한국의 빙하 미생물에서 발견된 푸른 크리오로돕신, 뇌세포 제어 원천기술로 주목

그린란드의 장엄한 빙하, 티베트 고산지대의 영원한 눈, 그리고 핀란드의 영구적으로 차가운 지하수를 상상해보세요. 이들 환경은 단순히 아름답고 추운 곳이 아니라, 분자생물학자 키릴 코발레프(Kirill Kovalev)에게는 뇌세포 활동을 제어할 수 있는 특이한 분자의 집합소였습니다. 코발레프는 EMBL 함부르크의 슈나이더 그룹과 EMBL-EBI의 배트맨 그룹에서 근무하는 EIPOD 박사후 연구원입니다. 물리학자인 그는 생물학적 문제 해결에 열정적이며, 특히 수중 미생물이 태양광을 에너지로 활용할 수 있게 해주는 로돕신(rhodopsin) 그룹에 큰 관심을 보이고 있습니다. "저의 연구에서, 저는 특이한 로도핀을 찾고 그들이 무엇을 하는지를 이해하려고 노력합니다. 이러한 분자는 우리가 아직 발견하지 못한 기능을 가지고 있을 수 있으며, 이를 활용할 수 있을 것입니다,"라고 코발레프는 말했습니다. 몇 년 동안 로도핀을 연구해온 코발레프는 자신이 이미 로도핀을 완전히 이해하고 있다고 생각했었습니다. 하지만 어떤 새로운 미지의 로도핀 그룹을 발견하면서 그 생각이 바뀌었습니다. 이 로도핀들은 빙하와 고산지대와 같은 매우 추운 환경에서만 발견되는 특성을 가졌습니다. "이건 이상하네,"라고 그는 생각했습니다. 평소에 로도핀은 주로 바다와 호수에서 발견되기 때문입니다. 이 추운 지역에서 발견된 로도핀들은 수천 킬로미터 떨어진 곳에서도 거의 동일한 구조를 가지고 있었습니다. 이는 우연이 아닌, 추운 환경에서 생존하기 위한 필수적인 요소임을 의미합니다. 코발레프는 이들을 "크리오로도핀(cryorhodopsins)"이라고 명명했습니다. 파란색 크리오로도핀 코발레프는 크리오로도핀의 구조와 작동 방식, 특히 어떤 색을 띠는지를 더 알고 싶었습니다. 로도핀의 색은 각 분자가 흡수하거나 반사하는 빛의 파장에 따라 결정되며, 구조의 작은 변화도 색을 바꿀 수 있습니다. 과학자들은 다양한 색의 로도핀을 개발하여 신경세포 활동을 더욱 정확하게 제어하려고 합니다. 특히 파란색 로도핀은 적색 빛에 의해 활성화되므로, 조직 내로 깊게 스며들고 비침습적으로 작용할 수 있어 연구, 바이오테크놀로지, 의학에서 매우 유용할 것으로 기대됩니다. 코발레프가 실험실에서 조사한 크리오로도핀은 예상치 못한 다양한 색상을 보였으며, 특히 일부는 파란색이었습니다. 그의 연구 결과는 Science Advances 저널에 게재되었습니다. "우리는 아직 크리오로도핀을 도구로 사용할 준비가 되어 있지 않지만, 이들은 훌륭한 프로토타입입니다. 우리의 연구 결과를 기반으로, 크리오로도핀의 핵심 특성을 엔지니어링하여 optogenetics에 더욱 효과적으로 활용할 수 있을 것입니다,"라고 코발레프는 말했습니다. UV 빛을 감지하는 진화 함부르크의 비오는 겨울날에도 태양빛에 노출되었을 때 크리오로도핀은 UV 빛을 감지할 수 있다는 사실이 파라마운트 대학교 프랑크푸르트의 요제프 왁트벨틀(Josef Wachtveitl) 팀의 고급 분광학을 통해 확인되었습니다. 왁트벨틀의 팀은 크리오로도핀이 모든 로도핀 중에서도 가장 느린 빛 반응 속도를 가지고 있음을 발견했습니다. 이는 크리오로도핀이 UV 빛을 감지하는 광센서 역할을 할 가능성이 있다는 것을 시사하였습니다. "정말 그럴까?"라고 코발레프는 자문했습니다. 일반적인 센서 단백질은 세포막에서 세포 내부로 정보를 전달하는 메신저 분자와 함께 작용합니다. 코발레프와 스페인 알리칸테의 공동 연구자들, 그리고 EMBL-EBI의 공동 지도교수 알렉스 배트먼(Alex Bateman)은 크리오로도핀 유전자가 항상 기능이 알려지지 않은 작은 단백질을 인코딩하는 유전자와 함께 존재함을 발견했습니다. 이들은 아마도 함께 유전되었으며, 기능적으로 연관되어 있을 가능성이 큽니다. 코발레프는 이 작은 단백질이 메신저 역할을 할 수 있을지 궁금해했습니다. AI 도구인 AlphaFold를 사용하여 그 팀은 작은 단백질이 5개 복사본으로 링 형태를 형성하고 크리오로도핀과 상호작용한다는 사실을 증명할 수 있었습니다. 그들의 예측에 따르면, 작은 단백질은 세포 내부에서 크리오로도핀과 맞닿아 있으며, 크리오로도핀이 UV 빛을 감지하면 이 작은 단백질이 정보를 세포 내부로 전달할 수 있을 것으로 믿어졌습니다. "크리오로도핀을 통해 빛에 민감한 신호가 세포의 다른 부분으로 전달되는 새로운 메커니즘을 발견하는 것은 정말 흥미로웠습니다. 알려지지 않은 단백질의 기능을 알아내는 것은 언제나令人兴奋的. 实际上，我们在不含克里奥罗돕辛的生物体中也发现了这些蛋白质，这可能暗示着这些蛋白质具有更广泛的功能范围." 克里奥罗도辛的独特功能 为什么克里奥罗도辛只在寒冷环境中进化出这种惊人的双重功能仍然是一个谜。不过，研究团队怀疑克里奥罗多辛并不是因为寒冷而进化出这些独特特征，而是为了帮助微生物感测有害的紫外线。 "在高山上等寒冷环境中，细菌面临强烈的紫外线辐射。克里奥罗多辛可能帮助它们感测这种辐射，以便自我保护。这一假设与我们的发现非常吻合," 코발레프는 덧붙였습니다. "像这样的非凡分子的发现离不开对偏远地区的科学考察，以研究生活在那里的生物体的适应性," 코발레프 또한 강조했습니다. "我们可以从中学到很多！" 独特的方法研究独特分子 为了揭示克里奥罗多辛的奇妙生物学特性，코발레프和他的同事们必须克服多个技术挑战。其中之一是克里奥罗多辛在结构上几乎完全相同，即使是一个原子位置的微小变化也会导致不同的特性。研究这种水平的细节需要超越标准实验方法。 코발레프采用了4D结构生物学方法，结合了EMBL 함부르크P14光束线的X射线晶体学和荷兰格罗宁根阿尔伯特·古斯科夫(Albert Guskov)团队的低温电子显微镜(cryo-EM)，以及通过光激活蛋白质。 "实际上，我选择在EMBL 함부르크进行博士后研究正是因为这里独特的光束线设置使我的项目成为可能," 코발레프는 말했습니다. "整个P14光束线团队共同努力，为我的实验量身定制了设备——我对此非常感激。" 另一个挑战是克里奥罗多辛对光极其敏感。因此，코발레프的同事们不得不学会在几乎完全黑暗的条件下处理样本。 行业内部人士的评价 神经科学家和医学研究人员对这一发现表示高度赞赏。克里奥罗多辛的独特特性使其成为开发新型optogenetics工具的理想原型。例如，哥廷根大学医学中心的研究小组负责人托比亚斯·莫泽(Tobias Moser)指出，他的团队正在开发可以利用optogenetics恢复患者听力的新光学耳蜗植入物。 "发现能够高效地开关细胞电活动的新optogenetics工具将在研究、生物技术和医学领域产生巨大影响,"莫泽说道。"克里奥罗多辛的多功能性为未来的应用提供了重要基础。" EMBL-EPIOD 프로그램과 EMBL-EBI의 지원이 없이는 이러한研究成果无法实现。这个项目展示了跨学科合作和先进技术支持在探索自然界未解之谜方面的重要性。