2021년 노벨상 기획특집 - 올해 노벨생리의학상

데이비드 줄리어스와 아르뎀 파타푸티언 미국 과학자 2명 선정

온도·촉각 ‘감각의 비밀’ 밝힌 미국 과학자 공동 수상

몸에 매운 느낌 주는지에 대한 연구 발표해 주목

줄리어스 교수(왼)과 파타푸티언 교수(우) .노벨위원회 제공

올해 노벨생리의학상에는 신경 자극을 통해 인간이 온도와 압력을 감지하는 방법을 발견한 미국 과학자들에게 돌아갔다. 노벨위원회는 2명의 과학자들이 자연의 비밀 중 하나를 열어줬으며, 우리의 생존을 위해 필수적인, 매우 중요하고 심오한 발견이라고 평가했다. 이번 연구는 이러한 지식은 수많은 질병에 대한 치료법을 개발하는 데 사용되고 있어 가치를 인정받고 있다.

자연의 비밀 중 하나를 밝히다

올해 노벨생리의학상은 신경 자극을 통해 인간이 온도와 압력을 감지하는 방법을 발견한 데이비드 줄리어스와 아르뎀 파타푸티언 등 미국 과학자 2명에게 돌아갔다.

스웨덴 카롤린스카 연구소 노벨위원회는 4일(현지시간) 온도와 촉각 수용체를 발견한 공로를 인정해 샌프란시스코 캘리포니아 대학 생리학자 데이비드 줄리어스 교수와 캘리포니아 라호야 스크립스연구소 신경과학자 아뎀 파타푸티언 교수에게 노벨생리의학상을 수여했다.

줄리어스 교수는 1997년 국제 저명 학술지인 '네이처'에 고추의 주성분으로 매운 맛을 내는 ‘캡사이신’이 어떤 기전으로 우리 몸에 매운 느낌을 주는지에 대한 연구를 발표해 주목 받은 바 있다.

TRP는 온도를 감지하는 능력의 핵심으로 꼽히고 있으며, 피에조 2는 촉각과 함께 신체 부위 위치와 움직임을 느끼는 능력을 부여하는 것으로 나타났다. (노벨위원회)

파타푸티안 교수는 기계적 자극이 우리 몸에 어떻게 전기 신호로 바뀌어 감각으로 수용되는지 집중 한 연구가 주목받았다. 기계적으로 '민감함'을 담당하는 유전자와 이온 채널을 발견, 압력을 뜻하는 그리스어에서 'Piezo1‘(피에조 1)이라고 명명했다.

외신은 파타푸티언 교수가 휴대전화를 방해금지 모드로 설정해 놓고 있어서, 노벨위원회 연락을 받지 못했지만, 파타푸티언 교수의 아버지에게 전화한 끝에 수상자와 연락이 닿을 수 있었다는 헤프닝을 전하기도 했다.

두 사람이 발견한 온도수용체와 촉각수용체는 인류의 감각과 환경 사이 복잡한 상호 작용을 이해하는 데 있어 지금까지 누락돼 있던 중요한 연결 고리라고 평가받고 있다. 열, 추위, 촉각을 감지하는 능력은 생존에 있어서 필수적이며, 우리를 둘러싼 세계와 상호작용을 보강하지만, 우리는 일상생활에서 이런 감각을 당연하게 여기고 있다.

이러한 가운데, 이들 과학자가 발견한 온도와 압력이 감지될 수 있도록 신경 자극이 어떻게 시작되는지에 대한 질문이 올해 수상자들에 의해 풀렸다고 노벨위원회는 평가했다. 이들의 발견으로 신경계가 어떻게 열과 추위, 기계적 자극을 감지하는 데 대한 이해를 도왔다는 설명이다.

외신에 따르면 두 과학자는 눈과 귀, 피부와 같은 기관의 보고 듣고 느끼는 능력인 체감각 분야에 연구를 집중했으며, 지난해에는 과학계에서 저명한 카블리상을 공동 수상하기도 했다.

노벨위원회는 “더위와 추위, 촉각을 감지하는 인간의 능력을 만드는 온도와 촉각 수용체를 발견한 결정적인 공헌을 한 2명의 과학자에게 올해의 노벨생리의학상을 수여한다”며 “사람들은 당연하게 여기는 일상생활에서의 감각 중 온도와 압력을 인지할 수 있는 신경 자극이 어떻게 시작되는지에 관한 문제는 올해 노벨상 수상자들이 해결했다”고 노벨상 선정 이유를 밝혔다.

한편, 수상자들은 노벨상 메달과 1000만 스웨덴크로나(약 13억원)를 함께 받게 된다.

인류가 환경을 감지하는 법

지금까지도 인류는 우리가 환경을 어떤 방식으로 감지하느냐를 두고 많은 고민을 해왔다. 즉, 눈이 빛을 감지하는 원리, 음파가 내이에 영향을 미치는 원리, 다양한 화합물이 코와 입의 수용체와 상호작용해 냄새와 맛을 만드는 원리 등 감각의 기본 원리는 수천 년간 인류의 미스테리로 여겨져 왔다

또한, 주변의 세계를 인식하는 다른 방법도 마찬가지다. 더운 여름날 해변을 맨발로 걸을 때 모래의 온도, 태양의 열기, 바람의 느낌 등 이러한 온도와 촉각, 움직임을 느끼는 것은 인류가 끊임없이 변화하는 환경 적응에 필수적인 요소로 꼽힌다.

이에 그동안 과학자들의 발견을 통해 환경 변화를 감지하는 특수감각 뉴런의 존재로 확인됐다. 조지프 얼랭어와 허버트 개서는 고통이나 접촉과 같은 다양한 자극에 반응하는 여러 유형의 감각 신경섬유를 발견해 1944년 노벨 생리의학상을 수상한바 있다. 이후 진행된 연구에서 신경세포가 다양한 유형의 자극을 감지하고 전달하는 데 전문화됐고 주변 환경에 미묘하게 반응한다는 것이 밝혀졌다.

새로운 이온 채널에는 압력을 뜻하는 그리스어에서 유래된 ‘피에조 1’이라는 이름이 주어진 후, 비슷한 두 번째 유전자도 발견돼 ‘피에조 2’로 명명했다.(노벨위원회)

그러나 문제는 지금까지 여전히 신경계가 환경을 어떻게 감지하고 해석하는지를 이해하기 위해서는 한 가지 연결고리가 비어 있었다. 바로 신경계에서 온도와 기계적 자극이 어떻게 전기 신호로 변환되는가 하는 것이다.

이에 줄리어스 교수와 파타푸티안 교수의 연구가 실마리를 제공했다. 줄리어스 교수는 1990년대 후빈 캡사이신을 만졌을 때 느끼는 화끈거리는 느낌을 어떻게 유발하는지에 대한 연구를 시작했다. 당시 캡사이신은 통증 감각을 일으키는 신경 세포를 활성화시키는 물질로 알려져 있었지만, 실제로 어떻게 기능을 발휘하는지는 밝혀내지 못한 상황이었다.

줄리어스 교수는 통증과 열, 접촉에 반응하는 감각 뉴런에서 발현되는 유전자에 해당하는 수백만 개의 DNA 라이브러리를 파악하기 시작했다. 줄리어스 교수는 이중 캡사이신에 반응하는 단백질을 만드는 DNA를 가질 것으로 가정했지만, 그들은 캡사이신에 반응하지 않는 배양 세포에서 유전자를 발견했다. 그는 유전자를 찾은 끝에 세포를 캡사이신에 민감하게 만들 수 있는 유전자가 발견한 것으로 나타났다.

이후 추가 실험을 통해 이 유전자가 새로운 이온 채널 단백질을 암호화한 것으로 나타났으며, 이 수용체는 향후 TRPV1이라는 이름이 붙게 된다. 특히 줄리어스 교수가 열에 반응하는 단백질 능력을 연구할 당시, 고통스러운 것으로 인식되는 온도에서 활성화되는 열 감지 수용체를 발견했다.

이러한 TRPV1 발견은 추가적인 온도 감지 수용체를 찾아내는 돌파구로 평가받고 있다. 또한, 줄리어스 교수와 파타푸티안 교수는 멘톨이라는 화학 물질을 사용해 추위에 의해 활성화되는 수용체인 TRPM8을 식별하는데도 성공했다. TRPV1과 TRPM8과 관련된 추가 이온 채널이 확인됐으며, 이 채널은 다양한 온도 범위에서 활성화되는 것으로 파악됐다.

새로운 이온 채널에는 압력을 뜻하는 그리스어에서 유래된 ‘피에조 1’이라는 이름이 주어진 후, 비슷한 두 번째 유전자도 발견돼 ‘피에조 2’로 명명했다.(노벨위원회)

이후 많은 과학자들이 이 유전자를 없앤 유전자 조작 생쥐를 이용해 열 감각에서 채널의 역할을 조사하기 위한 연구 프로그램을 발견한 것으로 나타났다.

이러한 가운데, 기계적 자극이 어떻게 촉각과 압력 감각으로 전환될 수 있는지에 대한 연구가 부족했다. 박테리아에서 기계적 자극에 반응하는 감각수용체를 발견했지만 척추동물의 감각 원리는 알려지지 않았기 때문이다. 이에 파타푸티언 교수는 기계적 자극에 의해 활성화되는 수용체를 확인하는 연구를 시작했다.

파타푸티언 교수팀은 세포를 마이크로피펫 끝단으로 찔렀을 때 측정 가능한 전기 신호를 방출하는 세포주를 확인한 것으로 나타났다. 연구팀은 기계적 힘에 의해 활성화된 수용체를 이온 채널이라 가정하고 이 수용체를 암호화한 것으로 예측되는 후보 유전자 72개를 발견했으며, 이후 유전자를 하나씩 비활성화하면서 기계적 감각을 담당하는 유전자를 확인한 것으로 나타났다.

파타푸티언 교수팀은 유전자를 하나하나 변형하는 어려운 검색 후, 세포를 찔렀을 때 반응하지 않게 하는 유전자를 찾아내는 데 성공하게 된다. 새로운 이온 채널에는 압력을 뜻하는 그리스어에서 유래된 ‘피에조 1’이라는 이름이 주어진 후, 비슷한 두 번째 유전자도 발견돼 ‘피에조 2’로 명명했다.

파타푸티언 교수는 피에조 2 이온 채널이 촉각에 필수적임을 보여주는 논문들을 발표하기 시작했으며, 피에조 2는 인체가 신체 위치와 움직임을 감지하는 ‘고유감각’을 찾는 데도 중요한 역할을 하는 것으로 평가받았다. 연구팀은 피에조1과 피에조2 통로가 혈압과 호흡, 방광 조절과 같은 중요한 생리학적 과정을 조절하는 것도 발견하는 공로를 인정받았다.

학계는 올해 노벨상 수상자들이 발견한 TRPV1, TRPM8, 피에조 채널을 통해 인류는 열과 냉기, 기계적 자극이 어떻게 우리가 주변 세계를 인지하고 적응할 수 있도록 하는 신경 신호로 바뀌는 지 이해할 수 있었다고 평가하고 있다. TRP는 온도를 감지하는 능력의 핵심으로 꼽히고 있으며, 피에조 2는 촉각과 함께 신체 부위 위치와 움직임을 느끼는 능력을 부여하는 것으로 나타났다. 이외에도 피에조 2는 온도와 기계적 자극에 의존하는 수많은 생리 기능에도 기여하며, 이러한 지식은 수많은 질병에 대한 치료법을 개발하는 데 사용되고 있는 것으로 평가받고 있다.

철학자 데카르트가 열을 어떻게 상상했는지 묘사한 삽화(노벨위원회)

다양한 통증치료제로 활용

이들의 연구 이후, 이후 여러 대형 제약사들이 이 수용체와 관련한 연구를 진행했고 실질적으로 여러 약물에 활용되고 있는 것으로 알려졌다. TRPV1의 이온 채널을 막아 통증을 줄이는 리도카인, 나트륨 채널 차단제, 칼슘 채널 차단제, 스테로이드 등이 통증 치료제에 쓰이는 것으로 나타났다.

또한, 파타푸티안 교수가 촉각에 반응해 열리는 이온 채널인 피에조 1과 피에조 2 중 특히 피에조 2는 몸이 위치와 움직임을 감지하는데 중요한 역할을 한다는 점을 확인함에 따라, 그의 연구는 피에조 채널을 막는 방법을 찾는 것이 통증 치료제를 개발하는데 중요한 기초가 될 것으로 관측된다. 이번 생리의학상 수상자인 두 과학자들은 새로운 종류의 진통제를 개발하는데 여러 가능성을 제시했다는 점에서 그 가치를 인정받고 있다.

일각에서는 코로나19 유행 중 발표되는 노벨생리의학상인 만큼 바이러스 연구자가 수상하게 될 것이란 관측이 나오기도 했다. 코로나19 메신저 리보핵산(mRNA) 백신 기초기술을 개발해 수상 유력후보로 거론돼온 카탈린 카리코 바이오엔테크 부사장과 드루 와이즈먼 펜실베니아대 교수, 한타 바이러스를 발견한 ‘한국의 파스퇴르’ 이호왕 고려대학교 명예교수도 수상 가능성이 전망되기도 했기 때문이다. 이 명예교수는 세계 최초로 등줄쥐 폐 조직에서 유행성 출혈열 병원체 '한타 바이러스'를 발견, 이를 통해 예방백신 ‘한타박스’를 개발한 인물이다.

그러나 노벨위원회는 인간 감각의 비밀을 밝힌 공동수상자들의 연구가 올해 가장 의미가 컸다고 수상이유를 밝혔다. 이에 학계는 이번 노벨생리의학상은 기초·원천 연구 가치와 지속적 투자 필요성을 재확인한 계기라고 평가하고 있다. 단기성과를 요구하는데 급급하고 기초 연구 중요성을 등한시 하는 분위기 속에서는 노벨상을 받기 어렵다는 지적이 나왔다.