【브레이크뉴스 대구】이성현 기자=DGIST 연구진이 빛을 이용해 신경세포 간 신호 전달을 선택적으로 차단하고 다시 회복시키는 새로운 생체 제어 기술을 개발했다. 뇌 신경회로 분석은 물론 대사·면역질환 등 다양한 생명과학 분야 연구에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

▲ DGIST 뇌과학과 엄지원 교수 연구팀. (앞줄 왼쪽부터) 엄지원 교수, 김동욱 박사, (뒷줄 왼쪽부터) 전영현 연구원, 김병찬 박사과정생, 김현호 박사  © DGIST

대구경북과학기술원(DGIST)은 뇌과학과 시냅스 다양성 및 특이성 조절 연구단 엄지원 교수 연구팀이 미국 스탠퍼드대학교 Alice Ting 교수 연구팀과 공동으로 빛 기반 광제어 플랫폼 ‘LATeNT’를 개발했다고 밝혔다.

이번 연구 성과는 신경세포 사이의 연결 부위인 시냅스 기능을 정밀하게 조절할 수 있는 새로운 기술로, 국제 학술지 Nature Methods에 지난 7월 31일 온라인 게재됐다.

시냅스는 신경세포 간 정보를 전달하는 핵심 구조로, 기능 이상이 발생하면 불안장애와 우울증, 자폐스펙트럼장애 등 다양한 신경정신질환과 연관될 수 있다.

기존 광유전학 기술은 빛으로 신경세포의 전기적 활동을 조절하는 데 주로 활용돼 왔지만, 특정 시냅스의 신호 전달을 장기간 억제한 뒤 원래 상태로 되돌리는 데에는 한계가 있었다.

▲ LATeNT 빛으로 시냅스 전달을 선택적으로 제어하는 차세대 광제어 플랫폼  © DGIST

연구팀은 이를 해결하기 위해 신경전달물질 방출에 관여하는 단백질을 절단하는 파상풍 신경독소와 빛 감지 단백질인 ‘LOV(light-oxygen-voltage)’ 단백질을 결합해 새로운 광제어 기술인 LATeNT를 설계했다.

LATeNT는 특정 파장의 청색광이 조사될 때만 작동해 신경전달 과정에 필수적인 ‘VAMP2 단백질’을 선택적으로 절단하고, 이를 통해 시냅스 신호 전달을 억제한다. 이후 빛 자극을 중단하면 약 24시간 이내에 신경전달 기능이 다시 회복되는 가역적 특성을 갖는다.

연구팀은 쥐 모델 실험을 통해 LATeNT의 성능도 확인했다. 기억과 감정 조절에 관여하는 해마 내 특정 억제성 신경세포의 신호를 일시적으로 차단해 해당 세포가 불안 행동 조절 회로에서 중요한 역할을 한다는 점을 밝혀냈다. 또한 기존 광유전학 도구보다 강력하고 지속적인 신경 억제 효과를 확인했다.

이 기술은 뇌 연구뿐 아니라 다른 생명과학 분야에도 적용 가능성을 보였다. 연구팀은 LATeNT를 췌장 베타세포에 적용해 빛을 이용한 인슐린 분비 조절에도 성공했다. 이에 따라 향후 대사질환과 면역질환 연구, 합성생물학 기반 유전자 회로 설계 등 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것으로 전망된다.

엄지원 DGIST 교수는 “LATeNT는 특정 시냅스 단백질의 기능을 시간과 공간 단위로 조절할 수 있는 새로운 분자 도구”라며 “향후 유전자 전달 기술이나 약물 제어 시스템과 결합하면 뇌질환뿐 아니라 암, 대사·면역질환 분야의 정밀 치료 플랫폼으로 확장될 가능성이 있다”고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 지원으로 수행됐으며, DGIST와 스탠퍼드대학교 공동연구로 진행됐다. 노희광 박사와 김동욱 박사가 공동 제1저자로 참여했다.

<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>

DGIST Develops ‘Optical-Controlled Bioswitch’ to Regulate Neural Signals with Light… Opening a New Path for Brain Disease Research

Researchers at DGIST have developed a new bio-control technology that uses light to selectively block and restore signal transmission between nerve cells. It is expected to be utilized in research across various life science fields, including the analysis of brain neural circuits as well as metabolic and immune diseases.

The Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST) announced that a research team led by Professor Um Ji-won of the Synaptic Diversity and Specificity Control Research Group in the Department of Brain Science, in collaboration with Professor Alice Ting’s research team at Stanford University, has developed a light-based optical control platform called ‘LATeNT.’

This research achievement is a new technology capable of precisely controlling the function of synapses, the connection points between nerve cells, and was published online in the international journal Nature Methods on July 31.

Synapses are a core structure that transmits information between nerve cells; if they malfunction, they can be associated with various neuropsychiatric disorders, such as anxiety disorders, depression, and autism spectrum disorder.

Existing optogenetics technology has primarily been used to regulate the electrical activity of neurons using light, but it has had limitations in restoring the original state after suppressing signal transmission at specific synapses for an extended period.

To address this, the research team designed a new light control technology called LATeNT by combining tetanus neurotoxin, which cleaves proteins involved in neurotransmitter release, with the light-sensing protein ‘LOV (light-oxygen-voltage).’

LATeNT operates only when irradiated with blue light of a specific wavelength, selectively cleaving the ‘VAMP2 protein,’ which is essential for neurotransmission, thereby suppressing synaptic signal transmission. It possesses reversible characteristics, with neurotransmission function recovering within approximately 24 hours once the light stimulation is stopped.

The research team also verified the performance of LATeNT through experiments using a mouse model. By temporarily blocking the signals of specific inhibitory neurons within the hippocampus—which are involved in memory and emotion regulation—they discovered that these cells play a crucial role in the circuit regulating anxiety behavior. Furthermore, they confirmed a more powerful and sustained neuroinhibitory effect compared to existing optogenetic tools.

This technology demonstrated potential for application not only in brain research but also in other fields of life science. The research team successfully regulated insulin secretion using light by applying LATeNT to pancreatic beta cells. Consequently, it is expected to be utilized in various fields in the future, including research on metabolic and immune diseases, and the design of gene circuits based on synthetic biology.

Professor Um Ji-won of DGIST stated, "LATeNT is a novel molecular tool capable of controlling the function of specific synaptic proteins on a time-space scale." She added, "If combined with gene delivery technology or drug control systems in the future, it has the potential to expand into a precision treatment platform for cancer, metabolic, and immune diseases, in addition to brain diseases."

Meanwhile, this research was conducted with support from the Ministry of Science and ICT and the National Research Foundation of Korea, as a joint study between DGIST and Stanford University. Dr. Hee-Kwang Noh and Dr. Dong-Wook Kim participated as co-first authors.