빛을 향해 움직이는 작은 녹조류에서 발견한 단백질이 사람의 뇌를 이해하는 ‘스위치’가 됐다. 빛으로 특정 신경세포를 켜고 끄는 ‘광유전학(optogenetics)’을 개척해 뇌가 기억과 감정, 행동을 만들어내는 과정을 추적할 수 있게 한 과학자 3명이 올해 노벨 생리의학상을 받았다.
스웨덴 카롤린스카연구소 노벨위원회는 5일(현지시간) 2026년 노벨 생리의학상 수상자로 칼 다이서로스 미국 스탠퍼드대 교수와 페터 헤게만 독일 훔볼트대 교수, 게오르크 나겔 독일 뷔르츠부르크대 교수를 선정했다. 수상 이유는 ‘빛 개폐 이온통로와 광유전학에 관한 발견’이다.
다이서로스는 이번 노벨상 이전부터 광유전학 연구로 래스커 기초의학연구상 등 세계적인 주요 의학·과학상을 여러 차례 받았다. 지난해엔 제18회 아산의학상 기초의학부분 수상자로 선정되기도 했다.
광유전학은 말 그대로 빛과 유전학을 결합한 기술이다. 특정 신경세포가 빛에 반응하도록 만든 뒤 빛을 비춰 세포의 활동을 켜거나 끌 수 있다. 노벨위원회는 이 기술이 살아 있는 뇌에서 신경세포가 기억과 감정, 행동을 어떻게 만들어내는지 확인할 수 있게 했으며, 세 수상자가 신경과학의 새로운 시대를 열었다고 평가했다.
빛 따라가는 녹조류에서 시작된 발견
출발점은 사람의 뇌가 아니라 단세포 녹조류였다.
헤게만은 ‘클라미도모나스(Chlamydomonas)’라는 녹조류가 어떻게 빛을 감지해 빛이 있는 방향으로 움직이는지 궁금해했다. 그는 나겔과 함께 2000년대 초 녹조류 표면에 있는 ‘채널로돕신(channelrhodopsin)’이라는 단백질의 독특한 기능을 발견했다.
원리는 비교적 간단하다. 채널로돕신에 청색광을 비추면 단백질에 작은 통로가 열린다. 이 통로를 통해 전기를 띤 이온이 세포 안으로 들어가면서 전기신호가 발생한다. 더 중요한 발견은 이 단백질을 다른 세포에 넣어도 그 세포가 빛에 반응한다는 사실이었다.
다이서로스는 이 원리를 뇌 신경세포에 적용했다. 쥐의 신경세포에 채널로돕신을 만드는 유전자를 넣은 뒤 청색광을 비추자 실제로 신경신호가 발생했다.
그는 이 연구 결과를 2005년 발표했고, 2년 뒤에는 살아 있는 생쥐의 뇌에서도 빛을 이용해 신경세포를 조절하는 데 성공했다. 녹조류에서 찾아낸 빛 감지 장치가 뇌 속 신경세포를 움직이는 일종의 ‘스위치’로 바뀐 것이다. 그리고 이 기술은 오늘날 광유전학으로 불린다.
뇌를 ‘보는 것’에서 직접 ‘켜고 끄는 것’으로
광유전학이 신경과학에 가져온 가장 큰 변화는 뇌를 관찰하는 데서 한발 더 나아가 특정 신경세포가 어떤 행동을 일으키는지 직접 시험할 수 있게 했다는 점이다.
과거에도 연구자들은 뇌의 어느 부위가 기억이나 감정, 행동에 관여하는지 관찰할 수 있었지만, 특정 신경세포의 활동이 실제로 그 행동을 일으킨 것인지, 단순히 행동과 함께 나타난 것인지 구분하기는 어려웠다.
광유전학은 이 한계를 넘어설 방법을 제공했다는 평가를 받고 있다. 가령 특정 신경세포를 빛으로 켠 뒤 행동이 나타나고, 다시 그 세포의 활동을 억제했을 때 행동이 사라지는지를 살펴볼 수 있다. 뇌 활동과 행동이 단순히 함께 나타나는지를 넘어 둘 사이의 원인과 결과를 연구할 수 있게 된 것이다.
페르 스베닝손 노벨 생리의학위원장은 “광유전학은 과거에는 꿈꿀 수밖에 없었던 방식으로 뇌를 지도화로 만들 기회를 제공한다”고 설명했다.
기억·감정부터 뇌질환까지⋯시력 회복 연구에도 활용
광유전학은 현재 기억과 감정, 행동을 담당하는 신경회로를 찾아내는 연구에 폭넓게 활용되고 있다. 신경·정신질환과 관련된 뇌 회로가 어떻게 작동하는지를 밝히는 데도 중요한 연구도구가 됐다.
의학적 활용 가능성도 넓어지고 있다. 노벨위원회에 따르면 연구자들은 광유전학을 이용해 시각장애인의 시력을 회복시키려는 연구도 진행하고 있다.
다만 광유전학이 현재 환자의 뇌질환을 일반적으로 치료하는 기술이라는 의미는 아니다. 지금까지 가장 큰 가치는 뇌의 어떤 신경세포와 회로가 기억과 행동을 만들고 질병에 관여하는지를 정밀하게 밝혀낼 수 있는 도구를 제공했다는 데 있다.
노벨위원회는 “광유전학은 뇌에 대한 우리의 이해를 근본적으로 바꿨다”며 "새로운 발견이 계속되면서 인류의 가장 큰 미스터리 가운데 하나인 ‘우리의 놀라운 뇌가 어떻게 작동하는가’를 풀어가는 데 기여하고 있다"고 평가했다.
올해 노벨 생리의학상 상금은 1200만 스웨덴크로나(약 16억 956만원)로 세 수상자가 똑같이 나눠 갖는다.
