배경

신경 세포의 정보 처리와 조절을 이해하는 연구는 현대 신경과학의 핵심 과제다. 뇌 세포 활성을 제어하기 위해 미세 조류 유래 광민감성 채널로돕신(Channelrhodopsin, ChR)을 발현시켜 빛으로 이온 통로를 여닫는 광유전학(Optogenetics) 기술이 주로 활용된다. 특히 과흥분된 신경세포를 가라앉히는 세포 억제 기술의 경우, 뇌 질환 치료법 개발의 단초를 마련한다는 점에서 이목이 쏠린다. 이러한 목적 아래, 칼륨 선택성 채널로돕신(K+-selective Channelrhodopsin, KCR)인 HcKCR1 및 WiChR1을 활용해 특정 신경 활성을 정밀 차단하려는 시도가 이어졌다. 세포 내부의 칼륨 이온이 바깥으로 이동하면 막전위가 하강해 신경 전달 물질의 방출이 자연스럽게 억제되는 기전이다. 하지만 단일 분자 수준에서 이 채널들이 실제로 전하를 얼마나 흘려보내는지, 또 빛을 받을 때 이온 통로가 열리는 물리적 기전은 오랜 기간 밝혀지지 않았다. 채널 단독 전류가 수백 펨토암페어(Femtoampere, fA) 수준으로 극히 미미해 기존 장비로는 신호와 잡음의 분리가 불가능했던 탓이다. 이온 통로가 여닫히는 미시적 작동 방식을 규명해야만 광 자극의 세기와 빈도를 최적화할 수 있어, 학계는 이를 들여다볼 측정 기술과 분석 모델을 기다려 왔다.

핵심 발견

독일 예나 대학교의 클라우스 벤도르프(Klaus Benndorf) 교수와 베를린 훔볼트 대학교의 피터 헤게만(Peter Hegemann) 교수 공동 연구팀은 펨토지멘스(Femtosiemens, fS) 단위 해상도를 구현하는 단일 채널 기록 장치로 HcKCR1과 WiChR1의 단일 이온 통로 전류를 정밀하게 측정했다. 분석 결과, 두 칼륨 채널로돕신이 빛을 받아 활성화할 때 이온 통로가 단번에 완전히 열리는 대신 다채로운 중간 전도 상태를 거친다는 사실이 입증됐다. 두 단일 이온 채널은 일정 시간 전류가 펄스 형태로 분출되는 버스트(Burst) 현상을 보였다. 이때 HcKCR1은 1.6 피코지멘스(Picosiemens, pS), WiChR1은 2.4 pS의 지배적인 최대 전도도를 기록했다. 동시에 최대 전도도 외에도 0.3 pS에서 3.0 pS 사이에 분포하는 이질적이고 연속적인 미세 전도도가 관측된다. 이 중 WiChR1의 버스트 지속 시간은 HcKCR1보다 약 4배 길었다. 연구팀은 빛에 반응하는 화학적 순환 주기인 광주기(Photocycle)와 실제 이온 통로의 물리적 여닫힘(Closed-open gating)이 서로 독립적인 직교적(Orthogonal) 과정임을 규명했다. 이 단일 분자 전류 데이터는 세포 전체 수준에서 측정되는 전체 세포 전류(Whole-cell current)의 거동을 완벽히 뒷받침한다.

의미와 전망

이번 발견은 광유전학 도구의 작동 원리를 단일 분자 수준의 극한 해상도에서 밝혀냈다는 데 의미가 깊다. 채널로돕신이 단일한 고정 열림 상태를 지닌다는 통념과 달리, 열린 복합체 내에서 이온 통로가 다양한 미세 구조로 요동치며 이온을 통과시킨다는 사실은 광유전학 단백질 설계에 새로운 방향을 제시한다. 이러한 물리화학적 특성을 활용하면 칼륨 이온 전도율을 더 높이거나 열려 있는 시간을 조절하는 맞춤형 광유전학 억제 도구 설계가 수월해진다. 불필요한 이온 누출을 줄이고 목표 신경 세포만 선택적으로 억제하도록 통로의 전도도를 인위적으로 조절하는 응용도 가능하다. 다만 미세한 전류 상태를 실제 생체 환경에서 제어하기 위해 신경세포막의 지질 구성이나 막전위 변화가 채널 구조 요동에 미치는 영향 등 추가 변수를 검토하는 후속 연구가 요구된다. 실험실의 인공적 측정 조건이 복잡한 뇌 조직 내부에서도 동일하게 재현되는지 검증하는 과정도 필수적이다.