기억력 좋은 사람, 태어날 때부터 일부 결정 - 해마의 상세한 신경망 분석을 통해 신천적으로 같은 시기에 발생한 자매 세포간의 긴밀한 네트워킹 확인 - 3차원 영상 분석기술 "엠그래스프"를 통해 살아있는 상태의 쥐의 뇌를 시냅스 수준에서 분석 해마는 뇌에서 기억과 공간개념을 관장하는 중요한 부분이다. 해마를 구성하는 신경세포들의 접합부인 시냅스는 서로 끊임없이 신호를 주고 받음으로써 이러한 능력을 발휘한다. 국내 연구진이 뇌를 시냅스 차원에서 분석하여 특정 세포간의 연결이 더 밀접하다는 사실을 발견했다. 연구진은 또한 그러한 신호 패턴을 보이는 특정세포들이 선천적으로 같은 시기에 발현된 자매세포(sister cells)임을 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST) 기능커넥토믹스연구단 김진현 박사팀이 국내유치 해외연구원 린칭팽(Linqing Feng, 제 1저자) 박사와 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 세계수준의 연구센터(WCI) 사업의 일환으로 수행되었으며, 신경과학 분야의 권위있는 학술지인 ‘Neuron’ 온라인판에 1월 9일 게재되었다. (논문명 : Structured synaptic connectivity between hippocampal regions) 연구팀은 최근 개발한 mGRASP 기술(엠그래스프, 2012년 Nature methods지에 게재)에 3차원 영상 분석 소프트웨어 (2012년도 Bioinformatics 지 게재)를 접목하여 해마에서 기억과 학습에 밀접하게 관련이 있다고 알려진 부위의 신경연결망을 3차원으로 시각화하였다. CA3에서 CA1 영역의 신경세포들은 해마에서 기억과 학습영역에 밀접하게 관련이 있는 부위로 알려져 있다. 연구팀은 mGRASP기술을 통해 상세한 신경신호가 시냅스에서 어떻게 전달되는지를 밝힐 수 있었다. * 해마는 크게 DG, CA3, CA1 으로 불리는 세부 부위로 나누어진다. 주된 신호 전달 방향은DG→CA3→CA1 으로 이루어진다. 본 연구에서는 CA3와 CA1 영역의 신경세포들을 사용하였다. 그동안 뇌의 해마부위를 구성하는 신경세포들에서 신호가 어떻게 전달되는지, 연결 구조를 밝히는데 어려움이 있었다. 따라서 1:1의 단순한 구조나 균등한 연결망을 이룬다는 가설이 지배적이었다. 연구팀은 CA3, CA1 영역의 세포들의 시냅스에서 이 가설을 분석한 결과, 실제로는 특정 세포간의 연결성이 더 강하다는 사실을 발견했다. 연구팀은 더 나아가 이러한 연결패턴은 같은 발생시기에 태어난 “자매세포 (sister cells)”간에 두드러지게 나타난다는 것을 발견했다. 자매세포 간에는 시냅스의 신호전달이 더 활발하게 일어난다는 뜻이다. * 자매세포 : 발생중 한 세포의 분열에 의하여 생긴 한쌍의 세포들, 자매세포는 배아 상태에서 결정되어 각각의 뇌 특정부위로 이동하여 출생후에도 분자생물학적 공통성을 내재하고 있다. 연구진은 시냅스에서 신호전달 패턴이 고도로 조직화된 패턴으로 이루어지고, 자매세포라는 선천적 특성이 이러한 정보 처리 과정에 연관이 있다는 것을 밝혔다. 이는 자매세포라는 프레임이 구조적으로 잘 구축된 사람이 그렇지 않은 사람보다 기억력이 좋을 수 있는 가능성을 보여준다. (그림 3 참고) 김진현 박사는 “mGRASP라는 신경망 지도를 그릴 수 있는 새로운 기법을 활용하여 기존보다 정확하고 빠른 신경망회로 분석이 가능했고, 이를 통해 학습기억 습득에 선천적인 영향이 있음을 밝힐 수 있었다”며, “향후 이와 같은 연구가 뇌의 특정 부위에 특화된 약물 타겟팅 및 뇌질환 진단에 이용될 수 있을 것으로 예상된다.”고 밝혔다. ○ 그림설명 <그림 1> 20nm 간격의 시냅스를 광학현미경으로 살아있는 시냅스에서 획기적 쉽게 찾아낼 수 있는 mGRASP(mammalian GFP Reconstitution Across Synaptic Partners) 기술을 보여주는 모식도 <그림 2> mGRASP기술을 이용한 해마의 신경세포 CA3에서 CA1 연결망, CA3에서 보낸 신호가 CA1으로 연결된다. 엠그래스프 기술을 활용하면 시각화가 가능하다 <그림 3> 세포수준(A)과 수상돌기수준(B)에서 신경망회로 연결성 패턴을 알기 위해 설정한 가설들, 왼쪽은 1:1로 연결되는 모습, 오른쪽은 특정 연결패턴으로 신호가 전달되는 모습. 연구 결과 오른쪽 가설이 옳다는 것을 증명되었다 <그림 4> mGRASP기술과 분석 소프트웨어를 이용한 해마의 CA3에서 CA1 연결망을 3차원으로 가시화한 이미지

우리 원은 12월 30일 국방부(육본 전력지원체계사업단)와 2건의 전력지원체계 연구개발사업(『신개념 금속연료전지』 및 『발칸 대공표적 추적훈련 분석기』) 계약을 체결했다고 밝혔다. 이번에 계약한 군 무전기용 전원장치인『신개념 금속연료전지』는 우리 원 에너지융합연구단 조병원 박사팀이 개발한 마그네슘-소금물을 이용한 신재생 에너지로서 마그네슘 전지로는 세계 최초로 군 무전기의 전원장치로 활용될 예정이다. 개발된『신개념 금속연료전지』는 마그네슘과 소금물을 사용하여 전기를 발생시키며, 2016년 이후 차세대 무전기(TMMR, Tactical Multiband Multirole Radio : 다대역, 다채널, 다기능 네트워크 중심 무전기)의 예비 전원으로 사용될 예정이다. 현재 사용되는 리튬 이온 전지보다 같은 무게에 포함된 에너지 보유량이 2배나 크기 때문에 적지 종심작전부대의 전투 효율성을 크게 향상 시키게 될 것이다. 기존 리튬 2차 전지는 별도 전원과 충전기가 필요하고, 적지 종심작전부대가 장기간 사용하기 위해 휴대하는 전지 중량이 과다하여 지속적인 작전활동에 지장을 초래할 뿐만 아니라 화재나 폭발 위험성을 가지고 있으므로 안전하고 충전이 필요 없는 군용전지 개발이 요구되었다. 이런 문제를 극복하기 위해 우리 원은 종전보다 출력이 2배이고, 전기를 다 소모했을 때 마그네슘 금속판과 전해액(소금물)만 손쉽게 교체할 수 있는 기술을 개발하였다. 조 박사는 "『신개념 금속연료전지』가 기존의 군용 전지 보다 저렴하고, 마그네슘의 국내 매장량이 풍부해 전지 기술을 꾸준히 향상시킬 수 있다"고 말했다. 또한, 우리 원은『발칸 대공표적 추적훈련 분석기』 R&D 사업 계약도 체결하였다. 이는 원거리 영상촬영기술과 인공시각 감지 시스템기술을 활용한 교육 훈련장비 개발 사업으로 센서시스템연구센터 박민철 박사팀이 개발하였다. ※ 발칸 대공표적 추적 훈련 분석기 표적 추적 훈련을 효율적으로 수행하기 위한 교보재로서 추적훈련 카메라, 통제 PC, 분석 프로그램, 통신설비 등으로 구성되어 있으며 추적훈련 결과를 통제 PC를 통해 자동 저장, 재생, 분석이 가능하고 사수별 체계적, 과학적 훈련지도가 가능함. 현행 사용중인 『발칸 대공표적 추적훈련 감독기』는 단순 훈련 교육 보조재로서 훈련 시 교관이 불편한 자세를 유지하면서 감독을 해야 하고, 평가관에 따라 훈련 기준이 상이하였을 뿐만 아니라 훈련 결과도 저장할 수 없어 사후검토 등 체계적인 훈련지도가 제한되었다. 이번에 연구개발하는 『발칸 대공표적 추적훈련 분석기』는 추적훈련 결과를 자동 저장, 재생, 분석할 수 있고, 영상을 활용한 주·야간 훈련 및 훈련 제한지역에 대한 적응 훈련도 가능하며, 사수별로 체계적이고 과학적인 훈련지도가 가능한 장비로서 훈련수준을 획기적으로 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 우리 원 김용환 안보기술개발단장은 “이번 계약 체결을 계기로 과학기술계가 국방 전력지원체계사업을 적극적으로 지원하게 되는 전환점이 될 것이며, 앞으로는 무기체계 기초기술 개발도 지원하여 창조적인 독자무기 개발에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다. 우리 원은 민군 기술협력을 선도적으로 추진하기 위하여 2010년 12월 20일 안보기술개발단(단장 김용환)을 설립하여 국방 기술개발을 지원하고 있으며, 2012년 1월 19일 과학기술계 정부출연연구소 최초로 국방부와 국방 전력지원체계 기술협력 MOU를 체결한 바 있다.

2013년 기관 업무보고(연구지원부문)

종합청렴도 8.89점이라는 역대 최고점수를 획득하여 총 653개 공공기관 중 1위 차지 우리 원은 청렴한 조직문화를 실현하고, 규정·제도 정비를 통해 투명한 업무처리 절차를 마련하는 등 다양한 청렴활동을 적극 전개하여, 국가권익위원회에서 실시한 2013년 공공기관 청렴도 측정에서 종합청렴도 8.89점이라는 역대 최고점수를 획득하여 전체 653개 공공기관 중 1위라는 쾌거를 달성하였다. 청렴도 측정은 내부청렴도, 외부청렴도, 정책고객평가 등 3개 분야로 구분되어 실시되며, KIST는 종합청렴도 8.89점, 외부청렴도 8.92점, 내부청렴도 8.92점으로 모두 전국 1위를 차지하였다. 우리 원은 그동안 계약 시 청렴서약 확약, 사이버 청렴서약서 서명행사, 간편신고시스템 구축, ‘청렴송’ 통화 연결음 도입, 청렴엽서 제작, 청렴슬로건 공모, 청렴스티커 제작 등 전직원의 자발적인 참여를 독려하고, 고객 의견 수렴을 통해 개선 사항을 즉시 피드백하는 등 기관 업무의 투명성과 공정성을 높이기 위해 노력해왔다. 앞으로도 우리 원은 현실에 안주하지 않고, 청렴 최우수 공공기관으로서 청렴 문화를 더욱 확산해 나갈 예정이다.

일반학교에서 적응에 어려움이 있는 관심군 학생이나 ADHD*나 자폐 등의 질환을 가진 특수학교 장애 학생들의 교육을 도와주는 로봇인 “로보짱”이 개발되었다. 우리 원은 지난 10월 14일부터 경기도 오산시의 화성초등학교(교장 위성정)에 “로보짱” 시스템을 운영중이다. 이 로봇시스템은 대구대학교특수교육·재활과학연구소(소장 이효신)가 개발한 사회성 향상 로봇 콘텐트를 최신 스마트 기기와 연동해 로봇이 제공하는 것으로, 참가 학생들의 수업 집중도 향상 및 학급 내 교우관계를 개선할 수 있는 가능성을 보여주고 있다. 로보짱은 특수교사를 도와 장애 학생들의 교육을 주도하는 친구 역할을 수행한다. 로봇은 “모든 것을 잘하는 친구이자 내가 필요할 때 도움을 주는 의지할 수 있는 친구”로 인식되어 수업 효과를 높이고, 집중도를 지속시켜 준다. 이러한 특별한 서비스를 필요로 하는 장애학생 및 관심군 학생의 수는 전체 학생의 10%정도에 이를 정도로 심각한 사회문제로 대두되고 있으나, 현실적으로 교육 및 복지예산의 한계로 인한 담당교사 부족 및 적합한 교육방법을 찾기가 어려운 점 등이 심각한 요인으로 지목되고 있다. 지능 로봇 기술을 실제 공공교육 현장에서 본격적으로 이용한 사례는 그동안 전 세계적으로 보기 힘들었던 방식으로 우리 원 바이오닉스 연구단 김문상 박사팀의 다양한 지능로봇 기술과 기존의 KIST의 영어교사 보조 로봇, 노인을 위한 치매예방 훈련로봇 등의 경험을 바탕으로 가능하게 되었다. ‘로보짱’은 다양한 감성을 표현하고, 지능적으로 이동할 수 있다. 또한 원격에 있는 전문가가 개입하여 교육을 진행하는 방식으로 교육 참여 학생들의 적극적인 흥미와 참여를 유도하고 있다. 교육이 끝난 후에는 스마트 장치를 활용하여 아이들의 자연스러운 의견을 수집하게 된다. 로보짱 시스템의 중요요소인 사회성 향상 로봇 콘텐츠는 자폐 아동들이 흔히 가장 힘들어하는 부분인 사회성 증진을 위한 사회적 인식, 자기 통제, 효율적 의사소통, 의미있는 관계형성 및 유지, 의사결정 및 문제대처 등의 26개 프로그램으로 구성되어 있다. 이 외에도 흥미 유발을 위한 노래, 게임 등이 준비되어 있어 아이들에 지속적인 몰입감을 유도할 수 있다. 교육을 담당하는 대구대 관계자와 화성초등학교 교사들은 기존 교육방식에 소통의 한계를 보여주던 학생들이 로봇에는 매우 적극적인 흥미와 집중을 보이고 있어 이들의 사회성 증진 및 학교 교육 등에 매우 커다란 효과를 보이고 있다고 밝혔다. ‘로보짱’을 개발한 우리 원 김문상 박사는 “이번에 개발된 장애아동로봇시스템은 2014년 본격적인 2차적 연구를 위해 덴마크와의 국제 협력 등이 예정되어 있어 향후 유럽국가 등에 상용화를 위한 발판을 마련할 수 있을 것으로 보인다” 고 밝혔다. * ADHD(Attention Deficit/hyperactivity Disorder) : 주의력 결핍 과다행동 장애, 지속적으로 주의력이 부족하여 산만하고 과다활동, 충동성을 보이는 질환

‘설국열차’ 후속 작품을 촬영 중인 봉준호 감독은 매우 지쳐보였다. 방전된 듯한 그의 표정을 보고 강의할 에너지가 과연 있을까 염려되었다. 봉준호 감독의 강연 첫 음성을 듣고는 나의 걱정이 괜한 것이었다는 걸 알았다. 봉감독은 자신이 정해준 강연제목 ‘창의적인 충동과 그 두려움에 관하여’는 즉흥적인 것이었고, 강연내용은 이와 무관하다며 청중들의 폭소를 유발했다. 기억, 새로운 시선, 영화 봉준호 감독은 본인의 영화 시나리오를 직접 쓴다. 시나리오를 쓰다가 구상한대로 진도가 나가지 않으면 옆에 있는 사람, 혹은 길거리에서 만나는 사람을 죽이고 싶은 광기(?)를 느낀다고 했다. 좋은 시나리오에 대한 광기어린 집착이 오늘의 봉준호 감독을 만든 원천일 것이다. 일반인에게 기억은 그냥 흘러간 추억이지만 봉감독에게 기억은 새로운 시각이자 영화를 풀어나가는 핵심 포인트다. 프랑스 만화를 원작으로 한 영화 설국열차도 봉감독이 어릴 적 즐겨본 ‘은하철도 999’에서 본 그 기차에 대한 봉감독의 로망이 담겨져 있다. 대학시절 오대산 주차장에서 봉감독은 산행을 마다하고 좁은 관광버스 안에서 춤을 추고 있는 아줌마들을 목격한다. 좋은 대자연을 앞에 두고 관광버스에서 춤을 추는 아줌마들이 대학생 봉준호의 뇌리 속에는 충격의 잔영으로 있었다. 모처럼의 소중한 여행에서 일 분 일 초가 아까운 우리네 서민 아줌마들은 관광버스 이동시간마저도 놀이의 공간으로 만들었다는 서글픈 사연을 인지한 영화감독 봉준호는 대학시절 아련한 기억을 주저 없이 영화 마더의 라스트 씬으로 옮겼다. 영화 괴물도 고등학교 시절 한강변 아파트에서 검은 물체가 잠실대교에 매달려 있다가 빠지는 모습을 본 것이 시나리오의 모태가 되었다고 한다. 봉준호 감독의 기억과 사물을 보는 다른 시선은 오롯이 그의 영화를 더욱 재미있게 만드는 요소가 되고 있다. 과학, 예술, 그리고 배우 봉준호 감독은 자신의 최근작품 설국열차 설명에 많은 시간을 할애했다. 판타지 영화가 아닌 SF영화이기 때문에 17년간 달릴 수 있는 기차와 그 안에서 자급자족하는 시스템에 대해서는 관객들에게 최소한 근거를 제시할 필요가 있었다. 봉준호 감독은 17년간 연료를 주입하지 않고 달리는 열차의 동력장치는 핵잠수함의 핵융합 원자로를 상정한 것이라 했다. 과학기술은 이처럼 영화의 내용을 채우는 모티브가 되기도 하지만 영화라는 예술을 구성하는 필수요소로 작용한다. 최첨단 하이테크 장비와 모션 캡쳐, 컴퓨터 그래픽 등이 없다면 영화 ‘아바타’와 ‘반지의 제왕’도 그처럼 생생한 영상으로 관객들에게 다가갈 수 없을 것이다. 봉준호 감독은 과학기술과 예술의 융합장르인 영화에서 절대 대체 불가능한 것이 바로 배우라고 했다. 영화감독, 영화스텝은 5년 동안 실미도 같은 섬에서 열심히 교육훈련 시키면 누구나 할 수 있지만 송강호나 김혜자 같은 명배우는 타고난 DNA가 없으면 할 수 없다 했다. 배역에 몰입해서 빙의된 듯 광기어린 연기를 하고 다시 현실로 돌아가 극중 본인의 연기를 평가할 수 있는 능력은 아무나 가질 수 없고 그 누가 대체할 수 도 없다고 했다. 디테일과 리더십 봉준호 감독은 영화촬영장을 질퍽거리는 땅, 거대한 장비, 그 장비를 연결하는 무수한 전선들, 스텝과 배우들이 뒤엉켜있는 그리 아름답지 않은 공간이라 했다. 그 아름답지 못한 공간의 최고 의사결정자가 바로 감독이다. 봉준호 감독과 영화를 함께한 배우나 스텝은 하나같이 봉준호 감독의 리더십을 칭송한다. 설국열차의 주인공 크리스 에반스도 봉준호를 ‘촬영 현장의 모든 답을 갖고 있는 현자’라고 그를 추켜 세웠다. 강연 말미에 봉감독이 언급한 영화 마더의 마지막 장면 ‘관광버스’촬영 후일담을 듣고 왜 그의 리더십을 칭송하는지 머리가 끄덕여졌다. 봉감독은 스텝들에게 관광버스 씬의 촬영원칙을 제시했다. 그 원칙은 첫째 컴퓨터 그래픽을 쓰지 않고, 둘째 실제 달리는 버스를 촬영하고, 셋째 태양광선이 버스를 수직으로 관통해야 한다는 것이었다. 버스와 촬영차량이 나란히 달릴 수 있는 도로, 태양광선이 버스를 수직으로 관통할 때의 정확한 시점 등 여러 가지 제약조건이 있었지만 스텝들은 봉감독의촬영원칙을 수긍하고 최적의 장소를 물색했고 결국 촬영에 성공했다. 좋은 작품을 위한 세밀함, 용의주도함, 그리고 그 바닥에 깔린 감독의 창의성은 배우와 스텝이 봉감독을 지지하는 힘일 것이다. 배우와 스텝의 감독에 대한 자발적 동의가 없다면 봉감독이 추구하는 디테일은 결코 그들을 설득하지 못할 것이다. 봉감독이 영화 마더의 마지막 장면을 틀고 객석으로 돌아와 자신의 작품을 감상했다. 본인이 계획한 대로 최상의 영상을 만들어낸 것이 지금도 감독 자신에겐 잊을 수 없는 기억인 듯 했다. 올 초 영화계의 거장 임권택 감독은 특강에서 5분이 넘는 서편제 진도아리랑의 롱테이크 장면을 신이 돕지 않았다면 나올 수 없는 영상이라 했다. 감독도 봉준호 감독이 말한 배우처럼 광기가 있어야 관객을 감동시키는 창의적인 작품을 만들 수 있을 것이다. 새로운 것을 만들어 내는 과학자도 광기와 같은 열정이 있는 것 아니냐며 언젠가 그런 과학자를 주인공으로 하는 영화를 만들고 싶다며 강연을 마무리 했다.

우리 원이 12월 5일~6일 양일간 서울 하월곡동 본원에서 2013년 KIST R&D EXPO를 개최했다. 이번 EXPO는 우리 원의 지난 일년간 주요 연구성과 및 미래 추진전략을 발표하고, 특허 나눔 행사 및 융합 공동연구 심포지움, 제 1회 학생 발명 Idea 공모전 등 다채로운 행사로 구성되었다. 관련하여 내년 2월까지 국제협력관 1층에서는 우리 원이 올해 추진한 개방형연구사업(Open Research Program)인 치매 조기진단 및 녹조방제기술 성과 및 뇌과학, 의공학 등 6개 연구부서의 37개 우수 연구성과가 전시된다. 본 행사에는 김건 기초기술연구회 이사장님과 대학, 연구소 및 기업 등 과학기술계 인사 200여명이 참석하여 자리를 빛냈다. 특히, 두산인프라코어 손동연 사장은 ‘기술혁신을 위한 산·학·연 협력활성화’를 주제로 융합연구를 위해 정부, 기업, 그리고 우리 원과 연구자가 가져야할 마음가짐에 대하여 기조연설을 하였다. 행사 첫째날인 5일에는 중소기업의 기술경쟁력강화를 위하여 지난 10월 부터 시행한 특허나눔사업의 신청자들과 특허이전식을 가졌다. 이 행사는 창조경제의 주역인 중소기업의 기술력 강화를 지원하기 위하여, 우리 원이 보유한 휴면 특허를 중소기업에 무상 양도 또는 착수기본료 무상 실시를 허락하는 사업으로 총 38개 중소기업이 94개 신청하였다. 이전식과 함께 지난 3월에 론칭한 K-Club 연말 총회도 같이 개최되어, 중소기업의 전방위적 지원 및 기술력 향상에 크게 기여할 것으로 기대된다. 특허이전식과 함께 열린 우수위탁과제 시상식에는 협력연구를 통해 우수한 성과를 거둔 우수위탁과제 연구책임자 8인을 선정하여 시상하는 시간을 가졌다. 오후에는 초·중·고 학생들이 생활에 유용한 Idea를 제안하는 ‘KIST 제 1회 학생 발명 Idea 공모전’ 수상자들이 본인의 Idea를 발표하는 설명회가 열렸다. 우리 원은 수상작 중 우수한 Idea 에는 특허 출원을 지원할 예정이다. 이 외에도 산학연 협력을 위한 유망 상용화 기술 소개 행사 및 채용 설명회가 개최되었다. 행사 둘째날에는 융합·창의·소통 활성화 프로그램 개발을 위한 심포지움과 그간의 성과를 발표하는 시간이 열린다. 오전에 열리는 융합.공동연구 심포지엄에서는 2012년 이후 입사한 박사급 연구원들이 본인의 연구를 소개하고 융합을 꾀하는 ‘신진연구자 포스터 발표’, KIST CTP (Convergence Technology Program) 수행과제 책임자들의 과제 기획과 관련한 스토리 텔링형 발표인 ‘융합·공동연구 사례 발표’ 등이 차례로 이어진다. 오후에는 젊은 연구자가 주축이 되어 3개 이상의 연구분야로 구성한 ‘KIST Pioneership’ 과제 공모에서 본선에 진출한 6팀이 혁신적 연구과제 수행안을 발표한다. 우리 원은 우수한 연구과제에 대하여 포상하고, 연구 성격에 따라 연구비를 지원할 예정이다. 그 후에는 원급이하의 연구자가 주저자로 참여한 논문을 평가하여 시상하는 ‘KIST 주니어 학회’가 개최된다. 이병권 원장 직무대행은 “KIST는 글로벌 선도연구소를 목표로 연구역량을 집중하고 산학연이 함께하는 개방형 R&D 플랫폼을 구축하여 융합 과학기술을 선도해 나갈 것이며 이 행사가 그러한 상호 협력과 교류의 소중한 장이 될 것” 이라고 말했다.

형형색색 눈에 보이는 뇌, 슈퍼 단백질에 빛을 쏘여라 - 뇌 회로의 작동을 눈으로 보여주는 센서, 슈퍼클로멜레온 개발 - 슈퍼클로멜레온 개발을 위한 자동화 로봇 개발 - 낭포성 섬유종 및 뇌 질환 기전 연구 실마리 제공 뇌 세포 간의 연결과 작동원리는 20세기 초부터 꾸준히 연구되어 왔지만 수천 개에서 수백억 개의 신경세포가 복잡하게 얽혀있는 뇌를 연구하기는 쉽지 않다. 이런 복잡한 뇌의 연결구조를 빛을 이용하여 눈으로 볼 수 있게 만든 연구가 국내 유치 해외 연구진에 의해 개발되었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 기능커넥토믹스연구단 조지어거스틴(George Augustine) 박사팀이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 세계수준의 연구센터(WCI) 사업의 일환으로 수행되었으며, 신경과학 분야의 권위있는 학술지인 ‘Journal of Neuroscience’ 10월호에 게재되었다.(논문명 : Visualization of Synaptic Inhibition with an Optogenetic Sensor Developed by Cell-Free Protein Engineering Automation) 뇌가 제 기능을 수행하는데 가장 기본이 되는 시냅스. 시냅스는 흥분성 시냅스와 억제성 시냅스로 구분되는데 두 개의 시냅스가 균형을 이룰 때 신경회로는 정상적인 기능을 할 수 있다. 시냅스간의 소통은 +와 - 성질을 가진 이온의 교환을 통해 이루어지는데, 억제성 시냅스가 활성화 되는지 여부는 세포 내의 염소 이온(Cl-)의 농도 변화에 의해 조절된다. 따라서 신경세포 내의 염소 이온의 농도 측정은 억제성 신경망 연구에 매우 중요하다. ※ 흥분성/억제성 시냅스 : 하나의 신경세포가 다른 신경세포를 흥분시키느냐 억제시키느냐에 따라서 흥분성 시냅스와 억제성 시냅스로 분류된다 연구진은 이온 농도 측정을 위해 빛을 이용했다. 빛은 파장에 따라 다른 색깔이 나타나는 특징이 있는데, 단백질 중 빛에 반응하는 형광단백질을 뇌 기능 연구를 위해 활용한 것이다. 형광 단백질은 특정 파장의 빛에 각각 반응하여, 자기만의 고유한 파장의 빛을 내는 성질이 있다. 서로 다른 두 가지 형광단백질이 서로 충분히 가까운 거리 내에 적절한 방향으로 존재하면, FRET 반응이 일어나는데, 두 형광단백질 중 빛을 받는 단백질은 염소 이온과 결합이 가능하다. ※ FRET (fluorescence resonance energy transfer)반응 : 두 형광단백질에 빛을 쬐었을 때, 처음 반응이 일어난 하나의 형광단백질(공여자; donor)에서 발산된 파장의 빛에 의해 옆에 위치한 형광단백질(수용자; accepter)이 활성화되어 자신의 파장의 빛을 발산하는 현상 이러한 두 가지 형광단백질을 연결하면, 염소 이온의 존재 여부에 따라 발산하는 빛의 파장이 달라지는 센서로서 역할을 할 수 있다. 이러한 원리에 의해 고안된 센서단백질이 클로멜레온(Clomeleon)이다. 그러나 기존의 클로멜레온은 1) 신호 대 잡음비가 낮아 염소 이온 농도 측정에 많은 오차를 유발 할 수 있는 점, 2) 염소 이온 농도에 따른 FRET 비율의 변화 폭이 좁다는 점, 3) 기존의 기법으로는 클로멜레온을 만드는데 막대한 시간이 소요된다는 점에서 한계를 가지고 있었다. 어거스틴 박사는 Duke 대학교 Hellinga 박사 연구팀과 공동으로 단시간 내에 최적의 클로멜레온을 제작하는 단백질 제작 자동화로봇 시스템을 개발 하였고, 이를 이용하여 그 특성이 훨씬 향상된 새로운 염소 이온 센서 단백질, 슈퍼클로멜레온(SuperClomeleon)을 만들게 된 것이다. 슈퍼클로멜레온은 기존 클로멜레온에 여러 가지 돌연변이를 도입하여 다양하게 변형된 후보 단백질을 만들었다. 그 후, 여러 단계의 스크리닝 및 특성을 확인하는 시험 과정을 통해 기능을 확인하였다. 그 결과 기존의 전통적인 분자생물학적, 생화학적 방법으로는 한 번에 한 가지 돌연변이 단백질 밖에 만들 수 없었던데 비해, 새로운 자동화로봇시스템을 도입하여 384개의 돌연변이 후보 단백질을 단 한 번의 작동으로 만들 수 있게 되었다. 이러한 제작 공정의 획기적인 이점 외에도, 슈퍼 클로멜레온은 기존 클레멜레온에 비해 염소 이온 변화에 따른 FRET 비율의 변화폭이 2배이상 증가하였고, 높은 신호 대 잡음비를 얻을 수 있어 오차를 줄 일 수 있었다. 따라서 슈퍼클로멜레온을 이용하면, 훨씬 선명한 이미지를 통해 염소 이온의 농도 측정할 수 있고, 이를 통하여 높은 해상도의 억제성 신경회로망 규명이 가능하다. <신경 세포 내에서 슈퍼클로멜레온(붉은 막대)은 기존의 클로멜레온(검은 막대)에 비해 향상된 높은 신호 대 잡음비를 보인다(최대 약 6 배).> 이처럼 특정 파장의 빛으로 활성이 조절되거나 혹은 특정한 이온, 막전위 등에 반응하여 빛을 내는 단백질을 신경세포 내로 도입하여, 뇌 회로를 연구하는 것이 광유전학(Optogenetics)기술이다. 본 연구는 센서단백질을 신경세포에 도입 및 발현시켜 신경세포 활성 여부를 광학 현미경을 통해 관찰했다. 이를 통해 얻어진 이미지를 분석함으로써 살아있는 쥐에서 특정부분의 뇌가 어떻게 작용하는지 효율적으로 파악할 수 있는 방법을 제시하였다. 본 연구는 복잡한 신경회로가 어떻게 기능하는지를 분석하는데 토대를 마련하고 특정 뇌질환 및 유전병의 원인 규명이 가능할 것으로 기대된다. 한 예로 뇌의 염소이온농도에 이상이 생길 경우, 체내에 점액이 과다 생산되는 낭포성 섬유증 같은 질환의 연구에 기술이 이용될 수 있다. 또한 각종 뇌 질환을 치료하는 약물 스크리닝 등에 폭넓게 활용할 수 있을 것이다. KIST 조지어거스틴 박사는“이번 연구를 통해 최적의 단백질을 단시간 내에 제조하는 기술 개발에 성공하였고, 이를 광유전학 기술과 결합하여 뇌 활동을 이미지화하는 획기적인 신경기능 회로 연구의 토대를 마련했다”고 전하며, “국내 단백질 공학 수준을 한 단계 끌어올리는 계기를 마련했다”고 연구의의를 밝혔다. ○ 그림설명 <그림1> 슈퍼클로멜레온(SuperClomeleon)이 주입된 생쥐 신경세포에서 각각 다른 양의 염소이온 양이 측정되는 것을 시각적으로 보여준다. 염소 농도가 진해질수록 청색이 더 진해지는 것을 볼 수 있다. <그림2> 화학적 시냅스의 작동원리. 전시냅스 세포 (presyanptic neuron)의 말단에서 분비된 신경전달물질 (neurotransmitter)는 후시냅스 세포 (postsynaptic neruon)의 수용체 (neurotransmitter receptor)에 결합하여 수용체를 활성화 시킨다. 활성화 된 수용체에서는 이온 통로가 개방되고, 이를 통해 이온에 이동하여 후시냅스 세포의 활성을 조절한다. 억제성 시냅스의 경우, GABA라는 신경전달물질이 분비되며, GABA 수용체가 활성화되면 염소 이온이 개방된 염소 이온 통로를 통해 신경 세포 내부로 이동하여 후시냅스 세포의 활성을 억제한다. <그림3> 클로멜레온의 작동원리. 클로멜레온은 염소 이온에 결합하지 않는 공여자 형광단백질인 CFP와 결합할 수 있는 수용자 형광단백질 YPF로 구성되어 있고 이 두 형광단백질 간에는 FRET 현상이 일어날 수 있다. 염소 이온이 결합하지 않은 경우 클로멜레온은 YFP 파장의 빛이 주로 발산되고, 염소 이온이 결합한 경우에는 CFP 파장의 빛이 주로 발산된다. 두 가지 파장의 빛의 강도를 현미경을 통해 측정할 수 있고, 그 비율을 계산함으로써 신경 세포 내의 염소 이온의 농도를 알 수 있다. <그림4> 슈퍼클로멜레온 자동화 장치 모습