 신경세포의 전기적 활동을 시각적 신호로 전환할 수 있는 형광단백질 센서 ‘봉우리’를 개발했다. 개발된 단백질은 현재까지 개발된 단백질 센서 중 가장 빠른 반응속도를 보였을 뿐 아니라 뇌의 다양한 영역에서 신경활동 변화를 동시에 관찰하는 것이 가능해 뇌 연구의 새 지평을 열었다.

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 뇌과학연구소 기능커넥토믹스연구단 브래들리 베이커(Bradley J. Baker)박사 연구팀은 빛을 통해 빠른 뇌 활동을 실시간으로 측정할 수 있는 바이오 센서를 개발하였다. 이번 연구는 신경과학 분야의 권위있는 학술지인 ‘Journal of Neuroscience’에  1월 7일 게재되었다.(논문명 : Combinatorial Mutagenesis of the Voltage-Sensing Domain Enables the Optical Resolution of Action Potentials Firing at 60Hz by a Genetically Encoded Fluorescent Sensor of Membrane Potential)

 

신경세포는 전기적 자극 혹은 신경전달물질에 의해 세포막의 이온 투과도가 변하고, 이때 전압의 +극과 -극이 뒤바뀌는 역전현상이 일어난다. 이러한 현상을 활동전위(Action Potentials)라 부르는데, 하나의 활동전위는 1 에서 2 밀리초(1000분의 1초)로 빠르게 일어난다. 활동 전위는 냄새, 소리, 운동 등 뇌를 통해 일어나는 모든 반응을 전달하는 매개체가 되기 때문에 활동전위를 파악하는 것은 뇌 연구에 필수적이다.
 
연구팀은 활동전위와 같은 뇌의 전기적 활동을 광학적 신호로 바꾸기 위해 유전적으로 변형된 형광단백질 전압센서를 제작했다. 2011년 미래창조과학부의 세계적 수준의 연구센터(World Class Institute, WCI)사업의 유치 과학자로 KIST에서 오게 된 브래들리 베이커 박사는 개발한 센서의 이름을 순우리말 ‘봉우리, Bongwoori’로 정했다. 센서를 통해 측정된 광학적 신호가 마치 산봉우리 모양으로 보이기 때문이다.

 

기존의 형광 단백질 센서는 40 밀리초의 반응시간으로 활동전위를 측정할 수 있었다. ‘봉우리’는 8 밀리초로 측정이 가능해 센서의 시간 해상도* (Time Resolution)를 5배로 앞당겼다. 일반적인 활동 전위가 2 밀리초로 일어난다는 점을 감안할 때 봉우리의 시간해상도는 활동 전위 파악에 새로운 전기를 마련했다고 볼 수 있다. 
 * 시간해상도(Time resolution) : 센서가 신호 또는 화상을 얼마나 빠른 속도로 기록할 수 있는지를 나타내는 지표

 

뿐만 아니라, ‘봉우리’는 60 Hz(1 초에 60번)로 발화(Fire)되는 활동전위를 측정할 수 있다. 이는 세계적으로 보고된 센서 중 가장 빠른 센싱 속도로, 일반적인 세포의 발화는 50~60 Hz 로 일어나기 때문에 봉우리를 사용하게 되면 대부분의 세포의 신경전달 상태를 파악하는 것이 가능하다.
 * 발화(Fire) : 세포가 신호를 받고 다른 세포로 신호를 전달하는 것

 

‘봉우리’를 사용하면 뇌에서 일어나는 신호전달 상황을 한 눈에 실시간으로 볼 수 있기 때문에 뇌가 실제로 기능할 때의 모습을 전체적으로 지도화 할 수 있게 된다. 뿐만 아니라 ‘봉우리’를 뇌에서 행동조절과 관련된 지역에서 발현시킬 경우 정상 뇌와 질병상태의 뇌의 차이를 관찰할 수 있게 된다.
 
브래들리 박사는 “본 연구로 하나의 신경회로 또는 수천개의 신경회로를 한눈에 실시간으로 볼 수 있게 되었고 전에 볼 수 없었던 기능적 뇌활성지도를 제작 할 수 있게 되었다. 머지않은 미래에는 정상과 비정상인 뇌의 변화를 확인할 수 있게 될 것이고, 이를 통해 질병의 근본적인 원인을 파악하여, 자폐증과 같은 뇌질환의 원인규명 및 치료제 개발에도 이용될 수 있을 것으로 예상된다.”고 밝혔다.

 

본 연구는 미래창조과학부 WCI 사업과 KIST 주요사업에서 지원되었다.

 

<그림자료>

 

 

그림 1) 세포막에서 발현하는 봉우리 단백질의 모양. S1-S4는 전압을 센싱하는 단백질 구조를 나타내고 SE A227D는 형광을 내는 단백질 구조를 나타낸다. 주위에 있는 공과 꼬리는 세포막을 형성하는 지방분자들을 표시한다.

 

그림 2) 왼쪽사진은 ‘봉우리’를 발현하는 하나의 신경세포를 찍은 사진이고 빨간선은 신경세포에서 발현하는 ‘봉우리’의 형광세기의 시간적 변화를 나타내고, 파란선은 자극이 전해질 때 빨간선과 동일한 신경세포에서의 전압의 변화를 시간적으로 나타냄. 봉우리는 12밀리초(0.012초) 정도로 빠른 신경세포 활동도 광학적으로 변환이 가능하며, 신경활동의 변화를 보여주는 파란선이 변할때마다 형광세기인 빨간선도 같이 변하는 것을 관찰 할 수 있음

 

 

 

 

그림 3) 봉우리를 통해 뇌가 기능하는 모습을 실시간으로 관찰. 위의 왼쪽사진은 봉우리센서가 해마에서 발현하고 있는 모습. 뇌 자극 후 8 밀리초 후에 막전압이 변화하는 모습을 색으로 표시하였음. 박스는 해마의 0.5 cm X 0.5 cm 지역을 나타냄

 

보도

- YTN사이언스: 뇌 신경세포 활동 실시간으로 본다‥형광 센서 개발 

- 조선비즈: 뇌속 신경세포 움직임 한눈에 본다…KIST, 초고속 형광단백질 센서 개발

- 디지털타임스: 형광전압센서로 `머릿속` 본다

- 연합뉴스: 뇌 신경세포 활동 실시간 보여주는 형광단백질 센서 개발