자기장으로 뇌기능 원격·정밀 제어하는 나노기술 개발-자기장과 유전공학 이용해 뇌신경 제어하는 ‘자기유전학 기술’ 개발
보도일 2021-01-29 01:00 연구단명나노의학 연구단
자기장으로 뇌기능 원격·정밀 제어하는 나노기술 개발
- 자기장과 유전공학 이용해 뇌신경 제어하는‘자기유전학 기술’개발-
자기장은 MRI와 같이 질병 진단에 매우 중요한 수단이나, 치료에는 사용이 되지 않고 있다. 즉, 자기장을 이용하면 MRI와 같이 생체 신호를 읽기나 검색은 가능하나, 쓰기나 교정 기능은 불가능한 상태이다.
기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노의학 연구단 천진우 단장(연세대 교수)과 이재현 연구위원(연세대 고등과학원 교수) 연구팀은 자기장을 이용해 뇌의 운동신경을 무선 (wireless) 및 원격 (remote) 으로 정밀 제어하는‘나노 자기유전학(nano-magneto-genetics) 기술’을 개발했다.
연구진은 자기장에 감응하여 토크 힘 (5 pN (피코 뉴톤 피코뉴턴(pico-newton) : 피코(pico)는 10-12을 나타내는 접두어로서, 피코뉴톤은 1뉴톤 (1N)의 1조분의 1에 해당하는 힘.
))을 발생하는 ‘나노나침반’을 개발하였다. 나노나침반의 토크 힘은 뇌세포의 피에조-1 (Piezo-1) 이온 채널 이온 채널(ion channel) : 채널이 열리고 닫힘에 따라 세포 내부의 이온농도를 조절하는 막 단백질.
을 개방하여, 뇌신경 신호 전달이 가능하다. 살아있는 동물(쥐)의 경우 나노나침반을 우뇌의 운동 신경 부위에 주입한 후 자기장을 가했을 때, 칼슘 이온이 세포 내로 유입되어 원하는 부위의 운동 능력을 촉진하였다. 이에 따라 쥐의 왼발 운동신경이 활성화되어 반시계 방향으로 운동하며, 운동능력이 약 5배 향상했다. 즉, 나노나침반이 자기수용체 (magneto-receptor, 磁氣受容體)로 작용하여, 뇌세포의 활성 제어가 가능함이 살아 움직이는 동물에서 증명된 것이다.
연구진이 개발한 자기유전학 장치는 MRI장비와 같은 크기(중심지름 70 cm)에서도 구동이 가능하며 사람의 뇌나 전신에 25mT(밀리 테슬라 밀리 테슬라(milli tesla): 밀리는 1/1000을 뜻하는 접두어. 테슬라는 자기장의 세기를 나타내는 단위.
)의 자기장을 전달할 수 있다. 자기장은 침투력이 높기 때문에 파킨슨병, 암과 같은 난치병 치료에 활용될 것으로 기대된다.
천진우 단장은 “나노 자기유전학은 원하는 세포를 유전공학으로 선택해 무선(wireless)·원격(remote)으로 뇌 활성을 제어하는 연구 플랫폼이 될 것”이라며 “뇌의 작동 원리 규명과 질환 치료 등 뇌과학의 새로운 지평을 열 것으로 기대한다”고 전했다.
이번 연구 결과는 국제학술지‘네이처 머티리얼스(Nature Materials)’에 1월 29일 01시(한국시간) 게재됐다.
[참고 동영상]
1. 기술 개요 동영상 : https://youtu.be/i5w4rRGHqIg (다운로드: https://drive.google.com/file/d/1GntQJq-m8qeHx0hrJGJ4_eyIi3U1zNfr/view?usp=sharing)
2. 동물 행동 실험 동영상 : https://youtu.be/n-bHEIwAaJg
(다운로드: https://drive.google.com/file/d/1OjX-Kw9lBux_foymMBOKTKXJwcVNTSSG/view?usp=sharing)
[붙임] 1.용어설명, 2.그림설명, 3. 연구진 이력사항
용 어 설 명
1. 자기유전학 (magneto-genetics):
: 힘에 반응하는 이온 채널을 유전자 전달을 통해 세포에 생성한 후, 자기장을 이용해세포의 활성을 조절하는 방법. 현재 힘과 열을 이용한 2가지 방법이 제시되고 있음. 1) 힘을 이용한 자기-힘-유전학(magneto-mechanical-genetics)을 이번 연구에서 그 가능성을 증명하였고, 2) 열을 이용한 자기-열-유전학 (magneto-thermal-genetics)은 자연계에 존재하지 않는 방법이나, 몇몇 해외 그룹에서 실험실 수준 연구를 수행 중.
2. 피코뉴톤 (pico-newton):
: 피코(pico)는 10-12을 나타내는 접두어로서, 피코뉴톤은 1뉴톤 (1N)의 1조분의 1에 해당하는 힘이다.
3. 이온 채널 (ion channel):
: 세포의 막에 존재하며 채널이 열리고 닫힘에 따라 세포 내부의 이온 농도를 조절함. 특히 뇌세포(뉴런) 에서 이온 채널의 개폐를 통해 신경 신호를 전달함.
4. 피에조-1 이온 채널 (Piezo-1 ion channel):
: 힘-감응 이온 채널(mechano-sensitive ion channel) 중 하나로, 힘을 통해 개폐가 결정되는 이온 채널.
5. 밀리 테슬라 (milli tesla)
: 밀리는 1/1000을 뜻하는 접두어. 테슬라는 자기장의 세기를 나타내는 단위이다. 일반적인 스피커에 내장된 자석이 약 1테슬라이다.
그 림 설 명
그림 1. 나노 자기유전학
힘에 반응하는 이온 채널을 유전자 전달을 통해 세포에 생성한 후, 나노나침반과 자기장을 이용해서 세포의 활성을 조절하는 방법.
1. 유전공학을 이용하여 원하는 뇌세포를 힘에 반응하는 이온 채널을 생성함.
2. 나노나침반을 주입함.
3. 회전자기장을 통해 나노나침반에 토크 힘을 전달
4. 이온채널 개방을 통해 뇌신경을 활성화함.
그림 2. 나노나침반과 토크 힘 발생 장치
1. 나노나침반: 구형 (500nm)이고, 토크 힘을 생성하는 나침반 역할
2. 회전자기장 생성 장치: 균일한 자기장 (25mT) 생성이 가능한 원형 구조임.
그림 3. 자기유전학을 통한 뇌 신경 활성화
1. 나노나침반은 뇌세포의 피에조-1 이온 채널을 개방하여, 칼슘 이온이 유입되고, 뇌세포 활성화 및 전기 신호를 생성.
2. 전기 신호는 뇌 신경을 따라 전달 됨.
3. 전달된 전기신호는 중추 신경계를 활성하고, 선택된 뇌세포의 종류와 위치에 따라 다양한 뇌의 활동 촉진이 가능함.
그림 4. 나노 자기유전학을 적용한 뇌 운동 신경 활성화 실험 예
1. 피에조-1이 발현된 뇌세포 (운동 피질 부위)에 나노나침반을 주입.
2. 활성화된 뇌세포 신호(붉은색)
3. 우뇌 운동 피질 (M2 부위)에 나노나침반을 주입한 후 자기장을 가했을 때, 쥐는 왼발이 활성화되어 반시계 방향으로 운동을 하며, 대조군에 비해 평균 5배의 운동능력 향상을 보임. 반대로, 좌뇌 운동 피질을 자극 받은 쥐는 시계방향으로 운동 능력이 촉진됨.
연구진 이력사항
<천진우>
○ 소 속 : 연세대학교 교수
기초과학연구원(IBS) 나노의학 연구단 단장
<이재현>
○ 소 속 : 연세대학교 고등과학원 조교수
기초과학연구원(IBS) 나노의학 연구단 연구위원