그래서 뇌질환의 원인을 알아내기 위해서는 pH농도와 세포간 상호작용이 어떻게 작동하는지 관찰하는 게 중요한데요. 한국과학기술연구원(KIST) 뇌과학연구소 기능커넥토믹스연구단 브래들리 베이커(Bradley J. Baker) 박사 연구팀이 이런 뇌 활동을 시각적으로 측정하는 형광전압센서인 파도(Pado)를 개발했습니다. 세계 최초입니다.
 |
| 파도를 발현하는 HEK293 세포사진(좌). 빨간선은 전기적 활동과 pH농도변화에 따른 형광세기 변화를 파란선은 수소이온이 세포막을 통과하면서 발생하는 전류의 변화를 나타낸다. 수소이온이 통과하면서 발생하는 전류 1nA당 형광신호 변화량이 약 15% 변화하는 것을 관찰할 수 있다. 전압 활동 신호가 파도치는 형상과 닮아 센서은 이름이 ‘파도’로 붙여졌다. |
이 센서는 DNA로 구성돼 있기 때문에 특정세포에만 특이적으로 발현이 가능합니다. 실험은 DNA 분자를 신경세포에 투입해 단백질이 발현되는 것으로 시작합니다. 발현된 단백질로 인해 세포는 빛을 내고요. 여기에 자극을 가해 형광 변화를 관찰할 수 있습니다. 파도는 전기적으로 연결돼 있는 세포에서 발현이 가능하고 새포 내의 수소이온농도를 조절하는 기능을 가지고 있습니다.
HEK293세포와 전기적 연결성을 가지는 억제성 뉴런 연구에도 이 센서를 적용할 수 있습니다. 산성도 변화의 원리부터 크게는 산성도 변화에 따라 발생되는 뇌질환의 근본적인 원인까지 파악할 수 있을 것으로 전망됩니다.
 |
| 브래들리 베이커(Bradley J. Baker) 박사 |
 |
| 파도로 관찰한 전압과 산성도 이미지. 전압은 파란색, pH는 빨간색. 3670번 사진에서 세포의 왼쪽 아래 코너에서 pH변화가 보이기 시작하고, 4090사진에서 위쪽 오른쪽 세포의 코너에서 pH가 변화하는 것을 관찰할 수 있다. |
베이커 박사가 센서에 파도라는 이름을 붙인 이유는 센서로 측정된 산성도와 전압 활동 신호가 파도치는 형상과 닮아 있었기 때문입니다. 베이커 박사는 지난 2015년 뇌 속 신경활동의 시각적 관찰이 가능한 제1호 탐침 ‘봉우리(Bongwoori)’를 개발했었습니다. 과학기술연합대학원대학교(UST) 학생과 독자 연구로 만들어낸 성과였죠.
봉우리는 형광단백질 센서 1호로 전압에 따라 변하는 빛의 세기를 관찰할 수 있습니다. 기존 시간해상도(형광 단백질 센서의 기록지표)를 5배 앞당기고 가장 빠른 발화속도의 기록이 가능해 뇌에서 일어나는 신호전달 상황을 한 눈에 실시간으로 볼 수 있는데요.
파도는 기존 봉우리에서 관찰이 가능했던 전압과 빛의 세기와의 연관성을 실험적으로 증명했습니다. 이런 원리규명으로 그 기능이 향상된 3호 탐침이 개발 중입니다. 이번 연구 결과는 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 4일자에 실렸습니다.
dsun@heraldcorp.com
