1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

신경세포들 사이에 신호전달을 위한 접합부인 시냅스, 특히 화학적 시냅스는 그 성격에 따라 흥분성 시냅스와 억제성 시냅스로 나뉩니다. 흥분성 시냅스는 시냅스 전 뉴런으로부터 glutamate와 같은 흥분성 신경전달물질이 분비되어 시냅스 후 뉴런에 흥분성 시냅스 후 전위를 불러 일으키는 반면, 억제성 시냅스는 GABA와 같은 억제성 신경전달물질을 매개로 하여 시냅스 후 뉴런에 억제성 시냅스 후 전위를 유발함으로써 뉴런의 흥분성을 조절하는 역할을 합니다. 이들 시냅스를 통한 흥분성/억제성 신경전달의 균형은 정상적인 뇌활동에 있어 필수적인 것으로 여겨지며, 그 불균형은 조현병 (Schizophrenia), 자폐장애 (Autism), 뇌전증 (Epilepsy), 레트 증후군 (Rett syndrome)과 같은 다양한 신경 장애 및 신경발달 장애의 발병에 기여하는 것으로 알려져 있습니다.

신경전달에 관련한 연구들은 주로 시냅스 후 뉴런에 대한 전기생리학적 분석을 바탕으로 하는 경우가 많지만, 시냅스 전 뉴런의 축삭 말단에 존재하는 신경전달물질들을 내포하고 있는 시냅스 소포체들에 대한 직접적인 연구는 상대적으로 덜 이루어져 있습니다. 그에 대한 대표적인 이유 중 하나가 40 ~ 50 nm 직경의 매우 작은 시냅스 소포체들을 표적으로 하여 이미징 하는데 기술적인 한계가 있기 때문입니다. 하지만, 최근 들어서는, 고배율/고해상도의 이미징 기법들과 시냅스 소포체막에 존재하는 다양한 단백질들을 표적으로 하는 항체들이 개발됨에 따라 단일 시냅스 소포체를 대상으로 하는 연구들이 점차적으로 늘어나는 추세입니다. 특히, 2012년에 사이언스에 게재된 박효근 교수님의 논문은 단일 시냅스 소포체 내강에 단일 Quantum dot을 내포시킴으로써 소포체들의 개별적인 위치와 움직임, 그리고 exocytosis 등을 실시간으로 추적할 수 있음을 보여주었습니다. 이 연구의 후속 연구로서, 이번에 게재된 PNAS 논문은 억제성 시냅스 소포체의 exocytosis와 dynamics에 초점을 맞추어 흥분성 시냅스 소포체들과의 비교를 통해 그들의 특이성을 밝혀낸 것으로 억제성 신경전달의 기능적 특수성을 뒷받침할 만한 실험적 증거를 제시한다는 측면에서 과학적 의의를 가집니다.

이 연구의 접근법은 위에서 언급된 교수님의 논문에서 소개된 방법을 따르고 있기 때문에 프로토콜 정립에 따른 어려움 없이 연구를 진행할 수 있었지만, 실험을 통해 얻은 기존에 알려지지 않은 새로운 결과들에 대한 신빙성을 높이기 위해 수많은 반복실험을 해야 했고, 다양한 방식의 분석을 통해 그 결과들을 검증하고 해석하는데 많은 시간과 노력을 할애해야 했습니다. 하지만 고생 끝에 낙이 오는 것처럼 제가 수행해 온 연구의 결과물이 이렇게 좋은 저널에 게재되어 성취감을 느낍니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다.

저는 현재 홍콩과기대 생명과학부 소속으로 박효근 교수님 랩에서 연구를 진행하고 있습니다. 저희 랩은 TIRF, FRET, Dual-focus, Magnetic tweezer 등을 기반으로 하는 이미징 기법을 통해 synaptic vesicles, postsynaptic receptors, motor proteins, mitochondria 등을 single-level에서 실시간으로 추적 관찰함으로써 신경전달 및 세포내 물질 수송을 담당하는 motor proteins에 관련된 기초 연구와 함께 Huntington’s disease, Alzheimer’s disease와 같은 뇌신경 질환에 관련된 신경세포내 기작들도 연구하고 있습니다. 또한 새로운 이미징 기법 및 분석방법들을 개발하고 생물학적 연구에 적용하는 연구들도 함께 이루어지고 있습니다.

3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

요즘은 다학제간 연구 (Multidisciplinary study)가 강조되면서 학제간 융합연구들이 활발하게 진행되고 있는데요. 저희 랩만 보더라도 생명과학을 전공하는 학생들과 물리학을 전공하는 학생들이 함께 연구를 진행하고 있습니다. 이렇게 서로 다른 분야의 전공지식을 갖춘 학생들이 모여 함께 연구를 수행하면서 다른 방식의 접근법을 공유하고 서로 부족한 부분을 보완하면서 시너지효과를 발휘하게 되는 것 같습니다. 더군다나 제가 생명과학을 전공하는 학생으로서 그에 부합하는 연구주제를 가지고 연구를 수행하고 있지만 방대한 양의 데이터들을 정리하고 분석하기 위해 컴퓨터 프로그램을 많이 활용하게 됩니다. 그래서 프로그래밍에 좀 더 친숙한 물리학 전공의 랩 동료들에게 많은 도움을 받게 되고 그와 동시에 프로그램 코딩 능력의 필요성을 새삼 깨닫고 있습니다.

뿐만 아니라, 근래에 게재되는 생명과학 분야의 논문들을 보면 수학, 물리학, 공학적 접근방식을 활용한 사례들이 많으며 그를 통해 얻어진 높은 수준의 결과물을 보면서 다학제간 공동 연구의 중요성과 필요성을 충분히 실감하고 있습니다. 게다가 새로운 것을 발견하고 아직 해명되지 않은 과학적 질문에 답을 찾기 위해서는 그에 부합하는 새로운 접근법을 끊임없이 모색하고 개발하려는 시도가 필요하며, 그 과정에서 요구되는 새로운 지식들을 배우는데 노력을 게을리해서는 안 된다는 것을 자각하게 되었습니다.

4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

신경과학 분야는 인체의 가장 복잡한 체계 중 하나인 신경계를 대상으로 하는 연구 분야이기에 그에 관한 수많은 과학적 질문들과 그를 해명하기 위한 다양한 연구들이 끊임없이 활발하게 진행되고 있습니다. 그래서 날마다 쏟아져 나오는 새로운 연구결과들을 읽고 소화하는데 많은 시간과 노력이 필요합니다. 그리고 처음엔 생소하고 어려워 보이는 실험기법이나 분석결과들을 이해하는데 어려움이 따를 수 있지만 항상 필요한 배경지식들을 주도적으로 찾아 배우고 습득하는 연습을 해 나간다면 그러한 어려움은 차츰 해소될 것입니다. 또한, 직접 연구에 참여하면서 부딪히게 될 수많은 난관들에 힘든 시간을 보낼 때도 있지만, 낙심하거나 피하지 말고 적극적인 태도로 문제해결에 집중하다 보면 결국에는 해결할 수 있습니다. 저는 연구 역량에 있어 가장 중요한 부분은 ‘연구활동 중에 맞닥뜨린 문제에 대해 자신이 얼마나 주도적으로 그 문제를 해결할 수 있는가’ 라고 생각합니다. 따라서, 연구활동 중에 마주한 크고 작은 문제들을 직접 해결하며 쌓아온 경험들은 결국엔 연구 역량의 성장과 함께 성공적인 연구성과로 이어질 것입니다.

5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

현재 후속 연구로서 inhibitory spontaneous synaptic vesicles의 exocytosis 및 dynamics에 관한 연구를 진행하고 있습니다. 덧붙이자면, spontaneous synaptic vesicles의 exocytosis를 통해 방출된 신경전달물질을 매개로 이루어지는 spontaneous synaptic transmission은 시냅스의 구조와 기능을 유지하는데 매우 중요한 역할을 합니다. 그러나 이것은 활동전위에 의존적인 evoked synaptic transmission과는 구별되는 신경전달의 한 형태로서 활동전위에 독립적인 체계 아래 작용하는 것으로 여겨져 왔습니다. 하지만 최근 보고된 연구결과들은 억제성 시냅스에서 그들 사이의 경계가 완전히 분리되어 있지는 않음을 보여주고 있습니다. 그러나 그러한 결과들은 대부분 postsynaptic receptors의 반응에 따른 전기생리학적 분석을 기반으로 하고 있으며, presynaptic terminals 내에 synaptic vesicle pools에 관련된 직접적인 증거들은 아직까지 충분히 제시되어 있지 않습니다. 따라서, 현재 연구는 억제성 시냅스에서 spontaneous vesicle pool과 evoked vesicle pool이 뚜렷하게 분리되어 있는지, 그리고 evoked vesicles과 비교하여 spontaneous vesicles의 exocytosis와 dynamics에는 어떤 특이성이 존재하는가에 초점이 맞춰져 진행 중에 있습니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들....

이번에 처음으로 한빛사를 통해 제 논문이 소개되는 기회를 얻게 되어 기쁩니다. 저의 첫 논문이 좋은 저널에 게재될 수 있도록 저를 이끌어 주신 박효근 교수님께 정말 감사드리고 더불어 논문 작업동안 많은 건설적인 코멘트와 방향을 제시해 주신 뉴욕대학의 Richard W. Tsien 교수님과 싱가폴 국립대학의 정상용 교수님께도 감사 인사를 드리고 싶습니다. 그리고 이 연구에 참여한 연구실 동료 Chen Xingxiang을 비롯한 다른 공저자분들도 감사드립니다. 저의 후속 논문도 다시 한번 한빛사에 소개될 수 있길 바라며 인터뷰할 기회를 주신 한빛사 관계자 분들께도 감사 인사를 전합니다.