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4월 과학기술인상, 한국과학기술원 허원도 교수
생명과학 미래창조과학부 (2017-04-06 10:45)

허원도 교수
허원도 교수


- 빛으로 세포를 제어하는 광유전학기술 개발 -


미래창조과학부와 한국연구재단은 이달의 과학기술인상 4월 수상자로 한국과학기술원  생명과학과 허원도 교수(기초과학연구원 그룹리더)를 선정했다고 밝혔다.

미래부와 연구재단은 허원도 교수가 빛으로 생체 내 세포 기능을 제어하는 광유전학* 원천기술을 개발하여 수술이나 약물투여 없이 레이저나 LED 빛을 쏘아 알츠하이머, 암 등 칼슘이온* 관련 질환의 발병원인을 연구할 새로운 기술 개발과, 다양한 차세대 광유전학 기술들을 개발하여 새로운 생물학 연구방법을 제시한 공로가 높이 인정되어 이달의 과학기술인상 수상자에 선정되었다고 설명했다. 
*광유전학 : 광학과 유전학의 합성어로 빛으로 세포나 단백질의 기능을 제어하는 기술    
*칼슘이온 : 세포의 기능조절에 있어서 필수적인 이온으로 세포내에서의 특정농도와 특정위치에 따라 세포의 기능이 특이적으로 조절됨 

현재, 빛으로 생체 조직의 세포들을 조절하는 광유전학은 신경세포를 단순하게 활성화 또는 비활성화시키는 기술들이 일반적이다. 허원도 교수는 칼슘이온채널 활성화 기술(OptoSTIM1)을 개발하여 빛을 이용해 생체 내 칼슘이온을 활성화시킬 뿐만 아니라,  빛으로 칼슘농도를 올려서 생쥐의 기억력을 2배로 향상시키는 것을 성공하였다.

이 기술로 빛의 강도와 노출 시간에 따라 원하는 만큼 칼슘이온을 유입시키고 잔류 시간도 조절할 수 있어, 단일세포나 살아있는 동물조직에서 다양한 세포들의 기능을 원격조정할 수 있게 된다. 

실험 결과, 칼슘이온의 영향을 받는 세포들 중 정상세포,  암세포, 인간 배아 줄기세포 등에 빛을 쐈을 때 칼슘이온 유입이 활성화되는 것이 확인되었다. 빛으로 칼슘이온의 농도를 제어함으로써 세포 성장, 신경물질 전달, 근육 수축, 호르몬 조절 등 생명현상의 조절이 가능해진 것이다.

허원도 교수는  “그동안 채널로돕신을 이용하여 신경세포를 활성화하는 광유전학이 일반적이었는데, 칼슘이온채널 활성화를 통한 새로운 광유전학 기술 개발로 다양한 생물학 연구뿐만 아니라 신경생물학 연구에서 필수적인 연구기법으로 적용할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다. 
*채널로돕신 : 녹조류에서 발견되는 단백질로서 빛에 의해 Na+, K+,Ca++의 양이온을 세포내로 통과시키는 이온 채널

 ‘이달의 과학기술인상’은 과학기술인의 사기 진작과 과학기술 마인드 확산을 위해 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정하여 미래부 장관상과 상금 1천만원을 수여하고 있다.


수상자 미니인터뷰

겨우내 웅크렸던 식물이 봄볕에 움트며 생명의 힘을 과시하는 4월. 한국과학기술원 생명과학과 허원도 교수 연구실도 봄기운이 가득하다. 허원도 교수는 광유전학 기술을 바탕으로 인간 뇌의 신경세포에서 일어나는 현상을 시각화하고 제어할 수 있는 연구를 진행 중이다. 허원도 교수가 진핸중인 광유전학은 식물이 빛을 받아서 싹이 트고 꽃을 피우는데 필수적인 식물광수용 단백질들*, 그리고 동물 세포에서 주요기능을 수행하는 다양한 단백질을 융합하여 인간 세포의 기능을 빛으로 원격 제어하는 기술이다.
 * 식물 광수용단백질 : 식물에는 다양한 파장의 빛으로 인지하는 수용체가 존재함. 주로 청색광수용단백질을 활용하여 광유전학 기술들을 개발함.

허원도 교수는 2000년대 후반, 당시 세계적으로도 생소했던 광유전학 분야의 연구토양을 국내에서 개척한 토종과학자다. 초기 연구분야인 식물생물학, 세포생물학, 생화학, 뇌과학의 경계를 넘나들며 학제 간 융합과 소통을 통해 생명현상의 본질을 찾고 있다. 바이오이미징 기술과 광유전학을 뇌 과학 연구에 적용해 인류의 뇌 질환 극복에 기여하겠다는 것이 그의 궁극적인 목표. 이러한 꿈을 실현하기 위해 항상 즐겁고 긍정적인 마음으로 연구실을 지킨다는 허원도 교수의 연구 이야기를 소개한다.

o 이달의 과학기술인상 수상을 진심으로 축하드립니다. 수상 소감 부탁드립니다.

 - 이달의 과학기술인상을 받게 되어 영광입니다. 수상자 후보로 추천해 주신 한국과학기술원 생명과학과 오병하 학과장님을 비롯해 연구가 가능하도록 도와주신 여러분들, 실험실 학생들, 연구원들에게 고마운 마음을 전합니다. 앞으로 더 좋은 연구 성과를 낼 수 있도록 노력하겠습니다.

o 인간의 뇌는 첨단과학의 발전에도 여전히 미지의 영역입니다. 최근 광유전학이 뇌과학 분야에서 주목을 받고 있지만, 10여 년 전만 해도 국내는 물론 국제적으로도 낯선 개념이었습니다. 뇌과학과 광유전학을 접목하신 계기가 있으신가요?

 - 첫 연구분야는 뇌과학이 아닌 세포생물학과 생화학이었습니다. 한국과학기술원 부임 직후 새로운 바이오이미징 기술을 개발, 세포 내에서 일어나는 현상을 시각화해서 새로운 생물학 현상들을 발견하고 분석‧이해하는 연구를 진행했습니다. 또한 새로운 광유전학 기술을 개발, 세포 내 분자들과 세포의 기능을 밝히는 세포생물학 연구에 집중했습니다. 뇌과학 연구는 3년 전 기초과학연구원(IBS) 인지및사회성연구단의 신희섭 단장님의 권유가 있었습니다. 뇌과학은 수많은 선배 과학자들께서 오랜 시간 연구했지만, 아직 밝혀지지 않은 영역이 많습니다. 우리 그룹이 개발한 광유전학 및 바이오이미징 기술을 접목하면 새로운 뇌과학 연구가 가능하리라 생각했습니다.

o 현재까지 광유전학 기술은 신경세포의 활성만을 조절하는데 국한됐지만, 교수님은 세포 내 존재하는 수많은 신호전달 단백질을 빛으로 원격제어하는 새로운 개념의 광유전학 원천기술을 개발했는데요. 이 같은 결실을 맺기까지 어려움은 없으셨나요?

 - 2008년 KAIST에 부임해 바이오이미징 및 세포신호전달 실험실을 마련하고 2009년 초부터 본격적으로 광유전학 연구를 시작했습니다. 식물에 존재하는 광수용단백질을 이용한 광유전학 원천기술 개발에 주력했는데 당시 국내에는 관련 연구를 할 수 있는 기반이 없었습니다. 광유전학실험 인프라를 갖추는 데만 2년 가까이 걸렸습니다. 초기에는 바이오이미징 분야의 오랜 연구 경험과 실험실 학생들의 적극적인 광유전학 연구 참여로 문제를 극복해나갔습니다. 믿고 따라준 학생들과 연구원들의 땀과 열정으로 다른 경쟁그룹보다 앞서나갈 수 있었습니다.

o 빛으로 살아있는 생체 내 칼슘이온을 제어하는 원천기술을 2015년 10월  Nature Biotechnology지 표지논문으로 발표하셨습니다. 빛을 쬐는 비침습적 방식은 알츠하이머 등 신경질환 질환 치료법으로 발전이 가능하리란 기대인데요. 해당 기술이 현실화되기까지 거쳐야 할 과정은 무엇인가요?

 - 현재까지 대부분의 광유전학 기술은 청색광을 이용하는데 청색광은 인체조직에 투과성이 떨어져 광섬유를 이용해야만 합니다. 해당 기술이 현실화되려면 우선 빛을 비침습적으로 뇌 조직에 전달될 수 있게 근적외선을 이용한 광유전학 기술이 발전해야 합니다. 장기적으로는 빛을 이용한 광유전학을 넘어서 열, 초음파, 자기장 등과 같은 다른 유용한 자극 등을 인지하는 센서 단백질을 발굴하고 열유전학(thermogenetics), 자기유전학(magnetogenetics) 등의 기술이 개발된다면 신경질환 치료가 현실화되지 않을까 기대합니다.

o 교수님이 지난 15년간 매진해 온 연구 결과들이 현대 사회와 국민의 삶에 어떤 영향을 미치길 기대하시나요?

  - 저의 연구내용은 기초기술이기 때문에 현대사회와 국민의 삶에 지금 당장 직접적인 영향을 미치지는 않을 것입니다. 관련 연구 성과가 20년쯤 후에는 치매를 치료하고, 사고로 과거에 잃었던 기억을 되살리는데 이용되기를 조심스럽게 기대합니다.

o 연구자로서 스승으로서 두 가지 임무를 수행하시는데요. 평소 연구실을 운영하는 기본방침이나 철학이 있다면 들려주세요.

 - 세포생물학과 뇌과학 분야를 벗어나지 않는 범위에서 학생들의 관심 분야를 존중합니다. 연구는 학생이 몇 년에 걸쳐 직접 수행하기에 관심 있는 분야를 찾아야 더 좋은 결과가 나오게 마련입니다. 저 역시 대학원과 박사 후 과정을 거치면서 하고 싶은 연구를 진행했습니다. 따라서 대학원 신입생이 연구실에 들어오면 진행 가능한 여러 분야와 프로젝트들을 설명하고 관심 연구를 고르게 합니다. 원하는 것이 없으면 스스로 만들어오게 합니다. 그러면 저도 함께 공부하고 실험을 계획하며 연구를 진행합니다. 더불어 학생들이 연구에 전념할 수 있는 실험실 분위기를 조성하기 위해 많이 노력합니다. 20명 이상이 한 연구실에서 긴 시간 생활하기 때문에 구성원 사이에 발생할 수 있는 갈등을 최소화하는 노력도 중요합니다.

o 연구자로서 귀감으로 삼는 인물이나 스승이 있다면 소개해 주세요.

 - 학부와 석·박사 과정, 박사 후 과정을 거치면서 많은 분의 도움을 받았습니다. 한 분을 꼽아야 한다면 박사학위 지도교수이자 평생을 연구와 교육, 한국의 과학 발전을 위해 노력해 오신 조무제 교수님, 현재 한국연구재단 이사장님이십니다. 경상대에서 제가 부족함 없이 석·박사 과정까지 연구할 수 있도록 지원하고 지도해주셨습니다. 그리고 한 분을 더 소개한다면 박사 후 과정 멘토이신 스탠퍼드대학교 토비어스 메이어(Tobias Meyer) 박사님입니다. 연구 분야를 완전히 바꾼 저에게 기회를 주셨고 저의 재능을 발굴하고 발전시켜 준 분이죠. 또 KAIST로 부임한 후 독립된 연구를 할 수 있게 배려해 준 것도 바로 그 분입니다.

o 인생의 좌우명이나 연구에 임하는 철학이 있으시다면?

 - 저의 좌우명은 항상 긍정적이고 즐겁게 연구에 임하는 것입니다. 평생 동안 하는 연구인데 그런 마음과 자세가 없다면 건강한 몸을 유지하기 힘들다고 생각합니다. 좋은 연구를 하려면 건강해야 합니다. 그래야 남들보다 더 집중할 수 있고요. 몸과 마음이 건강할 때 좋은 아이디어가 떠오릅니다.

o 지금까지 도전적인 연구활동을 해오셨는데요. 앞으로 궁극적으로 도전하고 싶은 목표, 이루고 싶은 성과는 무엇인가요?

 - 지난 20년간 저는 세포 내에서 일어나는 복잡한 신호전달 과정을 시각화하는 다양한 바이오이미징 기술과 세포의 기능을 원격 제어하는 새로운 광유전학기술들을 개발해 왔습니다. 이러한 경험을 바탕으로 살아 있는 뉴런(신경세포)에서 일어나는 복잡한 현상을 실시간으로 시각화하고 제어하는 광유전학기술을 개발하고 있습니다. 우리 그룹에서 개발한 바이오이미징 기술을 뇌과학 연구에 적용하면 새로운 사실을 발견할 수 있다고 생각합니다. 특히 우리가 학습하고 기억하는 정보들이 뇌에서 어떻게 저장되고 처리되는지 연구하고자 합니다. 나아가 뇌세포와 뇌세포에서 중요한 단백질을 빛으로 제어해 치매, 우울증 등의 뇌 질환을 정복하고 싶습니다.

o 끝으로 미래 뇌 과학자(또는 과학자)를 꿈꾸는 어린 학생들에게 당부하거나 강조하고 싶은 말씀 부탁드리겠습니다.

 - 지난 3월 제주대에서 청소년과 일반인을 대상으로 열린 뇌 주간 행사에서 ‘뇌기능 이해를 위한 차세대 바이오이미징 및 광유전학 기술의 개발’을 주제로 강연했습니다. 어렵고 생소한 주제였을 텐데도 학생들이 자발적이고 적극적으로 질문하는 모습을 보면서 우리 과학의 미래가 밝다고 생각했습니다. 과학자를 꿈꾸는 어린 학생들이 그러한 과학적 호기심을 잃지 않는 것이 중요합니다. 과학은 결코 어려운 학문이 아닙니다. 항상 과학에 대한 관심을 가질 수 있도록 노력하기 바랍니다. 현실적인 목표를 세우고 차근차근 성취하고 노력해 나가면 언젠가 원하는 과학자가 되어 있을 것입니다.


연구성과 관련 그림

칼슘이온채널활성화(OptoSTIM1) 광유전학기술 설명도
▶ (그림1) 칼슘이온채널활성화(OptoSTIM1) 광유전학기술 설명도

o 칼슘이온채널활성화(OptoSTIM1) 기술은 청색 빛에 반응하여 복합체를 형성하는 애기장대 식물*의 청생광수용단백질을 이용함. 식물청색광수용단백질에 인간의 칼슘이온 채널 활성화 단백질을 융합시켜 빛에 의존적으로 세포 내 칼슘을 유입시킬 수 있다. 빛으로 원격 조정하여 세포나 동물조직에서 원하는 위치 그리고 원하는 시간에 자유자재로 칼슘이온 농도를 조절 가능하다.
    * 애기장대 식물 : 조그만 개화식물로서 현대 식물학에서 모델 식물로 널리 사용되고 있다.

광유도 칼슘이온채널활성화 기술 인간배아줄기세포 및 제브라피쉬에 적용
▶ (그림2) 광유도 칼슘이온채널활성화 기술 인간배아줄기세포 및 제브라피쉬에 적용.
o 칼슘이온채널활성화 기술을 적용시킨 인간배아줄기세포와 제브라피쉬*에 빛을 쬐어 주었을 때 칼슘이온 유입이 활성화 되는 것을 확인할 수 있다.
    * 제브라피쉬 : 크기가 작은 물고기로 척추 동물 연구 모델. 지금까지 발생학, 유전학, 유전체학, 독성학, 그리고 질병 모델로써 다양한 연구 분야에서 사용

  o 인간 배아줄기세포의 경우 특정 부위의 국소적인 청색 빛 자극을 통한 칼슘이온 유입에도 시간차를 두고 먼 곳의 세포까지도 칼슘이온이 전달되어, 인간 배아줄기세포 간의 소통에 칼슘이온이 중요하다는 것을 확인할 수 있다.

  o 제브라피쉬의 뇌와 척수에서 빛을 통해 특이적으로 칼슘이온 유입을 활성화 시킬 수 있다는 점은 이 기술이 다양한 곳에 사용될 수 있음을 뒷받침한다. 이 기술을 살아있는 쥐의 뇌에 적용하여 빛으로 칼슘이온의 유입을 증가시켰을 때 기억력이 2배로 증가시키는 것을 세계 최초로 성공하였다.



*관련 링크 : http://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=news&id=282039&BackLink=L3RyZW5kL25ld3MvaW5kZXgucGhwP3RvZGF5PTIwMTctMDQtMDY


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