[더리포트] 영화 <엑스맨> 시리즈의 ‘매그니토(Magneto)’는 자기장을 이용해 주변 금속을 자유자재로 조절하는 능력이 있다. 집채만 한 트럭을 내던지고, 거대한 댐을 무너뜨리는 등 가공할만한 위력을 자랑한다. 이처럼 자기장을 이용하면 무선, 원격으로 금속을 조종할 수 있다.

이와 관련 기초과학연구원(IBS)은 연구원 소속 나노의학 연구단 이재현 연구위원(연세대 고등과학원 교수)과 천진우 단장(연세대 교수) 연구팀이 자기장을 이용해 뇌기능을 원격으로 정밀 제어하는 데 성공했다고 밝혔다.

2일 기초과학연구원에 따르면 계절에 따라 이동하는 철새, 산란기를 맞아 고향으로 돌아가는 연어 등 많은 동물들에게는 회귀능력이 있다고 알려져 있다. 이들의 뇌 속에는 나침반 역할을 하는 ‘자기 수용체(Magneto-receptors)’가 있어, 지구의 자기장을 감지하여 이동한다는 가설이 오래전부터 제시됐다. 연구진은 동물의 자기 수용체를 모방한 ‘나노나침반(nano compass)’를 개발했다. 나노나침반은 외부자기장에 감응하여 정확히 5pN(피코뉴턴)의 회전력을 발생시키도록 설계됐다.

이어 쥐의 우뇌 운동 피질에 나노나침반과 세포 활성을 조절하는 ‘피에조-1(Piezo-1) 이온 채널2)’ 유전자를 주입했다. 피에조-1은 물리력에 반응해 문이 열렸다 닫히며 세포 내로 유입되는 칼슘이온의 양을 조절한다. 피에조-1이 열려 칼슘이온이 다량 유입되면 그만큼 세포가 활성화된다. 피에조-1이 칼슘이온이 드나드는 문이라면, 나노 나침반이 내는 회전력은 문을 여는 힘인 셈이다.

자기장을 가해주자 나노나침반이 회전하며 5pN의 회전력을 내고, 이에 반응한 피에조-1 이온 채널이 개방되어 칼슘이온이 세포 내로 유입됨으로써 우뇌 운동 피질 부위의 뇌세포가 활성화되었다. 이에 따라 쥐의 왼발 운동신경이 활성화되어 반시계 방항으로 운동하며, 운동능력이 약 5배 향상됐다. 좌뇌 운동 피질을 자극한 경우 시계방향으로 운동 능력이 증가됐다. 요컨대 자기장을 이용해 살아 있는 동물에서 선택적으로 뇌세포 활성을 제어할 수 있음을 최초로 증명한 것이다.

연구진이 개발한 자기 유전학 장치는 MRI장비와 같은 크기(중심지름 70 cm)에서도 구동이 가능하며 사람의 뇌나 전신에 25mT(밀리 테슬라3))의 자기장을 전달할 수 있다. 기존 뇌세포 제어에 활용되던 광유전학(opto-genetics) 기술은 생체 투과도가 낮은 한계가 있었다.

그러나 자기장은 침투력이 강하기 때문에 연구진이 개발한 기술은 파킨슨병, 치매, 암처럼 몸 속 깊은 곳에 발생한 난치병 치료에 활용될 수 있다. 나아가 원하는 세포를 선택해 활성화할 수 있기 때문에 향후 운동신경 뿐 아니라 시각, 후각 등 다양한 뇌기능을 향상시키거나 면역 활성화에도 기여할 것으로 기대된다.​

이번 연구를 이끈 천진우 단장은 “나노 자기 유전학은 원하는 세포를 유전공학으로 선택해 무선(wireless)·원격(remote)으로 뇌 활성을 제어하는 연구 플랫폼이 될 것”이라며 “뇌의 작동 원리 규명과 질환 치료 등 뇌과학의 새로운 지평을 열 것으로 기대한다”고 전했다.