자기장을 이용해 뇌세포를 활성화하고 뇌 신경을 제어하는 나노 자기 유전학 기술이 개발됐다.
기초과학연구원(IBS) 나노의학연구단은 29일 천진우 단장(연세대 교수)과 이재현 연구위원(연세대 고등과학원 교수) 팀이 자기장에 반응하는 ‘나노 나침반’을 개발했다고 밝혔다.
500나노미터(nm) 크기의 나침반에 자기장을 쏘이면 나침반은 빙글빙글 돌면서 5 피코 뉴턴(pN, 1조분의 1뉴턴) 수준의 ‘토크’ 힘을 만든다. 토크는 회전축을 중심으로 물체를 회전시키는 힘의 양을 말한다.
연구진은 살아있는 쥐의 뇌에 나노 나침반과 세포 내부 이온 농도를 조절하는 막 단백질인 피에조-1(Piezo-1) 이온 채널을 삽입했다.
이후 나노 나침반에 자기장을 쏘이자 토크 힘이 발생했고, 이 힘은 피에조-1 이온 채널을 개방했다. 이때 뇌세포를 활성화하는 칼슘 이온이 뇌세포 안으로 들어가면서 특정 전기 신호를 생성했다.
전기 신호는 중추 신경계를 자극하고, 뇌세포의 종류에 따라 뇌의 활동을 촉진했다.
연구진은 쥐 모델 우뇌 운동 신경에 나노 나침반을 주입한 뒤 자기장을 가한 결과 왼발 운동신경이 활발해지는 결과를 얻었다. 이 쥐 모델은 나노 나침반을 주입하지 않은 일반 쥐보다 운동 능력이 약 5배 향상했다.
천 단장은 “나침반이 뇌세포를 활성화하기 위해 문을 여는 일종의 ‘손잡이’ 역할을 한다”며 “자기 유전학 장치에 있는 자석으로 나침반을 움직이고, 나침반에서 나오는 힘으로 이온의 채널을 여는 것”이라고 설명했다.
나노 나침반에 자기장을 쏘이는 자기유전학 장치는 MRI(자기공명영상장치) 장비와 같은 크기에서도 구동할 수 있다. 연구진은 이 나노 자기 유전학 장치가 쥐 등 동물뿐만이 아니라 향후 영장류나 사람의 뇌에도 적용할 수 있을 것으로 예측했다.
특히 이 장비로 뇌 발달 과정을 연구하거나 파킨슨병, 암 등 난치병 치료제를 개발할 수 있을 것으로 기대했다.
천 단장은 “나노 자기 유전학이 뇌 작동 원리 규명과 질환 치료 등 뇌과학의 새로운 지평을 열 것으로 기대한다”고 말했다.
이 연구 결과는 이날 국제학술지 ‘네이처 머터리얼스'(Nature Materials)에 게재됐다.