몽요양 헨리 출처: 압비사
양자비트 | 공식 계정 QbitAI
방금, 2026년 노벨 생리학 또는 의학상이 발표되었습니다!
카를 데이서로트, 페터 헤겜만과게오르크 나겔 세 명의 과학자가 공동으로 상을 받았다.
노벨위원회가 수여한 상은 광제어 이온 채널과 광유전학 분야에서의 발견에 대한 공로를 인정하는 것이었습니다.
세 명의 수상자가 공동으로 이룬 것은 지난 20년간 신경과학의 가장 중요한 방법론적 돌파구 중 하나입니다: 광유전학(Optogenetics).
그 가장 핵심적인 돌파구는 과학자들이 빛을 이용하여 밀리초 단위의 시간 스케일에서 특정 유형의 뉴런을 정확하게 활성화하거나 억제할 수 있도록 하는 것입니다.
과거에 연구자들은 특정 뇌 영역이나 뉴런 집단이 기억 형성, 감정 변화, 운동 조절 또는 특정 행동이 나타날 때 동시에 활성화되는 것을 관찰할 수밖에 없었다.
광유전학이 이를 바꿔놓았습니다.
연구자들은 특정 뉴런의 활동을 능동적으로 조절할 수 있으며, 그에 따라 행동이 어떻게 변하거나 약화되거나 사라지는지 관찰함으로써 많은 문제를 상관관계 관찰에서 인과관계 확인으로 전환시킬 수 있다.
이 방법은 이후 신경 회로 연구에 중요한 도구가 되었으며, 기억, 보상, 중독, 운동 조절 및 다양한 신경 및 정신 질환의 메커니즘 연구에 널리 사용되었습니다.
그리고 이 신경과학 도구 혁명의 시작점은 사실 빛을 따라 움직이는 단세포 녹조에서 비롯되었습니다.
녹조의 빛 스위치부터 뉴런을 제어하는 것까지
광유전학이라는 기술 방향의 출발점은 사실 매우 예상치 못한 곳입니다—녹조류입니다.
일부 단세포 녹조는 빛에 따라 움직이는 방향을 바꾼다. 이를 위해 그들의 몸속에는 “빛”을 “전기 신호”로 빠르게 변환할 수 있는 메커니즘이 필요하다.
이는 본질적으로 광제어 이온 채널입니다. 빛이 비추면 채널이 열리면서 이온이 세포막을 통과하고, 그에 따라 세포막의 전위가 변화합니다.
이 현상을 뉴런의 관점에서 보면 흥미로운 점은, 뉴런이 정보를 전달하는 데 이미 이온 흐름과 막 전위 변화가 의존한다는 것입니다.
따라서 이런 '빛이 닿으면 열리는' 이온 채널을 뉴런에 장착하면, 이론적으로 빛을 이용해 뉴런이 언제 방전하는지를 제어할 수 있다.
페터 헤겜만과 게오르크 나겔이 한 일은 이 문을 진정으로 열어서는 안 된다는 것입니다.
헤겜만은 단세포 녹조인 클라미도모나스 레인하르트리이가 빛을 어떻게 인지하는지에 대해 오랫동안 연구해왔다.
이런 녹조는 눈이 없지만 빛을 따라 헤엄칠 수 있어서, 헤겜만은 이 안에 빛 자극을 직접 전기 신호로 변환할 수 있는 단백질이 숨겨져 있을지도 모른다고 일찍이 깨달았다.
2002년, 헤겔만, 나겔 및 그 공동 연구자들은 첫 번째 채널로돕신을 발견했습니다.
2003년에 그들은 Channelrhodopsin-2, 즉 ChR2를 더욱 정확하게 기술했으며, 이는 빛으로 직접 열릴 수 있는 양이온 채널임을 확인했습니다.
이제 녹조에 자연스럽게 존재하는 “빛 스위치”가 발견되었습니다.
다음으로, 카를 데이서로스는 그것을 진정한 신경과학 도구로 만들었습니다.
2005년, 데이서로스팀은 ChR2를 포유류 뉴런에 도입했으며, 결과적으로 파란빛만으로도 밀리초 단위의 정확도로 뉴런에 활동 전위를 유발할 수 있음을 발견했습니다.
이곳에서 광유전학이 실제로 형성되었으며, 연구자들은 유전학적 방법을 이용해 특정 종류의 뉴런만이 이 광수용체 단백질을 발현하도록 할 수 있다.
그래서 예전에 어렵게만 되는 일이 갑자기 수행 가능해졌다—
특정 종류의 뉴런을 선택하고, 그 뉴런에 “빛 스위치”를 장착하여 빛을 이용해 언제 작동하고 언제 멈추는지를 정확하게 제어한다.
광유전학의 가장 중요한 점은, 신경과학에서 오랫동안 해결되지 않았던 문제를 해결했다는 것입니다. 그 문제란 바로 “뇌 활동을 관찰하는 것”에서 “누가 행동을 조절하는지 확인하는 것”으로 나아가는 방법입니다.
그 후, 이 방법은 기억, 수면, 보상, 중독, 운동, 불안, 우울, 사회적 행동 및 다양한 신경 및 정신 질환과 관련된 뇌 회로에 대한 연구에 널리 사용되었다.
그것의 가장 큰 장점도 명확합니다. 즉, 특정 세포 유형을 고정할 수 있고, 높은 공간 정밀도를 가진 동시에 밀리초 단위의 시간 제어도 가능하다는 것입니다.
지난 20년 동안, 연구자들은 Channelrhodopsin을 계속해서 개선해왔다.
어떤 반응은 더 빠르고, 어떤 것은 다양한 색상의 빛에 의해 활성화될 수 있으며, 어떤 것은 뉴런을 “열기”하는 역할을 하고, 또 다른 것은 뉴런을 “닫기”하는 역할을 합니다.
그래서 올해 노벨상 공식 발표문에서는 “light-gated ion channels”와 “optogenetics” 두 가지를 함께 나열했습니다.
전체의 첫 부분은 헤겔만, 나겔 등이 광제어 이온 채널에 대해 수행한 발견과 메커니즘 연구와 관련이 있다.
다음 부분에서는 데이서로트 등이 이러한 분자 도구를 실제로 신경계에 도입하고, 신경 회로를 조작할 수 있는 기술 체계로 발전시킨 내용을 다룬다.
세 사람의 기여가 연결되면, 사실은 매우 완전한 경로가 됩니다—
먼저 녹조에 있는 “빛 스위치”를 찾아내고, 그 다음에 그것을 뉴런에 장착한 뒤, 마침내 과학자들이 빛을 이용해 뇌의 특정 세포를 정확하게 제어할 수 있게 되었습니다.
세 명의 과학자들이 빛유전학의 가장 중요한 세 부분을 맞췄다
카를 알렉산더 데이서로스｜Karl Alexander Deisseroth
칼 알렉산더 데이서로스(Karl Alexander Deisseroth, 1971년 11월 18일—), 미국의 신경과학자, 정신과 의사 및 생명공학자로, 스탠포드 대학교의 생명공학 및 정신의학·행동과학 교수이자 하워드 휴스 의학 연구소의 연구원이다.
그의 경험은 의학, 신경과학, 공학을 아우르는 전형적인 형태를 띠고 있습니다.
1992년, 데이서로스는 하버드 대학의 생화학 과정을 졸업한 후 스탠퍼드 MD-PhD 프로그램에 입학했으며, 1998년에는 신경과학 박사 학위를, 2000년에는 의학 박사 학위를 받았다.
그를 광유전학 센터의 핵심 인물로 만든 것은 2005년에 이루어진 그 연구였습니다.
당시 데이서로스와 에드워드 보이든, 장펑 등은 채널로도신-2, 즉 ChR2를 포유류 뉴런에 도입했고, 그 후 다음과 같은 사실을 발견했다—
청색광만으로도 뉴런이 활동 전위를 생성하는 것을 밀리초 단위의 정확도로 제어할 수 있다.
이 단계에서 이전에 미생물에 존재했던 “광제어 이온 채널”이 신경계를 조작할 수 있는 도구로 변모했다.
그 후, 데이서로스 팀은 광유전학의 발전을 계속 추진했으며, CLARITY와 같은 조직 투명화 및 영상화 기술을 개발했습니다.
그래서 그의 공헌은 명확합니다: 빛으로 조절되는 이온 채널을 실제로 신경과학에 도입하여 “빛으로 뉴런을 제어하는” 방식을 대규모로 활용할 수 있는 방법이 되었습니다.
페터 헤겔만｜Peter Hegemann
페터 헤겜만(Peter Hegemann, 1954년 12월 11일—), 독일의 생물물리학자로, 현재 베를린 황보르크 대학교 실험생물물리학 교수이자 신경과학 Hertie 명예교수이다.
데이서로트와 비교해보면, 헤겔만은 더 순수한 기초 연구 경로를 추구했다.
그는 독일 미네스터에서 태어났으며, 미네스터 대학과 뮌헨 대학에서 화학 및 생화학을 공부했습니다. 1984년에는 막스 플랑케 생화학 연구소에서 박사 학위를 취득했습니다.
1993년부터 그는 레겐스부르크 대학교의 교수로 재직했으며, 그 후 베를린 황금방울 대학교로 옮겼다.
수십 년 동안 헤겔만은 매우 기본적인 질문을 연구해왔다: 단세포 미조류는 어떻게 빛을 인지하는가?
이 연구는 나중에 직접 채널로도프신으로 이어졌다.
그는 게오르크 나겔 등과 함께 채널시로이로이드를 발견하고 특성화했으며, 이 단백질이 빛을 감지하는 기능과 이온 흐름을 조절하는 기능을 하나의 분자에 통합하고 있다는 것을 증명했습니다.
광유전학에 있어서 이 단계는 가장 핵심적인 “부품”을 찾은 것과 같습니다.
자연적으로 존재하는 광제어 이온 채널이 없다면, “광을 이용해 뉴런을 제어하는” 기술도 존재할 수 없습니다.
게오르그 나겔｜Georg Nagel
게오르그 나겔은 1953년에 태어난 독일의 생물물리학자로, 빌트베르크 대학교 교수입니다. 그는 미생물 광수용체, 막 단백질 및 광유전학 도구에 대한 연구를 오랫동안 진행해왔습니다.
나겔은 독일 바이엔가텐에서 태어났으며, 콘스탄츠 대학교에서 생물학과 생물물리학을 공부했고, 1988년에 프랑크푸르트 대학교에서 박사 학위를 받았습니다.
그 후, 그는 예일대학교와 록펠러대학교에서 박사후 연구를 진행했으며, 마크스 플랑케 생물물리학연구소에서 장기간 연구팀을 이끌었습니다.
그의 가장 중요한 공헌은 채널로도신이 진정으로 “정체가 확립”된 그 몇 년에 집중되어 있었다.
2002년과 2003년에 Nagel과 Hegemann 등은 Channelrhodopsin-1과 Channelrhodopsin-2를 순서대로 확인하고 특성화했습니다.
그 중에서도 ChR2가 특히 중요합니다.
그들은 ChR2가 직접 빛에 의해 활성화될 수 있는 양이온 채널이라는 것을 증명했으며, 포유류 세포에 이를 넣으면 빛으로 인해 세포막이 탈분극되게 된다고 했습니다.
이 단계는 거의 직접적으로 이후의 기술적 접근 방식을 제시한다: 빛이 ChR2를 통해 세포막의 전기 활동을 변화시킬 수 있다면, 그것을 뉴런에 넣으면 직접적으로 뉴런의 방전을 조절할 가능성이 생긴다.
헤게만과 나겔은 “빛 스위치” 자체를 찾아내고 이해했으며, 디서로스는 이 “빛 스위치”를 실제로 뉴런에 장착하여 광유전학을 발전시켰다.
이런 일시적인 변화와 순서가 있었기에 오늘날 뇌에 관한 연구를 위한 전체 기술 체계가 생겨났다.
참고 링크:
[1]
https://med.stanford.edu/profiles/karl-deisseroth
[2]
https://brainprize.org/winners/optogenetics-2013/peter-hegemann
[3]
https://www.biologie.hu-berlin.de/de/gruppenseiten/expbp/groupmembers/prof.-hegemann-peter