1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드
뇌가 어떻게 작동하는지 연구하기 위해서는 뇌세포의 활동을 readout 할수 있는 tool이 필요합니다. 제가 개발한 Archon voltage sensor는 뇌세포의 활동을 fluorescent signal로 바꾸어 현미경을 이용하여 광학적으로 뇌세포의 활동을 관찰할수 있게 하는 voltage sensitive protein입니다. 이러한 neural activity reporter중 calcium 을 타겟으로 하는 sensor(GCaMP)는 현재 neuroscience분야 연구에 가장 많이 적용되고 있는 tool중에 하나 입니다. 하지만 calcium sensor들은 반응속도가 느리고 voltage를 직접 report하는 것이 아니라서 실제 실험에 적용가능한 voltage sensitive protein을 개발하는것이 neuroscience분야의 중요한 topic중 하나입니다.
현재까지 많은 voltage sensor들이 개발되어왔고, 2015년 science에 처음으로 voltage sensor를 mouse in vivo에서 테스트한 논문이 발표 되었습니다. 하지만 excitation spectrum이 겹쳐 opotogenetic tool과 함께 사용할수 없고 photostability가 낮아서 실제 실험에 적용되기에는 한계가 있었습니다. 저희가 개발한 Archon voltage sensor는 near infrared excitation (635nm)으로 기존의 optogenetic tool들과 스펙트럼이 달라 함께 사용할수 있고 또 photostability를 수십배 높여 in vivo study 에 적합한 voltage reporter입니다. 이번 논문에서 개발된 Archon을 이용하여 zebrafish model에서 처음으로 single neuron, single axon 단위의 recording을 하였고, 또 subthreshold synaptic activity도 recording 하여 뛰어난 sensitivity를 증명하였습니다. C.elegans, Drosophila, zebrafish, 그리고 mouse in vivo expression 에서 이상적인 membrane localization을 보여주어 다양한 neuroscience 분야에 적용될수 있음을 증명하였습니다. Archon을 개발하기위해 robotic cell picking tool과 single gene delivery 기술을 적용하여 수십만개의 mutant library를 mammalian cell에서 screening 하였고, 이 high throughput, directed molecular evolution in mammalian cell 기술은 다양한 protein 개발에 적용될수 있습니다.
처음에 랩에 조인하여 voltage sensor를 개발하기 위해 protein engineer인 Kiryl Piatkevich와 팀을 이루어 screening method를 만들고 10 milion 이상의 mutant library를 스크린하여 최종 ~10개의 candidate을 선별하였는데, response kinetic 이 submilisecond 단위로 나올것으로 예상했는데 second 단위의 너무나도 느린 반응속도가 나와 좌절하고 프로젝트를 접을 위기에 처한적이 있었습니다. 둘다 거의 포기 상태였고 제가 마지막으로 한번만 더 확인해보겠다고 혼자 neuron을 관찰하는 도중 imaging program에 autoscale setting이 잘못 되어 있는것을 발견하고 다시 확인해본결과 최종 candidate 모두 submilisecond 단위의 아주 빠른 반응속도를 가지고 있는것이 확인되어 그 늦은 저녁 실험실에서 동료들과 함께 소리 지르며 기뻐했던 기억이 떠오릅니다.
2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다.
제가 연구를 진행했던 Synthetic Neurobiology lab은 optogenetics 분야의 선구자이신 Ed Boyden 교수님의 지도하에 뇌과학분야의 다양한 기술들을 연구하고 있습니다. Opsin actuator와 sensor를 비롯한 다양한 molecular tool을 개발하고 있고, 또 최근 발표한 Expansion microscopy 기술로 다각도의 neural network mapping을 시도하고 있습니다. 지도교수님이신 Ed Boyden 교수님은 opsin을 이용하여 뇌세포의 activity를 조절하는 optogenetics 분야를 개척하신 분으로 2016년 Breakthrough Prize의 수상자 입니다 (CRISPR를 개발한 버클리의 Jennifer Doudna 교수님이 2015년에 수상한 life science분야의 가장 큰 상중 하나 입니다). 유명하신 교수님덕분에 PhD와 포닥들 합하여 50명정도의 큰 연구실이 운영되고 있습니다. 그만큼 다양한 전공의 사람들이 어울려 재미있는 프로젝트들을 많이 진행하고 있습니다.
저희 연구실은 MIT 산하 Media Lab 소속입니다. 미디어랩에 속해있는 26개의 연구실중 실제 벤치에 앉아서 pipette을 가지고 일하는 곳은 저희 연구실 포함 3곳뿐이고 나머지 23개의 랩들은 social media, personal robot, art work, future of music 등 다양한 주제를 가지고 학제간 융합연구를 하는 곳입니다. 한 건물안에서 이토록 다양한 분야의 연구와 이벤트들이 이루어지기 때문에 항상 활기찬 분위기속에서 연구할수 있었습니다.
3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람
연구내용 발표 전후로 수십곳의 연구소들로부터 construct request를 받았습니다. 그만큼 이 분야에 관심이 높고 또 좋은 neural activity reporter가 neuroscience 분야의 발전을 위해 꼭 필요하다는 것을 보여줍니다. 저희가 개발한 Archon voltage sensor를 이용하여 여러 실험실에서 다양한 연구가 진행되고 있고 또 좋은 결과가 나오는 것을 보며 보람을 느낍니다.
4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?
저는 학사,석사,박사를 기계공학과에서 bio와 전혀 관련 없는 주제로 학위를 받았습니다. 우연한 기회로 optogenetics 분야에 흥미를 가지게 되어 그 분야의 선구자이신 지금의 지도 교수님께 메일을 드리고 정말 우연한 기회로 지금의 연구실에서 박사후 연구를 하게 되었습니다. 지금도 돌이켜보면 불가능한 일인것 같은데 운칠기삼으로 이제 neurosciece분야에 첫발을 내딛게 되었습니다. 길이 없는것 같아도 포기하지 않고 두드리면 언젠가는 기회가 올것이라고 생각합니다.
5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?
Biologist들에게 필요한 tool을 개발하고 또 이를 이용하여 학계의 발전에 도움이 되는 연구를 하고 싶습니다.
6. 다른 하시고 싶은 이야기들....
이제 시작하는 입장에서 인터뷰를 하는것이 조심스러웠지만 그동안 도움주신분들께 감사의 인사 드릴 수 있는 기회라 생각하여 인터뷰를 하고자 마음먹었습니다. 석사과정 지도교수님이셨던 김상수 교수님, KAIST 입자공학 연구실 선후배님들 감사합니다. 좋은 시절 힘든 시절 멘토가 되어주시는 정아람 교수님 감사합니다. Cornell 에서 같이 공부하며 만난 소중한 인연들 허윤석 교수님, 최인희 교수님, 강필규 교수님 감사합니다. MIT에서 같이 연구하며 많은 도움 주셨던 장재범 교수님, 호준씨, 영규씨, 정석씨 감사합니다. 한글을 읽지는 못하지만 싸우며 다독이며 같이 연구 진행한 Kiryl에게도 감사의 말 전합니다.
불가능같았던 박사과정 유학, 전혀 다른분야에서의 박사후 연구, 결혼과 육아 모두 포기하지 않게 하였던 가장 큰 원동력은 사랑하는 부모님과 가족들이었습니다. 특히 먼 미국까지 오셔서 손주들 돌봐주시며 진정한 사랑이 무엇인지 몸소 보여주고 계신 어머님, 감사드린다는 말씀만으로는 너무 부족합니다. 어머님 진심으로 사랑하고 존경합니다. 이번 생은 운좋게도 정말 좋은 사람을 만나 건강한 가정을 꾸리고 하고 싶은 일을 하며 살아가는 것에 하루하루 감사합니다. 고박사님, 우리 애린이 그린이랑 함께하는 그 과정을 즐기며 천천히 한 걸음씩 가보아요! 우리 가족 건강하고 서로 사랑하는 것에 항상 감사하며, 자만하지 않고, 제가 받았던 도움 소외되고 아픈 아이들에게 돌려주며 함께 살아가는 사람이 되겠습니다.