칼슘이온(Ca2+)은 신경 전달물질의 분비나 근육 수축의 이완, 혈액 응고 등 거의 모든 생명현상에 관여한다. 심장근육이 뛰는 데도 꼭 필요한 성분이라 세포 내 칼슘이온이 부족해지면 심장부정맥 등 치명적인 질환으로 이어질 수 있다.

알츠하이머 치매와 같은 인지장애나 운동실조 등과 같은 질환도 마찬가지다. 의과학계는 세포 내 적정 칼슘이온 농도를 조절하는 약물 개발 등에 힘써왔지만 문제 부위에만 칼슘이온을 주입하기 어렵다는 등 현실적인 한계에 부닥쳤다. 독성과 부작용이 강해 실험실 내에서만 가능할 뿐 인체 적용까지는 힘든 기술도 많았다.

미래창조과학부가 주최하고 한국연구재단과 서울경제신문이 공동 주관하는 ‘이달의 과학기술인’ 4월 수상자로 선정된 허원도 KAIST 생명과학과 교수가 개발한 ‘생체 내 칼슘이온 제어기술’은 이런 한계를 단번에 뛰어넘을 수 있다는 점에서 획기적이다. 생체 부작용을 최대한 줄이는 동시에 정밀한 제어를 구현하기 위해 허 교수가 택한 도구는 바로 ‘빛’이다.

허 교수팀은 빛에 반응해 복합체(cluster)를 이루는 식물의 단백질을 복합체를 이뤘을 때만 활성화하는 인간(동물 세포)의 칼슘이온 채널 단백질과 융합시켜 빛을 쪼일 때 칼슘이온이 세포 안으로 흘러들 수 있게 했다. 허 교수는 “오직 칼슘이온만 들어올 수 있는 완전히 새로운 융합 단백질을 만들어낸 것”이라며 “빛의 세기와 비추는 시간을 원격 제어함으로써 생체 내 유입되는 칼슘농도의 양과 잔류시간 등까지 조절할 수 있게 됐다는 점에서 차별화된다”고 자신했다.


허 교수팀은 이렇게 개발한 ‘광 유도 칼슘이온 채널 활성화(OptoSTIM1) 기술’을 인간배아줄기세포와 제브라피시 등에 각각 적용해 빛 자극으로 칼슘이온의 유입을 활성화하는 일련의 연구를 성공적으로 수행했다. 특히 뇌 속 해마 부위에 빛을 비춰 쥐의 단기 기억력을 향상할 수 있음을 세계 최초로 증명한 실험이 크게 주목받았다. 빛을 쬔 쥐는 그렇지 않은 쥐보다 전기 충격을 받았던 특정 공간에 대한 공포가 2배 증가했다는 사실이 실험 결과 확인됐다. 연구 결과는 생명공학 분야에서 세계적 권위를 가진 네이처 바이오테크놀로지의 2015년 10월호 표지논문으로 게재됐다.

기술을 적용할 수 있는 분야는 무궁무진하다. 칼슘이온과 관련된 여러 생명현상은 물론 관련 질환의 원인규명에 활용할 수 있으며 대량 화합물 중 칼슘이온 농도에 영향을 미치는 물질을 찾아내는 신약 개발 플랫폼으로도 쓰일 수 있다.

빛을 쐬는 것 자체로 질병을 치료하는 길도 언젠가는 열릴 것으로 기대를 모으고 있다. 칼슘이온을 통해 면역세포를 활성화해 암세포 전이를 방지하는 등 혁신적인 아이디어도 넘쳐난다. 물론 실제 인간에게 적용하기까지는 넘어야 할 벽이 많다.

허 교수는 “우선 빛을 비침습적으로 뇌 조직에 전달할 수 있도록 광유전학 기술이 발전해야 한다”며 “20년쯤 후에는 적외선이 소형화한 광원을 이용해 기억을 잃어가고 있는 치매 환자나 칼슘이온 대사에 문제가 있는 환자를 직접 치료할 가능성도 기대할 수 있다”고 내다봤다.

이 밖에도 광유전학 분야에서 허 교수팀이 이룬 성과는 눈부시다. 연구팀이 개발해 2014년 ‘네이처 메소드’지를 통해 발표한 ‘광 유도 분자 올가미’ 기술은 식물의 광합성 단백질과 결합 단백질을 융합, 빛을 비출 때 본래 세포가 자발적으로 만들지 않는 단백질 복합체(올가미)를 형성함으로써 원하는 단백질이 기능하지 못하게 가둬두는 기술이다. 이론적으로는 암세포 분열을 막을 수 있어 암치료 연구 등에 유용하게 활용될 것으로 전망된다. 빛으로 뇌 신경세포를 분화·성장하도록 유도하거나 특정 움직임 혹은 신호전달을 원격 조종하는 원천기술도 다수 개발했다. 물론 현재도 빛을 이용해 생체 기능을 조절할 수 있는 신종 단백질 발굴과 적용·제어 기술에 관한 연구를 꾸준히 진행하고 있다.

허 교수는 “현재 뇌 과학에서 보편적으로 사용되는 광유전학 기술은 ‘채널로돕신’ 단백질을 기반으로 하고 있지만 이 단백질의 경우 다양한 양이온을 모두 받아들이고 있어 정밀하지 못하고 효율이 낮은 편”이라며 “생체 연구에 가장 적합한 빛을 가장 잘 활용하기 위한 원천기술을 다수 개발해 10년 뒤에는 우리가 개발한 단백질과 기술이 연구의 기준이 될 수 있기를 꿈꾼다”고 말했다. /김경미기자 kmkim@sedaily.com