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광유전학, 치매 치료 위한 신기술 핵심 분야로 부상
등록일 : 2018-07-04 11:25 | 최종 승인 : 2018-07-04 11:25
심현영
▲ 환자 뇌 MRI 사진(출처=123RF)

[리서치페이퍼=심현영 기자] 광학과 유전학의 접목 분야인 광유전학은 동물 생체 조직의 특정세포를 조절하는 신기술이다.

특히 뇌세포에 빛을 쪼여 잠재된 기억을 인출, 향후 역행성 기억상실·치매 등 기억력 관련 질병 예방 및 치료에 활용하기 위한 연구가 활발히 이뤄지고 있다.

최근에는 외과적 절차를 간소화하며 저에너지 적외선을 가시광선으로 변환하는 새로운 광유전학용 장치가 개발되기도 했다. 아울러 효소를 반도체 플라스틱과 결합시키는 신기술이 개발됐으며, 이 방법을 통해 병원 진단 검사에서 대사산물을 더 효율적으로 감지할 수 있게 됐다.

빛, 세포 활성 정확히 조작

특히 광유전학이 넓게 활용되는 분야는 신경과학이다. 광전자부품과 유전학을 결합해 각각의 세포를 조작, 이를테면 뉴런에 빛을 사용해 활성화하거나 비활성화하는 실험용 시스템을 만들 수 있다.

먼저 감광성 이온 채널 또는 감광성 효소를 목표 세포 내에 주입해야 하며, 이 과정은 주로 유전 공학 기술을 활용해 이뤄진다. 주입한 감광성 신호 이온 채널과 효소를 활성화시키기 위해서는 하드웨어가 필요하다.

기존에는 광원을 광섬유와 결합해 표적 세포에 빛을 쬈다. 하지만 이 접근법에는 외부에서 목표 세포까지 광섬유를 연결해야 한다는 한계가 있다. 최신 기술에서는 무선 조종과 전력 송신 시스템을 결합해 삽입 가능한 발광 다이오드(LED)를 제작했다. 이 시스템은 무선 장치가 실험동물 머리 근처에 위치해야 한다는 점에서 한계가 있으며, 장치가 종종 동물의 행동을 제약하기도 한다.

최신 광유전학 기술은 근적외선 레이저와 저에너지 적외선을 흡수해 가시광선 주파수로 변환하는 나노입자 결합에 기반을 둔다. 이 나노입자는 청색, 노란색, 적색 등 다른 색을 내도록 조율이 가능하다.

이 장치는 일본 RIKEN 뇌과학 연구소 소속 토마스 맥휴 박사팀이 올해 최초 제작했으며, 그 결과는 사이언스지 2월호에 실렸다. 연구팀은 쥐에서 기억 재생을 활성화하고 발작을 멈출 수 있음을 밝혀냈다.

현재 광유전학은 통증 치료 목적으로 상업화 연구가 이뤄지고 있으며, 임상 실험 단계를 앞둔 상태다.

적외선 레이저는 안전하고 비침습성으로, 뇌 속 깊이 정확하게 침투할 수 있다는 장점이 있다. 적외선 레이저에 의해 활성화된 나노입자는 가시광선 영역의 빛을 방출하며, 이 빛은 광유전학적으로 변형된 뉴런을 활성화시킨다.

中 칭화대학에 위치한 베이징 국립 정보 과학 및 기술 연구소 전자공학부 소속 싱 셍 연구팀은 새로운 나노입자 변환 장치 개발에 성공했다. 연구팀은 이 결과를 최근 PNAS 저널에 출판했다.

이들이 개발한 새로운 나노입자 장치는 적은 양의 적외선만으로도 가시광선으로 변환이 가능하며, 기존 장비에 비해 고효율이다. 새 장치는 동물 실험을 마쳤으며, 광유전학적 효율성을 입증했다.

광유전학은 광전자부품과 생물학 융합을 통해 질병에 대한 치료법을 개발하는 분야다. 광유전학에서 유전적으로 변형된 세포 또는 뉴런은 감광센서로 기능한다. 이러한 접근법은 쥐의 발작 예방에 활용되기도 했다.

최근에는 플라스틱 반도체 물질을 활용해 임박한 발작을 감지할 수 있는 색다른 접근법이 개발됐다.

 

새롭고 정교한 플라스틱 반도체 센서

▲ 플라스틱 반도체 센서(출처=123RF)

사우디아라비아 킹압둘라대학 생물 환경 과학 및 공학부 사히카 아이날과 프랑스 가르단 국립광업학교 마이크로 전자기술 연구소 로신 M. 오웬즈 주도로 이뤄진 한 연구에서는 기존 방법보다 더 적은 비용으로 예민하게 대사산물을 감지할 수 있는 플라스틱 반도체에 주목하고 있다. 연구진은 이 장치에 대한 연구 결과를 사이언스 어드밴스지에 발표했다.

해당 장치는 땀 눈물, 혈액 등 표본에서 젖산이나 포도당과 같은 대사산물 감지에 유용하다. 이 장치는 목표 대사산물을 처리하는 효소에 의해 일어나는 반응을 감지한다. 연구진은 임페리얼 컬리지런던에서 개발한 새로운 폴리머를 활용했다. 이 폴리머는 화학 반응을 직접 반도체와 이어, 기존 센서보다 더 효율적으로 동작하게 한다.

연구진은 신체 단련이나 수술 이후 환자 예후를 살피는 데 유용한 대사산물인 젖산에 대해 해당 장치 능력을 시험했다. 여러 가지 다른 효소를 사용함으로써, 이 장치는 포도당이나 콜레스테롤과 같은 다른 대사산물 감지에도 활용될 수 있다. 이는 처리 효소가 존재하는 모든 대사산물을 감지할 수 있음을 의미한다.

이 장치에는 금속이 미포함되며, 유연한 반도체 플라스틱만으로 만들어진다. 따라서 낮은 비용으로 제작해 착용 가능한 장치나 이식물에 쉽게 넣을 수 있다. 체내에 삽입된 경우, 이 장치는 발작과 연관된 분자 감지에 활용 가능하다.

[researchpaper 리서치페이퍼=심현영 기자]

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