Nako Nakatsuka는 "우리가 항상 강조하는 가장 큰 것은 우리가 뇌에 대해 거의 이해하지 못한다는 것이다."라고 말한다.

 

뇌의 연결성 및 복잡성, 뉴런 군단과 다양한 신경 전달 물질이 그 사이를 오가며 시냅스라고 불리는 작은 틈을 가로질러 계단식으로 연결된다. "생각해보면 꽤 무섭다."라고 Nakatsuka는 말한다. 우리가 아는 것은 거의 없다.

 

그런데 그 블랙박스의 뚜껑이 드디어 열려 있다. 최근에 연구원들은 우리의 눈 뒤에 있는 큰 질문에 답하기 위한 도구를 개발하기 시작했다.

 

Nakatsuka는 이러한 도구 개발의 최전선에 있다.

 

나카츠카(Nakatsuka)는 스위스의 저명한 ETH 취리히(ETH Zurich)에 있는 바이오센서 및 바이오일렉트로닉스 연구소(Labor of Biosensors and Bioelectronics)의 선임 과학자로 DNA로 제작된 불가능할 정도로 작은 나노센서를 개발하여 시냅스 규모에 가까운 신경전달물질 활동을 감지하고 있다.

 

신경퇴행성 질환을 이해하는 데 도움이 되도록 설계된 그녀의 나노센서는 MIT Technology Review에서 그녀를 35세 이하 35세 미만의 35인 명단에 이름을 올렸을 뿐만 아니라 해당 분야의 다른 연구원들의 관심을 끌었다.

 

“정말 멋진 것 같다!” 신경 전달 물질을 연구하는 Wake Forest의 생리 및 약리학 부교수인 Ken Kishida는 말한다. Nakatsuka의 연구에 참여하지 않은 Kishida는 DNA가 인코딩할 수 있는 것에 매료되어 대학에서 유전학을 공부하기 시작했다.

 

"DNA 분자의 구조가 분자 공학을 위해 어떻게 활용되었는지 보는 것은 정말 멋진 일이다."라고 Kishida는 말한다.

 

신경 전달 물질 이해: 신경 전달 물질은 신경계의 통화이며, 도파민, 세로토닌 및 노르에피네프린과 같은 A급 화학 물질을 포함하여 뉴런이 서로 통신하는 데 사용하는 분자이다.

 

신경 전달 물질 수준의 변동은 파킨슨병의 도파민 결핍과 같은 많은 신경 장애와 관련이 있다고 Engrail Therapeutics의 신경생물학 부국장인 Krishna Vadodaria는 말한다.

 

Vadodaria는 이메일을 통해 "많은 약물이 신경 전달 물질 시스템을 목표로 한다. 예를 들어 '선택적 세로토닌 재흡수 억제제'라고 불리는 항우울제 계열이 있다."라고 인기 있는 SSRI 시탈로프람과 같이 말한다. (무뚝뚝하고 신비롭게 효과적인 방법을 포함하여 내가 친밀하게 친숙한 방법이다.)

 

Vadodaria와 Nakatsuka는 당시 Vadodaria가 직원 과학자였던 La Jolla의 솔크 생물학 연구소 (Salk Institute for Biological Studies)의 Rusty Gage 실험실에서 세로토닌과 SSRI를 조사하는 연구를 수행하여 나노센서를 테스트했다.

 

우리는 뇌의 일부 측면을 잘 이해하지만 특히 뇌 기능에서 신경 전달 물질이 중요하다고 가정하는 것을 고려할 때 신경 전달 물질에 대한 이해가 부족하다. 뇌 내부를 연구하는 것은 명백한 문제가 있기 때문에 어렵지만 실험실의 뉴런에서도 측정하기가 까다로울 수 있다.

 

신경 전달 물질은 매우 국부적인 영역인 시냅스에서 작동하도록 만들어진다. Vadodaria는 설명한다.

 

그리고 이 작은 공간에서 신경전달물질 수치는 높지만 세포가 있는 배지에서 희석되어 측정이 어렵다. 세로토닌은 불안정한 분자가 되어 쉽게 분해되고 열에 취약하다는 어려움이 있다.

 

그러나 연구원들은 새로운 측정 방법 덕분에 인간 두뇌 내부의 신경 전달 물질에 대한 더 나은 이해를 모으기 시작했다.

 

버지니아 공대의 연구원인 Read Montague와 동료들은 2009년 깨어 있고 의식이 있는 인간의 뇌에서 도파민을 처음으로 측정했다.

 

복잡한 머신러닝 알고리즘에 의해 분석된 전기 신호를 통해 탐침을 떨어뜨리고 신경 전달 물질을 읽는 뇌 수술에 편승한 그들의 기술은 지각과 의사 결정에서 도파민과 세로토닌의 잠재적 기능과 같은 통찰력을 드러내기 시작했다.

 

Vadodaria를 사용한 분자 정신의학 연구에서, 신경 전달 물질의 존재를 측정하기 위해 완전히 다른 방법을 사용하는 Nakatsuka의 나노 센서는 접시에서 세로토닌에 반응하도록 분화된 뉴런이 실제로 세로토닌을 분비하고 예측된 대로 SSRI에 반응할 수 있다는 증거를 발견했다. 연구원들은 연구에서 "오랫동안 동물 모델에 국한된" 세로토닌 연구 모델이라고 밝혔다.

 

큰 질문, 작은 센서: Nakatsuka의 그룹은 현재 생명체의 두개골 내부가 아니라 세포 및 뇌 조직 조각으로 작업하여 이러한 종류의 시험관 내 측정에 집중하고 있다.

 

Nakatsuka는 "우리는 뇌를 정말 단순화하고 1~100개의 뇌 세포를 조사하여 정말 기본적인 질문을 하기 시작했다."라고 말한다. 한 뉴런은 다른 뉴런과 어떻게 통신할까? 우리는 어떻게 그 커뮤니케에 영향을 미칠 수 있을까?

 

"물론, 그것은 매우 단순화된 시스템이지만, 이것이 우리가 뇌 내 측정에서 다른 질문을 시작할 수 있는 방법이라는 것은 여전히 블랙박스라고 생각한다."

 

신경 전달 물질을 측정하기 위해 Nakatsuka는 DNA로 눈을 돌렸다. 단백질을 암호화하는 것 외에도 DNA는 특정 분자에 달라붙을 때 그 구조를 변경할 수 있다. DNA는 환경에 따라 선호하는 구조를 가지고 있기 때문에 결합하고 있던 분자가 더 이상 존재하지 않을 때 그 형태로 되돌아간다.

 

"DNA 앱타머"라고 불리는 이들은 나노센서의 핵심이다.

 

첫째, DNA 앱타머는 세로토닌과 같은 특정 신경 전달 물질에 결합하도록 조작된다. 세로토닌이 존재하면 DNA 앱타머가 세로토닌에 결합하여 모양이 변하고 전류 흐름이 증가한다. 압타머의 모양이 바뀌고 다시 바뀌면서 이러한 전류의 차이를 읽음으로써 나노 센서는 신경 전달 물질 수준을 읽을 수 있다.

 

앱타머는 다양한 분자에 결합하도록 설계되어 나노센서를 다기능으로 만들 수 있다. 즉, 교체하고 새로운 것을 측정할 수 있다.

 

그녀의 작은 측정 장치로 무장한 Nakatsuka는 시냅스 자체의 규모에 근접하는 규모로 필요한 위치에 탐침을 배치했다. 압타머는 팁에서 대략 10나노미터인 나노스케일 피펫에 로딩되었다.

 

Nakatsuka는 "뉴런의 차원과 통신하는 위치에 실제로 접근하기 시작했다."라고 말한다. 그리고 그 규모가 중요하다. 작을수록 공간 분해능을 높일 수 있다. 즉, 센서가 정확하게 측정할 수 있는 가장 작은 것이다. (그러나 그것을 시냅스에 정확하게 전달하는 것은 현재 과제이다.)

 

Kishida는 "기술이 그 방향으로 더 많이 움직일수록 질문을 하는 다양한 방법을 열 수 있다."라고 말한다.

 

다음 단계: 나노 센서가 Salk 연구에서 세로토닌을 측정할 수 있다는 점에서 실제 테스트를 통과했지만 아직 수행해야 할 작업이 많고 문제를 해결할 수 있는 가능성과 기회가 있다.

 

현재 나노센서는 몇 초 단위로 측정된다. 그러나 앱타머는 속도를 높이기 위해 조정할 수 있다. Nakatsuka는 결국 밀리초가 가능하다고 생각한다.

 

DNA는 생물학적 분자이며 분해되기 때문에 연구자들은 앱타머가 결국 산산이 부서지는지 알아내야 한다. 현재, 그들은 몇 주에서 몇 달 동안 접시와 조직 샘플에서 함께 유지되는 것으로 보이지만 더 긴 기간은 여전히 계산해야한다.

 

또한 생물학적 센서를 사용하는 것이 생물학적 환경에 영향을 미칠 수 있는지, 그리고 그 환경에서 얼마나 잘 작동하는지에 대한 질문도 있다. Nakatsuka는 뇌 조직 샘플에서 나노센서를 사용하기 시작하여 시험관 내 뉴런의 복잡성을 증가시켰다.

 

그녀는 Vadodaria 및 Kishida와 같은 연구원들이 새로운 도구를 사용하여 새로운 질문에 답하고 질문하는 방법과 같이 신경 전달 물질이 작동하는 방식에 대한 기본적인 이해를 제공하기 위해 실험실에서 나노 센서를 사용하는 것을 계획하고 있다.

 

Kishida는 "신경 전달 물질 센서에서 정말 흥미로운 개발이다."라고 말한다. "새로운 조사 방법을 개발할 가능성이 많은 것 같다."