형광 센서는 전극이 없어도 뉴런의 전기적 통신을 영상으로 표현할 수 있습니다.
앤 트래프턴 | MIT 뉴스 오피스
출판일:
2018년 2월 26일
표제:MIT 연구진은 신경 세포막에 삽입되어 특정 세포에 얼마나 많은 전압이 가해지고 있는지를 나타내는 형광 신호를 방출하는 광감응 단백질을 개발했습니다. 이를 통해 과학자들은 뇌가 특정 기능을 수행할 때 신경 세포가 밀리초 단위로 어떻게 행동하는지 연구할 수 있게 될 것입니다.
크레딧:연구자들의 호의로
뇌의 뉴런은 빠른 전기 자극을 통해 소통하며, 이를 통해 뇌는 행동, 감각, 사고, 감정을 조율할 수 있습니다. 이러한 전기 활동을 연구하려는 과학자들은 일반적으로 뇌에 전극을 삽입하여 신호를 측정하는데, 이는 매우 어렵고 시간이 많이 걸리는 작업으로 악명 높습니다.
MIT 연구진은 뇌의 전기 활동을 측정하는 완전히 다른 접근법을 개발했으며, 이 접근법이 훨씬 더 쉽고 유익한 결과를 가져올 것으로 기대하고 있습니다. 연구진은 신경 세포막에 삽입될 수 있는 빛에 민감한 단백질을 개발했는데, 이 단백질은 특정 세포가 얼마나 많은 전압을 받고 있는지를 나타내는 형광 신호를 방출합니다. 이를 통해 과학자들은 뇌가 특정 기능을 수행할 때 뉴런이 밀리초 단위로 어떻게 행동하는지 연구할 수 있게 될 것입니다.
MIT의 생물공학 및 뇌·인지과학 부교수인 에드워드 보이든은 “뇌에 전극을 삽입하는 것은 마치 한 사람의 말만 듣고 전화 통화를 이해하려는 것과 같습니다.”라고 말합니다. “이제 우리는 신경 회로 내 여러 세포의 신경 활동을 기록하고 서로 대화하는 소리를 들을 수 있습니다.”
MIT 미디어랩, 맥거번 뇌연구소, 코흐 통합암연구소의 연구원이자 HHMI-시몬스 교수 연구원이기도 한 보이든은 2월 26일자 Nature Chemical Biology 에 게재된 이 연구의 선임 저자입니다 . 이 논문의 주저자는 MIT 박사후연구원 키릴 피아트케비치와 에리카 정입니다.
이미징 전압
지난 20년 동안 과학자들은 전극을 이용한 기록 대신 영상을 통해 뇌의 전기 활동을 모니터링하는 방법을 모색해 왔습니다. 이러한 영상에 사용할 수 있는 형광 분자를 찾는 것은 쉽지 않았습니다. 단백질은 전압 변화에 매우 민감해야 할 뿐만 아니라, 빠르게 반응하고 광표백(빛에 노출되어 발생할 수 있는 퇴색)에도 강해야 하기 때문입니다.
보이든과 그의 동료들은 이러한 소원 목록에 있는 모든 것을 충족하는 분자를 찾기 위해 새로운 전략을 생각해냈습니다. 그들은 지시된 단백질 진화라는 과정을 통해 생성된 수백만 개의 단백질을 원하는 특성에 맞게 스크리닝할 수 있는 로봇을 만들었습니다.
“유전자 하나를 골라 수백만 개의 돌연변이 유전자를 만든 후, 가장 효과적인 유전자를 골라냅니다.”라고 보이든은 말합니다. “자연에서 진화가 일어나는 방식이 바로 이렇습니다. 하지만 이제 우리는 로봇을 이용하여 실험실에서 원하는 특성을 가진 유전자를 골라냅니다.”
연구진은 하버드 대학교 아담 코헨 연구실에서 이전에 개발했던 QuasAr2라는 광감응 단백질의 돌연변이 버전을 150만 개 만들었습니다. (이 연구는 보이든 연구실에서 2010년에 보고한 분자 Arch를 기반으로 했습니다 .) 연구진은 각 유전자를 포유류 세포(세포당 돌연변이체 하나)에 주입한 다음, 실험실 배양 접시에서 세포를 배양하고 자동 현미경을 사용하여 세포 사진을 촬영했습니다. 이 로봇은 연구진이 찾고 있던 기준, 특히 세포 내 단백질의 위치와 밝기를 충족하는 단백질을 가진 세포를 식별할 수 있었습니다.
연구팀은 가장 우수한 후보 5개를 선정하고 다시 돌연변이를 일으켜 800만 개의 새로운 후보를 생성했습니다. 로봇은 이 중 가장 우수한 후보 7개를 선정했고, 연구진은 이 중 가장 우수한 후보 하나를 골라 Archon1이라고 명명했습니다.
뇌 매핑
Archon1의 주요 특징은 유전자가 세포 내로 전달되면 Archon1 단백질이 세포막에 박힌다는 것입니다. 세포막은 세포 전압을 정확하게 측정할 수 있는 최적의 장소입니다.
이 단백질을 이용하여 연구진은 생쥐 뇌 조직뿐만 아니라 제브라피쉬 유충과 예쁜꼬마선충 (Caenorhabditis elegans) 의 뇌 세포에서도 전기적 활동을 측정할 수 있었습니다 . 이 두 생물은 투명하기 때문에 빛에 노출시켜 형광을 이미지화하기 쉽습니다. 세포가 특정 파장의 붉은빛을 띠는 주황색 빛에 노출되면 단백질 센서는 더 긴 파장의 붉은빛을 방출하며, 빛의 밝기는 특정 시점에서 해당 세포의 전압에 해당합니다.
연구진은 또한 Archon1이 뉴런 활동을 억제하거나 자극하는 데 일반적으로 사용되는 광감응성 단백질(광 유전학 단백질) 과 함께 사용될 수 있음을 보여주었습니다 . 단, 이 단백질이 빨간색 이외의 다른 색에 반응해야 합니다. 예쁜 꼬마 선충(C. elegans)을 이용한 실험에서 연구진은 청색광을 사용하여 뉴런 하나를 자극한 후, Archon1을 사용하여 해당 뉴런으로부터 자극을 받은 뉴런에서 나타나는 효과를 측정할 수 있음을 보였습니다.
Archon1의 전신을 개발한 하버드대 교수인 코헨은 새로운 MIT 단백질이 과학자들이 살아있는 뇌에서 밀리초 단위의 전기 활동을 영상화하는 목표에 한 걸음 더 다가가게 해준다고 말했습니다.
“전통적으로 형광 전압 표시기를 개발하는 것은 극도로 노동 집약적이었습니다. 각 돌연변이체를 개별적으로 복제한 후 느리고 수동적인 패치 클램프 전기생리학 측정을 통해 검사해야 했기 때문입니다. Boyden 연구실은 이 문제에 대한 매우 기발한 고처리량 스크리닝 접근법을 개발했습니다.”라고 이번 연구에 참여하지 않은 Cohen은 말합니다. “새로운 리포터는 물고기와 벌레, 그리고 뇌 절편에서 정말 훌륭해 보입니다. 제 연구실에서도 꼭 시험해 보고 싶습니다.”
연구진은 현재 이 기술을 사용하여 쥐가 다양한 작업을 수행할 때 뇌 활동을 측정하는 연구를 진행하고 있으며, 보이든은 이를 통해 신경 회로를 매핑하고 특정 행동을 생성하는 방식을 발견할 수 있을 것으로 믿고 있습니다.
“신경 연산이 일어나는 모습을 볼 수 있을 겁니다.”라고 그는 말합니다. “향후 5년 정도 동안 우리는 몇몇 작은 뇌 회로를 완전히 밝혀내려고 노력할 것입니다. 이러한 결과는 생각이나 감정이 실제로 무엇인지 이해하는 데 한 걸음 더 다가갈 수 있을 것입니다.”
이 연구는 HHMI-Simons 교수 연구 프로그램, IET Harvey Prize, MIT 미디어 랩, New York Stem Cell Foundation Robertson Award, Open Philanthropy Project, John Doerr, Human Frontier Science Program, 국방부, National Science Foundation, National Institutes of Health의 지원으로 진행되었으며, NIH Director’s Pioneer Award도 수상했습니다.
