그림 a처럼 광활성 Flp 단백질(PA-Flp 단백질)은 비활성 상태에서 분리돼 있다가 빛에 의해 결합하고 활성화하도록 설계됐다. 연구진은 PA-Flp 단백질을 8주 된 생쥐의 뇌 해마에 주입했다. 이후 그림 b처럼 청색광 LED를 직접 생쥐 머리에 비추자 해마에 발현된 PA-Flp 단백질이(그림 c 붉은색) 활성화하고 빛으로 활성화한 PA-Flp 단백질에 의해 발현된 유전자를 현미경으로 관찰할 수 있었다. (사진=기초과학연구원 제공)
국내 연구진이 살아있는 생쥐의 머리에 빛만 비춰도 뇌 유전자 발현을 제어할 수 있는 시스템을 개발했다.
매우 약한 빛에도 반응하면서 많은 시간과 재원이 드는 유전자 변형 실험 모델을 만들지 않아도 특정 유전자 발현을 유도할 수 있다는 점에서 활용이 기대된다.
기초과학연구원(IBS) 인지 및 사회성 연구단의 KAIST 생명과학과 허원도 교수 연구팀이 개발한 Flp 유전자 재조합 효소는 빛에 민감하게 반응하며 활성화한다.
수술이 아닌 LED 빛을 쏘는 방식만으로 유전자의 발현을 유도할 수 있는 것이 특징이다. 물리적·화학적 손상에 의한 부작용을 최소화할 수 있다.
IBS 연구진이 개발한 광활성 Flp 유전자 재조합 효소(이하 PA-Flp 단백질)는 비활성화 상태에서도 빛을 받으면 결합해 활성화한다.
연구진은 단백질 공학을 통해 기존에 잘 알려지지 않았던 Flp 재조합 효소를 활성화하는 것에 힌트를 얻어 PA-Flp 단백질을 설계했다.
PA-Flp 단백질의 발현 정도는 적색 형광단백질을 붙여 쉽게 알아볼 수 있도록 만들었다. PA-Flp 단백질은 매우 적은 양으로도 반응하는 민감도를 지녔다는 게 연구진의 설명이다.
연구진은 기억을 관장하는 쥐의 뇌 해마 부위에 PA-Flp 단백질을 넣은 뒤 약 30초 동안 LED를 머리 부분에 비추는 실험을 진행했다.
그 결과 생쥐 뇌의 깊은 조직 영역에 도달하는 매우 적은 양의 빛으로도 PA-Flp 단백질이 활성화한 것을 확인했다.
생쥐에게 쏜 빛은 실생활에서 사용하는 휴대폰의 손전등 혹은 발표 시 이용하는 레이저 포인터 정도의 세기로 연구진은 물리적 손상을 전혀 일으키지 않는 방식으로도 유전자 발현을 조절하는 데 성공했다.
이번 연구는 빛으로 원하는 타이밍에 유전자를 자르고 재조합하는 효소를 개발해 향후 광유전학에 응용가치가 클 것으로 기대를 모은다.
특정 유전자가 변형된 실험모델을 제작하려면 오랜 시일과 연구비가 투입되지만, 이 기술은 빛만 쏘는 방식으로도 원하는 유전자를 쉽고 빠르게 조절할 수 있기 때문이다.
공동 교신저자 박병욱 연구교수는 "이번 연구는 살아있는 쥐의 뇌에 적용해 개발된 시스템을 특정 유전자의 시공간적 기능 연구에 활용할 수 있음을 보여줬다"고 말했다.
연구 결과는 세계적 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 12.353)에 18일 오후 7시에 게재됐다.