과학자들은 과일파리 유충이 전기장을 감지할 수 있다는 사실을 발견했다

인간에게는 생소한 감각일지 모르지만, 전기 감각은 동물계에서는 비교적 흔한 현상입니다. 상어, 벌, 심지어 오리너구리까지도 주변 환경의 전기장을 감지하는 이러한 능력을 공유합니다.

UC 산타바바라의 과학자들은 초파리를 그 목록에 추가했습니다. 마티유 루이가 이끄는 연구팀은 초파리 유충이 뇌에 있는 작은 감각 뉴런을 이용하여 전기장을 감지하고 음전위 방향으로 이동할 수 있다는 것을 발견했습니다.

Current Biology 에 게재된 이 연구 결과는 엄청난 가능성을 제시합니다. 초파리는 유전학, 신경생물학, 노화 등 매우 다양한 분야의 연구 기반이 되는 가장 널리 사용되는 실험 동물입니다. 초파리의 전기수용성을 밝혀냄으로써 이러한 감각의 기저에 대한 새로운 연구 방향이 열리고, 나아가 생명공학 분야의 새로운 기술 개발로 이어질 수 있습니다.

초파리에서 여섯 번째 감각을 발견하다

"우리에게 전기 감각은 큰 의미가 없을지도 모릅니다. 우리가 전기 감각에 반응하지 않으니까요. 하지만 많은 동물에게 전기 감각은 실제로 매우 중요하다는 인식이 점차 커지고 있습니다."라고 분자세포발생생물학과 부교수인 루이스는 말했습니다.

그래서 그는 선충류인 C. elegans(흔히 모델 생물로 사용되는 또 다른 동물)에서 이러한 능력이 발견되었다는 소식을 듣고, 초파리도 이러한 능력을 가지고 있는지 궁금해했습니다.

당시 루이스의 학생이었던 공동 저자 줄리아 리들은 생물학 연구에서 흔히 쓰이는 기술인 겔 전기영동법을 이용해 연구를 시작했습니다. 겔 전기영동법은 전기장을 이용하여 분자를 작은 기공을 가진 겔 속으로 밀어 넣는 기술입니다. 이 기술은 DNA 조각을 분류하는 데 자주 사용되지만, 리들은 이 기술을 이용해 초파리 유충을 전기장에 담갔습니다.

현재 임페리얼 칼리지 런던에서 근무하는 리들은 "실험실을 운영하는 사람이라면 누구나 이 장치를 가지고 있습니다."라고 말했습니다. "DNA를 넣는 대신 유충을 그 위에 놓았더니 매우 강력한 행동이 나타났습니다." 유충은 방향을 바꾸고 음극 쪽으로 이동하기 시작했습니다.

감각의 현지화

연구팀은 동물의 반응을 관찰한 후, 그 반응을 담당하는 뉴런을 찾고자 했습니다. 이를 위해 신경계의 여러 부분을 차단할 방법이 필요했습니다. 그래서 GAL4 유전자를 표적으로 삼았습니다. GAL4와 같은 프로모터 유전자는 세포 기관이 유전자 발현의 중요한 단계인 DNA를 RNA로 복제하기 시작할 지점을 알려주는 신호 역할을 합니다.

GAL4가 활성화되면 변형된 형태의 파상풍 독소 생성이 촉발됩니다. 이는 분자적 "방해물"처럼 작용하여 표적 뉴런이 다른 뉴런과 소통하는 것을 방해합니다. 연구팀은 다양한 뉴런에서 GAL4가 발현되는 유충 계통을 이용하여 특정 뉴런 집단을 침묵시켜 동물의 행동 변화를 관찰할 수 있었습니다.

연구팀은 여러 뉴런을 침묵시킴으로써 어떤 뉴런이 전기적 감각에 중요한 역할을 하는지 알아낼 수 있었습니다. 연구진은 유충 머리 양쪽 끝부분, 후각과 미각을 담당하는 부위에서 관심 뉴런을 발견했습니다.

리들은 뉴런이 활성화될 때 형광을 내는 단백질을 코딩하는 유전자를 삽입하여 실시간으로 그 활동을 추적할 수 있었습니다. 현미경으로 머리 부분을 전기장에 노출시켜 초기 발견을 확인했습니다. "특별한 분석은 필요 없어요." 그녀는 말했습니다. "뉴런이 정말 반응하면 형광이 나죠."

"솔직히, 믿을 수가 없었어요. 너무 확실했거든요." 그녀가 덧붙였습니다.

실제로 이 클러스터에서 단 하나의 뉴런만이 전기장에 반응했습니다. 전극이 머리 앞에 있을 때는 뉴런이 억제되었고, 전극이 머리 뒤에 있을 때는 활성화되어 유충이 방향을 바꾸도록 유도했습니다.

불확실성을 줄이기 위한 노력

루이스와 리들은 루이스가 스페인 바르셀로나에 있는 유전체 조절 센터(CRG)의 연구원으로 재직하던 2009년에 이 연구를 시작했습니다. 그는 "완성하는 데 15년 이상이 걸렸기 때문에 흥미로운 프로젝트입니다."라고 말하며, "과학 마라톤과도 같습니다."라고 덧붙였습니다.

그 이유 중 하나는 전기장은 측정하고 시각화하기 어려운 반면, 자기장은 일부 철 가루로 확인할 수 있기 때문입니다. 연구팀은 유충이 전류, 산도, 온도 구배와 같은 실험 설정의 다른 교란 요인에 반응할 가능성을 우려했습니다.

루이스는 UCSB 교수진에 합류했을 때, 전기화학자 리오르 세푸나루와 기계공학자 알렉스 에덴과 교류할 수 있었는데, 그들은 실험에서 전기장을 모델링할 수 있었습니다. 에덴은 연구진에게 실험 환경의 특성을 분석하는 데 필요한 정교한 시뮬레이션을 제공했습니다. 루이스의 연구실이 시뮬레이션을 실행하는 데 익숙하기는 하지만, "그 모델링은 우리가 일반적으로 할 수 있는 것보다 몇 자릿수나 더 뛰어납니다."라고 그는 말했습니다.

실험 조건을 더 잘 이해하게 되면서, 연구팀은 교란 요인들을 체계적으로 제거할 수 있게 되었습니다. 그들은 실험 기간 동안 산도가 변하지 않는 전해질 용액으로 전환했습니다. 또한 젤의 저항 가열에 대한 제어를 더욱 강화했습니다.

루이스는 "전류와 전기장 중 어느 것이 실제로 이러한 행동을 유발하는 요소인지 확인하기 위해, 우리는 둘 중 하나만 바꾸고 싶었습니다."라고 설명했습니다. "이 두 가지는 서로 밀접하게 연관되어 있기 때문에 이를 달성하기가 매우 어렵습니다."

에덴의 시뮬레이션은 한천 배지의 두께를 변화시킴으로써 이를 달성할 수 있음을 보여주었습니다. 결과는 그들의 가설을 뒷받침했습니다. 유충은 한천 젤에 유도된 전류가 아니라 전기장 자체에 반응했습니다. 그리고 전기장, 그 세기, 그리고 방향을 감지하는 것은 바로 뇌의 뉴런이었습니다.

적응 추측

저자들은 초파리 유충이 왜 전기 감각을 발달시켰는지 확실히 알지 못하지만, 그 과정에서 몇 가지 가설을 세웠습니다. 전기 감각은 유충이 서식하는 썩은 과일 속을 헤쳐나가는 데 도움이 될 수 있습니다. 초파리 유충은 며칠 만에 성장하기 때문에 과육이 부드럽고 당분이 많으며 알코올 함량이 낮은 곳을 빠르게 찾아야 합니다. 루이스는 발효를 통해 전기적 기울기가 생성될 수 있으며, 이를 이용하여 초파리가 길을 찾을 수 있다고 설명했습니다.

게다가 사과의 내부는 꽤 어둡습니다. "진화 과정에서 발달하는 감각은 환경의 물리적 특성을 나타냅니다."라고 리들은 덧붙였습니다. "그러니 전기장이 있다면 왜 감지하지 못하겠습니까?"

또는 동물들이 포식당하는 것을 피하는 데 도움이 될 수도 있습니다. 날아다니는 곤충은 양전하를 띠기 때문에, 양전하를 싫어하는 이러한 행동은 초파리 유충이 성충이 되기 전에 최대 90%의 유충을 잡아먹을 수 있는 기생벌을 피하도록 돕기 위한 적응일 수 있습니다.

아니면 여러 가지 요인이 복합적으로 작용했을 수도 있는데, "과일의 더 유리한 부분으로 이끌기도 하고 말벌의 공격으로부터 멀어지도록 이끌기도 합니다."라고 리들은 말했습니다.

어느 쪽이든, 이 발견은 초파리 환경(Drosophila umwelt)에 대한 더 나은 설명을 제공합니다. 초파리 환경은 특정 종의 생물이 감각 기관과 지각 체계를 통해 형성되는 세상을 인지하고 경험하는 방식입니다.

추가 질문 및 새로운 기회

과학자들이 연구한 대부분의 동물에서 전기 수용은 정전기에 반응하여 움직임을 감지하는 기계 감각 구조를 포함합니다. 이는 갓 엉킨 빨래를 풀 때 팔 털이 씰룩거리는 것과 비슷합니다. 그러나 연구진은 초파리 유충에서는 이러한 현상을 관찰하지 못했습니다. 뉴런은 전기장에 직접 반응하는 것으로 보였습니다.

저자들이 아직 찾지 못한 숨겨진 장치가 있을 수도 있고, 이 전기 감각 뉴런에서 매우 흥미로운 일이 일어나고 있을 수도 있습니다.

또한, 이 감각을 담당하는 뉴런은 후각과 미각을 감지하는 세포군에 내장되어 있습니다. 실제로 문제의 뉴런은 여전히 ​​쓴맛에 민감하게 반응하는 유전자를 발현합니다. 두 자극 모두 동일한 반응을 유발하기 때문에, 세포가 전기장과 쓴맛 모두에 반응할 가능성이 있습니다. 아마도 전기장의 양극이 초파리 유충에게 쓴맛과 유사한 감각을 유발하기 때문에, 초파리 유충은 전기장을 피하는 것 같습니다.

연구팀은 이번 발견을 전기 감각을 더 폭넓게 이해하기 위한 한 걸음으로 보고 있습니다. 루이스 연구실 박사과정생이자 공동 저자인 데이비드 타드레스는 "전기장을 감지할 수 있는 다양한 동물들이 있습니다. 하지만 이들 중 어느 것도 모델 생물이 아니기 때문에 전기 감각의 유전적 기반을 파악하기가 매우 어렵습니다."라고 말했습니다. 하지만 초파리는 온갖 유전적 문제를 연구하는 데 필수적인 생물이기 때문에 연구팀은 이 감각에 관여하는 유전자를 식별할 수 있기를 기대하고 있습니다.

전기 감각의 기전을 연구하는 것은 단순히 동물의 감각 체계를 이해하는 것 이상의 의미를 지닙니다. 세포는 종종 전기장과 전류에 반응하여 움직입니다. 루이스는 초파리 연구는 상처 치유의 중요한 요소인 이러한 행동에 대한 실마리를 제공할 수 있다고 설명했습니다.

이 발견은 새로운 연구 도구 개발로 이어질 수도 있습니다. 예를 들어, 조류의 빛 반응 유전자는 광유전학, 즉 빛을 이용하여 유전자 발현과 신경 활동을 직접 제어할 수 있는 기술의 발전으로 이어졌습니다. 이러한 활동을 원격으로 제어하기 위한 모든 분자 도구는 세포에 직접 접근해야 하는데, 이는 상당히 침습적일 수 있습니다. 하지만 전기장을 이용하는 기술은 간단히 조직 내로 침투할 수 있습니다.

루이스는 "작은 초파리 유충에서 새로운 감각 양식을 연구하는 것은 생명공학에 새로운 방향을 열어줄 수 있다"고 말했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/04/250409115412.htm