요약
2026년 노벨 생리의학상은 빛으로 신경세포를 조절하는 광유전학을 연 다이서로스, 헤게만, 나겔에게 돌아갔습니다.
카롤린스카 연구소의 노벨 총회가 칼 다이서로스, 페터 헤게만, 게오르크 나겔을 올해 생리의학상 공동 수상자로 발표했습니다. 빛에 반응하는 조류 단백질을 찾아내고, 이를 이용해 신경세포를 빛으로 켜는 광유전학을 만든 공로입니다.
왜 중요한가
- 뇌의 어느 부위가 어떤 기능을 맡는지 추정만 하던 연구가 인과관계를 직접 확인하는 단계로 넘어갔습니다.
- 기억, 감정, 행동을 만드는 신경 회로가 드러나면서 신경·정신 질환 연구의 토대가 마련됐습니다.
- 임상에서는 시각장애가 있는 사람의 시력을 되찾아 주려는 시도에 이 방법이 쓰이고 있습니다.
핵심 내용
- 헤게만과 나겔은 2000년대 초 단세포 조류 클라미도모나스에서 채널로돕신이라는 단백질을 찾아냈습니다.
- 채널로돕신은 파란빛을 받으면 이온 통로가 열리고, 이온이 세포 안으로 흘러들어 전기 신호를 만듭니다.
- 두 사람은 이 단백질을 어떤 세포에 넣어도 그 세포가 빛에 반응한다는 사실도 확인했습니다.
- 다이서로스는 2005년 이 유전자를 쥐 신경세포에 넣고 파란빛으로 신경 신호를 일으켰습니다.
- 2년 뒤에는 살아 있는 생쥐의 뇌에서도 이 빛 스위치를 작동시키는 데 성공했습니다.
HN 반응
- 노벨상은 세 명까지만 받을 수 있어 2005년 논문의 제1저자 에드 보이든 등 핵심 기여자가 빠졌다는 아쉬움이 여러 번 나왔습니다.
- 전기 자극과 무엇이 다르냐는 물음에는, 유전자를 넣은 세포 종류만 골라 켜고 끌 수 있어 신경 회로 연구가 열렸다는 답이 이어졌습니다.
최초의 발견 이후에도 칼(Karl)과 그의 연구실은 이 기술을 전 세계 신경과학자들이 쉽게 가져다 쓸 수 있게 만드는 데 엄청난 노력을 쏟았습니다. 이 분야에 미친 영향은 기술을 정제해서, 수많은 질문과 질병 모델에 적용할 수 있게 만든 데 있습니다. 받을 만한 사람이 받았습니다.
저는 더 큰 뇌에서 이루어진 초기 광유전학 연구에 참여했고, 칼은 저의 박사후 과정 지도교수였습니다. 깊이 사려 깊고 너그러운 과학자입니다. 그의 책 《Projections》에는 이 도구들로 여러 정신질환을 어떻게 규명하고 치료할 수 있을지에 대한 그의 생각이 풀어져 있습니다. 그가 세운 회사 맵라이트는 진행 중인 임상시험을 통해 이런 치료법을 현실로 만들려 하고 있습니다. https://maplightrx.com/pipeline/
이 기술을 광학 인공와우에 쓸 수 있는지 다룬 연구가 있는 걸로 알고 있습니다. 지금은 어떻게 되어 가고 있습니까? 얼마 전 대형 인공와우 업체 한 곳과 이야기했을 때는 꽤 회의적이었습니다.
저도 잘 모르겠지만, 활발한 분야인 것 같습니다.
https://www.centerwatch.com/clinical-trials/listings/NCT05110183/opto-electrical-cochlear-implants
https://www.entandaudiologynews.com/features/ent-features/post/optical-cochlear-implants-recent-progress-toward-light-based-hearing-restoration
저는 늘 데이서로스(Deisseroth)에게 감탄했습니다. 광유전학 초창기부터 재료를 기꺼이 나눠 주던 사람이었습니다. (스탠퍼드를 방문하고 돌아오던 길에 그쪽 냉동고에서 꺼낸 벡터를 차에 싣고 왔던 기억이 아련합니다. MTA(물질이전계약)가 대체 뭐였을까요?!) 그리고 자기 연구실 사람뿐 아니라, 저처럼 이 분야에서 새로운 시도를 하던 다른 연구실의 젊은 과학자들도 열심히 밀어줬습니다. 제가 들은 강연마다 그는 공을 아주 솔직하게 나눴습니다.
아이디어를 쌓아 두고, 협업에는 몸을 사리고, 공로를 내놓으라고 요구하는 일부 과학자들과는 큰 대조를 이룹니다. 그가 상을 받아 정말 기쁩니다!
게오르크 나겔(Georg Nagel)은 제가 대학에서 처음 들은 생물학 강의 몇 개를 맡았던 분입니다. 그때도 다들 이분이 노벨상을 받을 때가 됐다고 말했는데, 위원회가 이제야 같은 결론에 이르러서 기쁩니다!
강의 자체는 솔직히 꽤 지루했습니다. 신입생용 입문 과목이라 학생들이 학교에서 이미 배웠어야 할 내용이 많았거든요. 교수님도 학생들 상당수만큼이나 지루해하는 것처럼 보일 때가 많았지만, 누군가는 해야 하는 일이었겠죠.
며칠 전에 뷔르츠부르크 대학이 독일 "엑셀런스 대학" 선정에서 빠졌는데, 오늘 노벨상 수상자가 한 명 더 나왔다니 재미있네요. (이제 총 15명이고, 그중에는 X선을 발견한 뢴트겐도 있습니다.)
그래도 나겔이 이 발견을 한 건 뷔르츠부르크로 옮기기 전, 막스 플랑크 생물물리학 연구소에 있을 때입니다.
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/12089443/
광유전학 얘기를 처음 들었을 때는 발상이 완전히 거꾸로라고 생각했어요. 광유전학은 생물체 바깥에서 빛을 쏘아 체내 세포의 동작을 일으키잖아요. 저는 오히려 생물체 안에 빛을 내는 유전자를 넣고, 그 빛으로 생물학적 활동을 "읽어 내는" 쪽이라고 생각했거든요. 얼마 전에야 누군가 오징어류인 갑오징어에 형광을 넣어서, 다른 것들과 함께 "뉴런이 언제 발화하는지"를 (공간 정보까지) 보려고 연구 중이라는 걸 알았네요. https://www.science.org/content/article/scientists-engineered-glowing-cuttlefish-why-was-it-so-hard
물론 제 장기 목표는 갑오징어처럼 "맥동하며 빛나는" 문신을 사람에게 넣는 거예요.
"빛으로 생물체에서 정보를 읽어 낸다"는 건 사실상 GFP 때부터 있었던 얘기예요. 동적인 변화를 보고 싶다면 앨리스 팅(Alice Ting) 같은 사람들이 초기에 한 연구가 있고요.
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.211564598 (2001)
신경 활동의 칼슘 이미징(예: https://alleninstitute.org/education-resources/how-scientists-see-neurons-fire-with-2-photon-calcium-imaging )이 있고, 꽤 오래전부터 쓰이고 있어요. 말씀하신 것과 비슷한 일을 합니다. 유전적으로 변형한 뉴런이 잠깐 빛을 내면 현미경으로 포착하는 거죠. 전통적인 전기 기록 기법과 비교하면 장점이 많고 (단점도 몇 가지 있고요).
원하는 생물체 안에 형광(과 발광)을 넣는 건 별로 어렵지 않아요! GFP 유전자만 넣으면 끝이에요. 유전학을 조금이라도 다룰 줄 안다면 제일 먼저 해 보는 일 중 하나죠.
1968년에 노벨 재단 규정에 한 상을 세 명까지만 공동 수상할 수 있다는 조항이 추가됐습니다. 실제로는 그 전에도 세 명을 넘긴 과학 분야 수상은 없었고요. 의학 분야에서는 보통 핵심 기여자 한두 명이 빠지게 되는데, 올해의 보이든(Boyden)과 밤베르크(Bamberg)가 그런 경우입니다.
보이든 교수님이 너무 안타깝습니다.
엡스타인 사건 이후로는 어째 자취를 감춘 것 같던데요?
살아 있는 뇌에서는 이걸 어떻게 하는 겁니까? 뉴런에 빛을 쏘려면 아마 충분히 생체를 절개해야 할 테고, 아니면 그 일을 해 주는 일종의 프로브가 있어야 할 텐데요. 그렇다면 신경에 전기 자극을 줘서 활동전위를 만드는 것보다 어떤 점에서 더 쉽습니까?
(아마 필요할 것 같아서 덧붙이면, 이건 작동 원리가 궁금해서 하는 질문이지 연구를 깎아내리려는 게 아닙니다. 연구자들이 노벨상을 받았으니 대단히 중요한 일이라는 건 분명하니까요.)
네, 전극으로 자극할 때와 똑같이 "프로브"(광섬유)를 넣습니다. 차이는 전기는 모든 것을 자극하지만, 빛은 표적을 정할 수 있다는 겁니다. 빛이 비추는 대상이 아니라 반응하는 대상으로 정하는 거죠. 왜냐면...
미리 바이러스 도구나 다른 유전자 변형으로 특정 세포 유형이 광수용체를 발현하게 만들어 두거든요.
*빛과 열의 영향은 모든 세포가 받기 때문에, 좋은 실험이라면 이 부분을 최대한 통제하려고 합니다.
아, 정말 강력한 기술이네요. 감사합니다!
먼저 생물체를 유전적으로 변형해야 하기도 하고요. 그래서 일종의 바이러스 전달 방식으로 뇌의 절반을 날려 버릴 각오가 아니라면, 자기 자신에게 해 보는 건 어려울 거예요.
광유전학은 제가 다뤄 본 기술 중 가장 SF 같은 기술입니다.
빛 가이드를 이식하고, 투명한 포트를 달아서 병원체가 뇌 깊숙한 신경에 안전하게 결합할 길을 만든다고 상상해 보세요. 채널로돕신을 도입하는 일시적 유전자 치료, 부피 전체에 흥분 패턴을 만들어 내는 홀로그램 투사도 상상해 보세요.
생각하는 기계도 정말 인상적이지만, 이쪽은 응용 가능성이 진짜 외계 기술 같습니다.
제 예측으로는 진정한 신경 인터페이스는 전선이 아니라 빛을 기반으로 할 겁니다.
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/16116447/ 에드 보이든(Ed Boyden)과 펑 장(Feng Zhang)이 각각 제1저자, 제2저자였습니다. 그야말로 올스타 팀이었죠. 연구책임자만 상을 받는 건 아쉽네요. (데이서로스가 받을 자격이 없다는 뜻은 아니고, 당연히 받을 만합니다.)
그리고 CRISPR 때와 마찬가지로, 같은 시기에 같은 방향으로 생각한 사람들이 따로 있었지만 주목받는 논문을 내지 못했습니다. https://www.scientificamerican.com/article/he-may-have-invented-one-of-neuroscience-s-biggest-advances-but-you-ve-never-heard-of-him/
프랜시스 크릭(Francis Crick)이 이론적 아이디어로 내놓은 것이 현실이 됐다는 점에서, 광유전학은 분명 이 분야의 거대한 혁명입니다. 아직 그 잠재력이 다 발휘된 건 아니고요. 받을 만한 노벨상입니다.
크릭이 처음 던진 과제: https://www.scientificamerican.com/article/controlling-the-brain-with-light/
그가 나중에 한 말:
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC1692710/
적어도 가끔은 이렇게 바람에서 메커니즘까지 갈 수 있다니 꽤 멋진 일입니다. 그 사이에는 수많은 노력과 기발한 아이디어가 있었고, 기릴 만한 일입니다.
늘 그랬듯이, 이런 발표가 나오면 옆 메뉴의 "Popular information" 링크를 눌러 보시길 권합니다. 수상 대상 과학을 잘 쓴 글로 흥미롭게 설명해 줍니다.
광유전학 얘기는 한동안 못 들었네요. 기초과학이나 의학에서 정말 쓸모가 있는 건지, 아니면 장난감인지 저는 끝내 판단이 안 섰습니다.
기초과학 결과를 봐도, 정말 새로운 이해를 가져오는 건지 아니면 예전 전기 자극 결과를 상당 부분 되풀이하는 건지 구분이 안 됐고요.
기억나는 건 엄청난 돈이 이 분야에 쏟아졌고 2010년대에 아주 유행이었다는 것 정도입니다.
이렇게 말해 보죠. 광유전학 이전에는 "이 행동을 하는 동안, 도파민이 중요하다고 생각되는 바로 그 순간에 도파민을 차단하면 어떻게 될까?" 같은 질문에 답할 방법이 전혀 없었습니다. 뇌에서 도파민 뉴런이 있다고 생각되는 정확한 지점(마이크로미터 단위)에 최선을 다해 작은 전극을 꽂고, 자극이 그 부근의 도파민 뉴런에만 정확히 닿고 다른 곳에는 닿지 않기를 기도하는 수밖에 없었죠(기술적으로 불가능한 일입니다).
이제 도파민을 뇌에 있는 어떤 세포 유형으로든 바꿔 보세요. 더 영리하게 유전학적 기법을 써서 "뇌의 이 부분에 있는 이 유형의 세포 중에서, 저 다른 부분에서만 입력을 받고 다른 곳에서는 받지 않는 것만" 같은 식으로도 할 수 있습니다.
회로를 중심에 둔 지금의 신경과학 시대를 진짜로 열어 준 것이 광유전학입니다.
저는 회로 다음 시대가 네트워크일 거라고 예측합니다. 광유전학이 멋진 점은 확장성, 그리고 빛을 정밀하게 제어하고 빚어서 궁극적으로 네트워크를 제어할 수 있다는 점입니다.
광유전학은 신경 회로 안에서 뉴런의 활동을 탐색하고 분석하는 데 놀라운 도구입니다. 관찰만 하거나 유전자 조작만 하는 것보다 인과적인 조작을 하고 가설을 훨씬 구체적으로 검증할 수 있는 큰 힘을 과학자들에게 줍니다. 왜 장난감으로 여겨지는지 모르겠습니다. 물론 쓸모는 무엇을 하느냐에 달려 있지만요. 지금까지는 주로 뇌를 이해하는 데 쓰였고, 광유전학으로 임상 치료법을 개발하는 연구도 진행되고 있습니다. 저는 박사 과정 때 칼과 폭넓게 협업했는데, 여기 댓글을 단 다른 분들 중에도 그런 분들이 있습니다. 그의 연구가 이렇게 인정받는 걸 보니 설렙니다.
분자 수준의 규명에는 아주 훌륭한 도구입니다. "기억"이나 여러 감정 같은 용어와 관련해 일부 결과를 어떻게 해석하느냐에는 여전히 큰 회색 지대가 있지만, 광유전학 프레임워크가 지금까지 만들어진 뇌 인터페이스 중 가장 인상적이라는 건 의심의 여지가 없습니다.
망막의 광수용체를 잃은 경우를 치료하는 새로운 전략이 있습니다. 광유전학으로 섬유아세포를 재프로그래밍해서 새로운 광수용체로 바꾸는 거예요. NEJM에 마침 이 논문이 실렸습니다.
오늘 알게 된 건데, 노벨의 원래 유언장에는 직전 한 해 동안 이룬 발견에 대해 상을 줘야 한다고 적혀 있었다고 합니다. 하지만 이 규정은 꽤 자주 지켜지지 않는데, 노벨상 후보에 오르는 현대의 발견에는 막대한 양의 작업이 들어가니 이해가 가는 일이죠.
축하드립니다, 정말 대단한 성취네요!
광유전학에 관여한 사람이 많아서 세 명을 고르기가 힘들었을 것 같아요.
수상자들을 축하합니다!
제가 이해하기로 이 발견은 전자공학에서 트랜지스터가 했던 것과 같은 수준입니다. 전자 회로를 이해하고 설계하는 완전히 새로운 방식을 열었고, 그게 나중에 컴퓨팅의 부상을 가능하게 했으니까요.
생물학에 비하면 우리의 컴퓨팅은 아직 매우 원시적이니, 컴퓨팅 성능의 다음 단계는 생물학적 컴퓨팅과 양자 컴퓨팅이 될 것 같습니다.