3'30" 읽기
망막에서 빛으로 유도된 신호 생성의 첫 번째 단계 해독

진정한 진화의 기적 “우리가 보는 것은 어떻게 시작되는가?”
망막에서 빛으로 유도된 신호 생성의 첫 번째 단계 해독

결정적인 단계는 1ps(피코초)밖에 걸리지 않는다. 빛이 우리의 망막에 닿으면 분자 스위치가 1조분의 1초 이내에 전환되어 분자 레티날이 모양을 바꾼다. 이 전환이 어떻게 일어나고 망막에서 일어나는 일이 처음으로 연구원들에 의해 직접 관찰되었다. 그들의 X선 자유 전자 레이저 이미지는 시각 과정이 어떻게 시작되고 시각 색소인 로돕신이 어떻게 빛 자극을 전기 신호로 변환할 수 있는지를 보여준다. 

▲ 빛에 의해 유도된 형태 변화 전후의 분자 망막. 그러나 이 접힘이 어떻게 일어나는지는 지금까지 문자 그대로 어둠 속에 남아 있었다. 사진에는 PSI의 공동 저자인 Gebhard Schertler. © Scanderbeg Sauer Photography

우리의 눈은 진정한 진화의 기적이다. 유연한 렌즈와 감각 세포의 정교한 연결 덕분에 원거리와 근거리를 명확하게 볼 수 있으며 강한 밝기 대비도 보정할 수 있다. 우리 망막의 감각 세포는 매우 민감하여 개별 광자를 인식할 수도 있다. 망막의 막대 세포에 있는 빛에 민감한 시각 단백질 로돕신이 이에 결정적이다. 빛 자극을 전기 신호로 바꾸는 일이 이 단백질에서 일어나기 때문이다.

스위치로서의 레티날

도대체 빛 자극을 신경 신호로 전환하는 것은 정확히 어떻게 작동할까? 로돕신의 중심에 있는 작고 구부러진 분자가 전환 과정을 촉발한다는 것은 오랫동안 알려져 왔다. 비타민 A의 파생물인 이 레티날은 빛에 노출되면 3차원 모양이 바뀌어 시각 색소를 켜기 때문이다. 레티날의 "접힘"은 일련의 반응을 유발해 궁극적으로 섬광을 보게 된다.

문제는 망막이 너무 빨리 뒤집혀서 이전에는 관찰된 적이 없다는 것이다. Paul Scherrer Institute의 수석 저자인 Valérie Panneels는 "망막 변형의 시작점과 최종 산물은 오랫동안 알려져 왔지만 시각 색소인 로돕신의 변화가 정확히 어떻게 일어나는지 실시간으로 관찰한 사람은 아무도 없었다"고 설명했다. 그녀는 이것을 등으로 나무에서 떨어졌지만 다 치지 않은 채 발로 착지하는 고양이에 비유한다. "문제는 다음과 같다. 고양이가 넘어지는 동안, 즉 등에서 배로 돌아서는 동안 어떤 상태를 가정할까?“

X선 레이저의 미세결정

이제 처음으로 Panneels, 제1저자인 Thomas Gruhl과 그들의 팀은 망막의 변형을 실시간으로 관찰하는 데 성공했으며, 따라서 고양이의 경우를 어느 정도 해독하는 데 성공했다. 이를 위해 연구원들은 소의 망막에서 로돕신을 분리하고 단백질이 결정화되도록 했다. 생성된 로돕신 미세결정 페이스트를 Paul Scherrer Institute의 X선 자유 전자 레이저 SwissFEL의 초기 어두운 샘플 챔버에 넣었다.

실제 측정을 위해 팀은 로돕신 미세 결정을 짧고 강렬한 레이저 펄스에 노출시켜 시각 색소의 빛 활성화를 촉발했다. 동시에 X선 레이저는 1, 10, 100ps(피코초) 간격으로 결정을 스캔하여 3차원 상태를 캡처했다. 이를 통해 연구원들은 소위 11-시스 형태라고 불리는 어두운 형태의 레티날이 처음으로 빛에 의해 활성화되는 올트랜스 형태로 변환되는 것을 추적할 수 있었다.

▲ 빛에 노출된 후 1피코초, 망막의 국부 전자 밀도가 변화하고(a; 노란색, 파란색 격자 구름) 분자의 일부가 회전한다(c; 빨간색=어두운 상태, 노란색=빛 활성화된 형태) © Gruhl et al. / Nature, CC-by 4.0

단 1ps 만에 트위스트 및 스트레치

분석 결과 망막은 1조분의 1초 만에 뒤집혀 자연에서 가장 빠른 과정 중 하나가 된 것으로 나타났다. 광자 충돌 후 단 1ps 이내에 이미지는 망막 분자를 따라 전자 분포의 명확한 변화를 보여주었다. 그 이유는 분자 내 여러 결합의 재배열로 인해 분자가 약간 회전하고 늘어sks다. 고양이가 떨어질 때 몸의 축을 중심으로 회전하는 것과 유사하다.

이러한 망막의 구조적 변화와 병행하여 주변 로돕신은 흡수된 빛 에너지로 인해 최소한으로 팽창한다. "레티날은 여전히 ​​말단에서 단백질에 화학적으로 결합되어 있지만 이제 회전할 수 있는 충분한 공간이 있다"고 Panneels는 설명했다. 이러한 회전 및 재배열은 레티날과 로돕신 사이의 반 데르 발스 힘에 의해 형성된 일부 결합을 파괴하여 에너지를 방출한다. 이 에너지는 시각 색소에서 감각 세포로 전기 신호로 전달된다. 시각 과정이 시작된 것이다.

"따라서 우리의 연구는 척추동물의 초기 시력 단계에 빛을 비추고 시각 색소의 광활성화 뒤에 있는 분자 메커니즘의 근본적인 측면을 밝힌다"고 연구원들은 썼다. 이제 처음으로 시각 단백질인 로돕신의 "주 스위치"가 빛에 노출되었을 때 어떻게 전환되는지 정확히 이해할 수 있게 되었다.
(Nature, 2023; doi: 10.1038/s41586-023-05863-6)
출처: Paul Scherrer 연구소

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]