광유전학 : 빛을 이용한 신경질환 치료의 혁신적인 접근

 

우연히 새로운 소식들 속을 뒤적이다가 흥미로운 기사를 하나 접하게 됐습니다. 신경질환을 빛으로 치료할 수 있다는 내용이었죠. AI 관련 소식은 아니지만, 개인적인 관심에 이곳에 소개해 봅니다. ^^;

 

 

“신경질환, 빛으로 치료 시대 열린다…시력 회복에도 성공”

 

 

이 기사에서 소개한 스탠퍼드대 칼 다이서로스 교수의 연구 분야인 빛으로 신경세포를 조절하는 혁신적인 기술인 '광유전학(optogenetics)'과 관련된 내용을 찾아보고 정리하려고 합니다. 참고로 다이서로스 교수는 '광유전학을 통해 인간의 인지, 행동 능력에 대한 세포의 역할을 이해하고 뇌와 행동 간의 연결성을 찾은 공로를 인정'받아 아산의학상을 수행했습니다. 

 

 

광유전학(optogenetics)

1) 개요

광유전학(Optogenetics)는 빛을 이용해 유전적으로 변형된 세포(주로 뉴런)의 활동을 직접적으로 조절하는 기술이자 연구 분야를 말합니다. ‘광(光, opto-)’과 ‘유전학(genetics)’을 결합한 용어로서, 빛에 반응하는 단백질(옵신, opsin)을 특정 세포 안에 발현시킨 뒤, 외부에서 빛 자극을 가하여 해당 세포의 활성화나 억제를 유도하는 원리를 이용합니다. 비유를 해 보면, 이 옵신을 마치 뇌의 신경세포같은 특정 조직에 삽입해두고 전자 스위치 역할을 하도록 한다는 얘기입니다. 

 

2) 핵심 개념

1️⃣ 옵신(Opsin)

• 빛을 받아들이는 광수용체 단백질입니다. 대표적으로 녹조류, 박테리아, 미생물 등에서 유래한 채널로돕신(Channelrhodopsin), 할로돕신(Halorhodopsin) 등이 과학 연구에서 많이 사용됩니다.
• 채널로돕신(Channelrhodopsin)은 빛을 받으면 이온 채널을 열어 세포를 활성화하고, 할로돕신(Halorhodopsin)은 빛으로 이온 통로를 작동시켜 세포 활동을 억제합니다.

2️⃣ 유전적 변형

• 특정 조직(예: 뇌 신경세포)에 타겟팅하여, 빛에 반응하는 단백질(옵신)을 발현하도록 유전자를 삽입하거나 조작합니다.
• 일반적으로 바이러스 매개 유전자 전달 기법, 혹은 크리스퍼(CRISPR) 같은 유전자 편집 기법으로 목표 세포에 옵신 유전자를 발현시킵니다.

3️⃣ 빛 자극

• 세포 안에 발현된 옵신이 빛을 감지하면 이온 통로가 열리거나 닫혀 세포막 전위에 변화를 일으켜, 뉴런과 같은 신경세포의 활성(발화)을 정밀하게 조절합니다.
• 빛의 파장, 강도, 패턴을 달리함으로써 세포활동을 매우 정교하게 제어할 수 있습니다.

 

3) 응용 분야

• 신경과학
  • 뇌에 빛을 조사하여 특정 신경세포 그룹을 켜거나 끔으로써, 행동과 인지, 기억 형성에 미치는 영향을 실시간으로 관찰할 수 있습니다.
  • 파킨슨병, 우울증, 중독 등 신경계 질환의 기전을 이해하거나 개선하기 위한 연구에도 쓰입니다. 
• 정밀 의학
  • 현재는 주로 실험적·연구적 수준이지만, 미래에는 특정 질환을 치료하기 위한 맞춤형 빛 자극 장치나 기법으로 발전할 가능성이 높습니다. 
  • 최근 국제 공동 연구진이 색소성 망막염 환자의 시력을 부분적으로 회복 시킨 사례가 있다고 합니다. 
• 신약 개발
  • 빛을 이용해 신경세포의 작동 상태를 확인하고, 약물의 효과를 평가하는 방식으로 활용될 수 있습니다.
  • 다이서로스 교수는 이 기술을 이용해 '맵라이트 테라퓨틱스'를 창업해 신약 개발을 진행하고 있습니다. 
• 생명과학 전반
  • 신경세포뿐 아니라 근육세포, 심장세포 등 다른 조직에도 적용 가능성이 검토되고 있습니다.
  • 세포 신호 전달 과정을 빛을 통해 인위적으로 조절함으로써, 세포 기능 연구 및 생체 회로 이해가 가능해집니다.

 

4) 장점과 한계

 

• 장점
  • 세포 군집의 활성화를 매우 빠르고 구체적으로(시간적/공간적 정밀도 높게) 제어할 수 있습니다.
  • 빛 이외의 다른 자극(약물, 전기 자극 등)에 비해 조직별 선택성이 높아, 주변 조직 손상을 최소화하면서 실험 또는 치료를 진행할 수 있습니다.
• 한계
  • 빛이 충분히 조직 깊숙이 침투하지 못하는 경우(특히 뇌의 심부 구조 연구)는 광섬유 삽입 등 별도 장치가 필요합니다.
  • 인체 적용 시, 면역 반응, 유전자 전달 효율, 안전성 등에 대한 추가 검증이 필요합니다.

 

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광유전학은 빛과 유전자 공학을 결합한 혁신적인 생명과학·신경과학 연구 기법으로, 세포 활동을 실시간으로 조절·분석할 수 있게 해줍니다. 특히 뇌 기능과 신경망을 정확히 이해하고, 향후 다양한 질환에 대한 새로운 치료법 개발에 기여할 것으로 기대되는 분야입니다.

 

기사에서는 뉴럴링크의 BCI 방식과의 비교를 하고 있습니다. “뇌에서 어떤 신호를 읽어내고, 필요한 경우 그 신호를 제어해 뇌 질환 또는 인지·행동 문제를 개선한다”라는 최종 목적은 비슷하다고 할 수 있지만, 세부적으로는 활용 범위나 구현 방법이 다르며, 그에 따른 연구·개발 분야도 구분됩니다.