[2026노벨상]빛으로 뇌세포 켜고 끈다…'광유전학' 개척 3인 노벨 생리의학상(종합)

다이서로스·헤게만·나겔 공동수상…녹조류에서 찾은 '빛 스위치'
밀리초 단위로 신경세포 정밀 제어…"신경과학 패러다임 바꿔"

빛을 비추는 것만으로 살아 있는 뇌의 특정 신경세포를 켜고 끈다. 어떤 신경세포가 기억을 만들고 감정을 일으키며 몸을 움직이게 하는지 직접 확인할 수 있다. 단세포 녹조류가 빛을 향해 움직이는 원리를 파고든 기초연구에서 출발한 '광유전학(optogenetics)'이 올해 노벨 생리의학상의 주인공이 됐다.

스웨덴 카롤린스카 연구소 노벨위원회는 5일(현지시간) 칼 다이서로스(Karl Deisseroth) 미국 스탠퍼드대 교수와 페터 헤게만(Peter Hegemann) 독일 베를린 훔볼트대 교수, 게오르크 나겔(Georg Nagel) 독일 뷔르츠부르크대 교수 등 3명을 2026년 노벨 생리의학상 공동 수상자로 선정했다. 수상 업적은 '광개폐성 이온 채널(light-gated ion channels)과 광유전학에 관한 발견'이다.

2026년 노벨 생리의학상 수상자로 선정된 칼 다이서로스(왼쪽부터), 페터 헤게만, 게오르크 나겔. 이들은 광개폐성 이온 채널과 광유전학에 관한 발견으로 공동 수상했다. 노벨재단(Niklas Elmehed/Nobel Prize Outreach) 제공

광유전학은 빛으로 특정 신경세포의 활동을 조절하는 기술이다. 신경세포에 빛에 반응하는 단백질을 넣은 뒤 특정 파장의 빛을 비추면 원하는 신경세포를 켜거나 끌 수 있다. 주변 세포까지 함께 자극하는 기존 전기 자극과 달리 특정 종류의 신경세포를 골라 밀리초(1000분의 1초) 단위로 제어할 수 있다.

녹조류에서 찾은 '빛 스위치'

광유전학의 출발점은 사람의 뇌가 아니라 물속을 헤엄치는 단세포 녹조류 '클라미도모나스(Chlamydomonas)'였다. 이 미생물은 빛을 감지해 빛이 있는 방향으로 움직인다. 헤게만과 나겔은 이 과정에 관여하는 '채널로돕신(channelrhodopsin)'을 연구해 빛을 받으면 통로가 열리고 이온이 세포 안으로 이동한다는 사실을 밝혀냈다.

빛을 향해 움직이는 단세포 녹조류 클라미도모나스. 클라미도모나스의 빛 감지 원리를 연구하는 과정에서 빛에 반응해 이온을 통과시키는 채널로돕신이 발견됐고, 이후 광유전학의 토대가 됐다. 노벨 생리의학상위원회 제공

다이서로스 연구진은 2005년 채널로돕신2(ChR2) 유전자를 포유류 신경세포에 넣고 청색광을 비춰 신경세포의 활동을 밀리초 단위로 일으키는 데 성공했다. 녹조류에서 발견한 빛 감지 장치가 뇌세포를 움직이는 '광스위치'로 바뀐 것이다.

광유전학 분야에서 세계적 수준의 연구를 해온 허원도 카이스트(KAIST) 생명과학과 교수는 기존 전기 자극과의 차이에 대해 "전기로 자극하면 주변의 많은 신경세포가 동시에 자극된다"며 "광유전학은 특정 신경세포를 선택해 밀리초 단위로 활성화할 수 있다는 것이 중요한 장점"이라고 설명했다. 빛의 세기와 조사 시간 등을 바꾸면 신경세포의 활성 정도도 조절할 수 있다.

광유전학의 원리를 표현한 그림. 특정 신경세포에 빛에 반응하는 단백질을 발현시킨 뒤 빛을 비추면 신경세포의 활동을 정밀하게 조절할 수 있다. 이를 통해 특정 신경회로와 행동·감정·인지 사이의 인과관계를 밝힐 수 있게 됐다. 노벨 생리의학상위원회 제공

이 기술 덕분에 과학자들은 뇌를 관찰하는 데서 벗어나 특정 신경세포를 직접 켜고 끄면서 행동이 어떻게 달라지는지 확인할 수 있게 됐다. 김대수 카이스트 뇌인지과학과 교수는 "이로써 신경회로를 분해해 세포 종류별로 기능을 연구할 수 있는 길을 열었다"고 평가했다.

세 수상자의 연구는 서로 이어져 있다. 헤게만과 나겔이 녹조류에서 채널로돕신의 존재와 기능을 밝히고, 다이서로스가 이를 포유류 신경세포를 제어하는 연구도구로 발전시켰다.

뇌 연구 넘어 질병 치료 가능성도

광유전학은 기억과 감정, 수면, 운동 등 다양한 뇌 기능을 연구하는 핵심 도구로 자리 잡았다.

김준기 서울아산병원 융합의학과 교수는 "광유전학을 이용하면 실험동물에서 특정 뇌 회로의 기능을 세포·분자 수준에서 이해할 뿐 아니라 개발 중인 신약이 뇌에 미치는 효과에 대한 가설도 시험할 수 있다"고 설명했다. 파킨슨병과 간질, 수면장애 등 신경계 질환의 발생 원인을 밝히고 새로운 치료 표적과 신약 후보를 검증하는 데도 활용되고 있다.

다만 곧바로 사람의 뇌 질환을 치료할 수 있는 단계는 아니다. 허 교수는 이번 수상이 "임상적으로 많은 발전을 이뤘다기보다 뇌과학 기초연구에 큰 성과를 냈다는 데 더 의미가 있다"고 설명했다. 뇌 깊숙한 곳까지 빛을 전달하고 광감응 단백질을 원하는 신경세포에 안전하게 전달하는 등의 과제가 남아 있다.

광유전학을 이용한 동물실험 원리. 생쥐의 특정 신경세포에 채널로돕신2(ChR2)를 발현시킨 뒤 광섬유로 빛을 비추면 해당 신경세포의 활동을 정밀하게 조절할 수 있다. 노벨 생리의학상위원회 제공

사람에게 적용하려는 시도도 시작됐다. 대표적인 분야가 시각 회복이다. 빛을 감지하는 기능이 손상된 환자의 망막세포에 광감응 단백질을 발현시켜 다시 빛에 반응하도록 하는 방식이다.

이상엽 카이스트 생명화학공학과 특훈교수는 "단세포 미세조류의 빛 감지 단백질인 채널로돕신을 포유류 신경세포의 광스위치로 전환했다는 점에서 연구의 독창성이 매우 크다"며 "호기심에서 출발한 기초연구가 혁신적인 의생명 기술로 발전한 매우 좋은 사례"라고 평가했다.

다이서로스는 지난해 아산사회복지재단이 선정한 제18회 아산의학상 기초의학부문 수상자로 한국을 찾기도 했다. 올해 노벨상 상금은 1200만스웨덴크로나(약 16억원)로, 지난해 1100만크로나보다 100만크로나 늘었다. 공동 수상자인 세 사람은 상금을 나눠 받는다. 올해 노벨상은 6일 물리학상, 7일 화학상, 오는 8일 문학상, 9일 평화상, 12일 경제학상 순으로 수상자가 발표된다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr