얼어붙은 전등 스위치: 북극 미생물이 신경과학에 혁명을 일으킬 수 있을까

크리오로돕신은 저온성 미생물에서 발견되는 단백질군입니다. 세포의 전기적 활동을 켜고 끌 수 있는 놀라운 능력을 가지고 있습니다. 출처: Daniela Velasco/EMBL

그린란드의 웅장한 빙하, 티베트 고산 지대의 만년설, 그리고 핀란드의 영원히 얼음처럼 차가운 지하수를 상상해 보세요. 이러한 것들이 차갑고 아름답기는 하지만, 구조 생물학자 키릴 코발레프에게는 이보다 더 중요한 것은 뇌세포 활동을 조절할 수 있는 특이한 분자들의 서식지라는 것입니다.

EMBL 함부르크 슈나이더 그룹과 EMBL-EBI 베이트먼 그룹의 EIPOD 박사후 연구원인 코발레프는 생물학적 문제 해결에 열정을 가진 물리학자입니다. 그는 특히 수생 미생물이 햇빛을 에너지로 활용할 수 있도록 하는 다채로운 단백질 그룹인 로돕신에 매료되어 있습니다.

코발레프는 "저는 특이한 로돕신을 찾아 그 기능을 이해하려고 노력합니다."라고 말했다. "그런 분자들은 우리가 활용할 수 있는 미지의 기능을 가지고 있을 수도 있습니다."

일부 로돕신은 이미 세포의 전기적 활동을 위한 빛에 반응하는 스위치 역할을 하도록 변형되었습니다. 광유전학이라고 불리는 이 기술은 신경과학자들이 실험 중에 신경 활동을 선택적으로 제어하는 ​​데 사용됩니다. 예를 들어, 효소 활동과 같은 다른 기능을 가진 로돕신은 빛을 이용한 화학 반응을 제어하는 ​​데 사용될 수 있습니다.

코발레프는 수년간 로돕신을 연구해오면서 로돕신에 대해 속속들이 알고 있다고 생각했습니다. 하지만 그는 이전에 본 적이 없는 새롭고 알려지지 않은 로돕신 그룹을 발견했습니다.

과학에서 흔히 그렇듯, 모든 것은 우연으로 시작되었습니다. 온라인 단백질 데이터베이스를 탐색하던 중, 코발레프는 빙하나 고산지대처럼 매우 추운 환경에서만 발견되는 미생물 로돕신에서 흔히 볼 수 있는 특이한 특징을 발견했습니다. "이상하네." 그는 생각했습니다. 로돕신은 바다나 호수에서 흔히 발견되는 물질이니까요.

이 한랭 기후 로돕신들은 수천 킬로미터 떨어진 곳에서 진화했음에도 불구하고 서로 거의 동일했습니다. 이는 우연일 리가 없습니다. 코발레프는 이것들이 추위 속에서 생존하는 데 필수적일 것이라고 결론지었고, 이를 인정하기 위해 이들을 '크리오로돕신'이라고 명명했습니다.

갑자기 나타난 로돕신

코발레프는 로돕신이 어떻게 생겼는지, 어떻게 작동하는지, 특히 색깔은 무엇인지에 대해 더 자세히 알고 싶어했습니다.

각 로돕신의 핵심 특징은 색상입니다. 대부분은 분홍빛과 주황색을 띠는데, 분홍색과 주황색 빛을 반사하고 녹색과 파란색 빛을 흡수하여 활성화됩니다. 과학자들은 신경 활동을 더욱 정밀하게 제어할 수 있도록 다양한 색깔의 로돕신 팔레트를 개발하기 위해 노력합니다. 파란색 로돕신은 조직을 더 깊고 비침습적으로 침투하는 빨간색 빛에 의해 활성화되기 때문에 특히 주목을 받아 왔습니다.

코발레프가 놀랍게도, 그가 실험실에서 조사한 크리오로돕신은 예상치 못한 다양한 색상을 가지고 있었고, 가장 중요한 것은 그 중 일부가 파란색이었다는 점이었습니다.

각 로돕신의 색깔은 분자 구조에 의해 결정되며, 이는 흡수하고 반사하는 빛의 파장을 결정합니다. 이 구조에 변화가 생기면 색깔이 변할 수 있습니다.

코발레프는 웃으며 "크리오르로돕신의 색깔만 봐도 무슨 일이 일어나는지 알 수 있어요."라고 말했습니다.

그는 고급 구조생물학 기술을 적용하여 파란색의 비결이 원래 단백질 데이터베이스에서 발견했던 희귀한 구조적 특징과 동일하다는 것을 알아냈습니다.

코발레프는 "이제 우리는 파란색 로돕신의 특징을 이해했으므로 다양한 용도에 맞는 합성 파란색 로돕신을 설계할 수 있습니다."라고 말했습니다.

다음으로, 코발레프의 공동 연구진은 배양된 뇌 세포에서 크리오로돕신을 조사했습니다. 크리오로돕신을 발현하는 세포에 자외선을 조사하자 세포 내부에 전류가 유도되었습니다. 흥미롭게도, 연구진이 바로 직후 세포에 녹색 빛을 비추자 세포의 흥분성이 증가한 반면, 자외선/적색 빛을 비추자 세포의 흥분성이 감소했습니다.

"세포의 전기적 활동을 '켜고' '끄는' 모든 방식으로 효율적으로 전환하는 새로운 광유전학적 도구는 연구, 생명공학, 그리고 의학 분야에 매우 유용할 것입니다."라고 이 연구에 참여한 괴팅겐 대학교 의료센터의 그룹 리더 토비아스 모저는 말했습니다. "예를 들어, 저희 연구실에서는 광유전학적으로 환자의 청력을 회복할 수 있는 새로운 광학 인공와우 이식 장치를 개발하고 있습니다. 이러한 다목적 로돕신의 유용성을 향후 연구에 활용하는 것은 중요한 과제입니다."

"저희 크리오로돕신은 아직 도구로 사용될 준비가 되지 않았지만, 훌륭한 시제품입니다. 저희 연구 결과를 바탕으로 광유전학 분야에서 더욱 효과적으로 활용될 수 있도록 개발될 수 있는 모든 핵심 특징을 갖추고 있습니다."라고 코발레프는 말했습니다.

에볼루션의 자외선 차단제

함부르크의 비오는 겨울날에도 햇빛에 노출되면 크리오로돕신은 자외선을 감지할 수 있습니다. 이는 요제프 바흐트바이틀이 이끄는 프랑크푸르트 괴테 대학교의 코발레프 연구진이 첨단 분광법을 사용하여 보여준 결과입니다. 바흐트바이틀 연구팀은 크리오로돕신이 실제로 모든 로돕신 중 빛에 대한 반응 속도가 가장 느리다는 것을 보여주었습니다. 이를 통해 과학자들은 크리오로돕신이 미생물이 자외선을 '볼 수 있도록' 하는 광센서 역할을 할 것이라고 추측했습니다. 이는 다른 크리오로돕신에서는 찾아볼 수 없는 특성입니다.

"정말 그럴 수 있을까?" 코발레프는 계속해서 자문했습니다. 전형적인 센서 단백질은 세포막에서 세포 내부로 정보를 전달하는 전달 분자와 협력합니다.

코발레프는 스페인 알리칸테의 협력자들과 EMBL-EBI의 EIPOD 공동 지도 교수인 알렉스 베이트먼과 함께 크리오로돕신 유전자는 항상 기능이 알려지지 않은 작은 단백질을 인코딩하는 유전자와 함께 유전되며, 아마도 기능적으로 연관되어 있다는 것을 발견했을 때 더욱 확신을 갖게 되었습니다.

코발레프는 이것이 실종된 메신저일지도 모른다고 생각했습니다. 연구팀은 AI 도구인 알파폴드(AlphaFold)를 사용하여 작은 단백질 다섯 개가 고리를 형성하여 크리오로돕신과 상호작용하는 것을 보여주었습니다. 예측에 따르면, 작은 단백질은 세포 내부에서 크리오로돕신과 맞닿아 있습니다. 연구팀은 크리오로돕신이 자외선을 감지하면 작은 단백질이 이 정보를 세포 내부로 전달하기 위해 이동할 수 있다고 생각합니다.

크리오로돕신에서 나오는 빛에 민감한 신호가 세포의 다른 부분으로 전달되는 새로운 메커니즘을 발견하는 것은 매우 흥미로웠습니다. 아직 규명되지 않은 단백질의 기능을 알아내는 것은 언제나 짜릿한 경험입니다. 실제로 크리오로돕신이 없는 생물체에서도 이러한 단백질이 발견되었는데, 이는 아마도 이 단백질의 훨씬 더 다양한 기능을 암시하는 것일지도 모릅니다.

크리오로돕신이 왜 이러한 놀라운 이중 기능을 진화시켰는지, 그리고 왜 추운 환경에서만 기능하는지에 대한 이유는 여전히 미스터리로 남아 있습니다.

코발레프는 "크리오로돕신은 추위 때문이 아니라 미생물이 유해할 수 있는 자외선을 감지할 수 있도록 독특한 특징을 진화시켰을 것으로 추정합니다."라고 말했습니다. "산 정상과 같은 추운 환경에서 박테리아는 강한 자외선에 노출됩니다. 크리오로돕신은 박테리아가 자외선을 감지하여 스스로를 보호할 수 있도록 도울 수 있습니다. 이 가설은 우리의 연구 결과와 잘 부합합니다."

코발레프는 "이처럼 특별한 분자를 발견하는 것은 외딴 지역으로 과학 탐사를 가서 그곳에 사는 유기체의 적응력을 연구하지 않고서는 불가능했을 것입니다."라고 덧붙였다. "우리는 그로부터 정말 많은 것을 배울 수 있습니다!"

독특한 분자에 대한 독특한 접근 방식

크리오로돕신의 매혹적인 생물학을 밝혀내기 위해 코발레프와 그의 협력자들은 몇 가지 기술적 과제를 극복해야 했습니다.

하나는 크리오로돕신의 구조가 거의 동일하여 단일 원자의 위치가 약간만 달라도 다른 특성을 나타낼 수 있다는 것입니다. 이 정도로 세부적인 분자를 연구하려면 일반적인 실험 방법을 넘어서는 접근이 필요합니다. 코발레프는 EMBL 함부르크 빔라인 P14의 X선 결정학과 네덜란드 그로닝겐의 알베르트 구스코프 연구팀의 저온 전자 현미경(cryo-EM)을 결합한 4차원 구조 생물학 접근법을 적용했으며, 빛에 의한 단백질 활성화도 함께 연구했습니다.

코발레프는 "제 프로젝트를 가능하게 해 준 독특한 빔라인 시스템 덕분에 EMBL 함부르크에서 박사후연구원을 하기로 결정했습니다."라고 말했습니다. "P14 빔라인 팀 전체가 제 실험에 맞춰 시스템을 조정해 주었습니다. 그들의 도움에 정말 감사드립니다."

또 다른 어려움은 크리오로돕신이 빛에 매우 민감하다는 것이었습니다. 이 때문에 코발레프의 연구진은 거의 완전한 어둠 속에서 샘플을 다루는 법을 배워야 했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/07/250704235550.htm