신경세포에 인공 구조물 형성, 생체 행동 변화

과학자들이 세포를 유전적으로 조작해 폴리머 기반 인공 구조물을 형성하는 기술을 개발했다. 인공물은 특정 뉴런 집단에서 세포막 특성 조절 및 생체 행동 조작을 유도했다.

연구자들은 유전적으로 표적된 화학적 조립(genetically targeted chemical assembly, GTCA) 방식으로 포유류 뇌 세포와 예쁜꼬마선충(C. elegans)의 뉴런에 인공 구조물을 만드는 새로운 방법을 사용했다. 인공 구조물은 각각 다른 전자 특성을 갖는 2개의 상이한 생체 적합성 재료를 사용해 제조됐다. 하나는 절연체이고 다른 하나는 도체였다.

미국 스텐포드대학 생명공학 및 인지행동과학 교수 칼 디서로스(Karl Deisseroth)는 “우리는 세포를 일종의 화학 공학자로 바꿔, 활용 재료에 따라 특정 방식으로 행동을 변화시키는 기능성 폴리머를 제작했다”고 말했다.

논문은 과학저널 사이언스(science)에 20일 발표됐다.

현재 실험이 주로 뇌 세포나 뉴런에 중점을 두었지만 GTCA는 다른 세포 유형에도 작용한다. 공동 연구책임자 제난 바오(Zhenan Bao) 화학공학 교수는 “우리는 몸 전체의 세포 생화학 과정에 적용할 수있는 기술 플랫폼을 개발했다”고 말했다.

연구자들은 영향을 주고자하는 세포를 유전적으로 재프로그래밍 하는 것으로 시작했다. 그들은 APEX2라는 효소를 특정 뉴런에 첨가하는 표준 생명공학 기술을 사용해 이를 수행했다.

다음으로 과학자들은 예쁜꼬마선충과 다른 실험 조직을 두 가지 활성 성분, 즉 매우 낮은 농도의 과산화수소와 세포 형성에 쓰일 수십억 개의 원료 물질을 함유한 용액에 담갔다.

과산화수소와 뉴런 사이에 APEX2 효소와의 접촉은 일련의 화학 반응을 일으켜 원료 분자를 폴리머 사슬에 융합해 메쉬형 물질을 형성했다. 이런 식으로 연구원들은 원하는 뉴런 주위에만 절연 또는 전도성 특성을 가진 인공물을 만들 수 있었다.

폴리머는 뉴런의 특성 변화를 초래했다. 폴리머 종류에 따라 뉴런은 더 빨리 또는 느리게 발화하며 예쁜 꼬마선충의 행태 변화를 유발했다.

포유류 세포 실험에서, 연구자들은 생쥐 뇌의 살아있는 조각과 뇌의 배양된 뉴런에 대해 유사한 폴리머 형성 실험을 수행하고 합성 폴리머의 전도 또는 절연 특성을 확인했다. 마지막으로, 연구진들은 생쥐의 뇌에 수백만 개의 원료 분자와 함께 저농도의 과산화수소 용액을 주입해 이들 성분이 독성이 없는지 확인했다.

연구팀은 연구성과가 아직 의료 응용 프로그램이 아닌 ‘탐사 수단’라고 말한다. 이 성과는 신경 주위 미엘린(myelin) 절연체 마모로 인한 다발성 경화증에 세포 대체물로 절연성 폴리머를 형성하도록 유도할 수 있는 가능성을 보여준다.

또한 자폐증 또는 간질에서 불활성 뉴런 위에 전도성 고분자를 형성하는 등 세포 표적 기술의 의료적 적용 가능성을 탐색할 수 있다. GTCA는 다양한 화학 신호로 구현되는 광범위한 잠재 재료 생성에도 활용될 수 있다.

*J. Liu el al., “Genetically targeted chemical assembly of functional materials in living cells, tissues, and animals,” Science(2020).