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달고 짠 음식이 고혈압과 당뇨 같은 성인질환의 주요 원인임이 밝혀진 뒤, 현대사회에서는 조미료 사용을 줄여 싱겁게 먹는 ‘웰빙 식사’가 뜨고 있다. 하지만 수십 년간 소금과 설탕의 맛에 익숙해진 현대인에게 싱거운 식사가 쉽지만은 않다.



각종 성인질환을 앓고 있거나 신장질환을 앓고 있는 환자들에게 ‘싱거운 식사’에 대한 고민은 더 하다. 특히 신장질환을 앓는 환자는 나트륨이 거의 들어 있지 않은 무염식을 해야 한다. 쌀이나 밀로 쑨 죽에 간을 전혀 하지 않고 먹는 것처럼 맛이 싱거움을 넘어 밍밍하고 느끼하다.



소금(나트륨)이나 설탕(당) 없이도 입맛에 맞게 짜고 달게 먹을 수 있는 방법은 없을까. 전 세계 과학자들은 ‘뇌를 속여’ 싱거운 음식을 짜거나 달게 느껴지도록 만드는 맛 조절 기술을 개발하고 있다. 필자가 일하고 있는 한국식품연구원에서도 얼마 전 국내에서는 최초로 짠맛을 흉내 내는 ‘짠맛 조절물질’을 개발하는 데 성공했다. 소금이 아닌데도 뇌를 깜빡 속여 마치 소금을 먹은듯이 짠맛을 느끼게 하는 것이다.



간장 빚다 찾아낸 ‘가짜 짠맛’

우리가 이 물질을 찾아낸 재료는 3~4년 묵은 ‘재래간장’이었다. 메주에 소금과 물만 넣어 발효시키면 밑에 가라앉는 건더기와 국물이 생긴다. 건더기는 된장이고, 국물을 따로 떠내 자연에서 3~4년간 숙성시키면 재래간장이 된다. 필자는 예전부터 전통식품이 발효와 숙성을 거칠 때 생성되는 성분에 관심이 많았다. 발효 과정 중에는 식품 안에 원래 없었던 성분도 자연스럽게 생긴다. 여러 화학 반응이 복합적으로 작용하면서 많은 물질이 탄생하는 것이다. 그 중 하나가 연구팀에서 ‘KFRI-LHe’라 이름 붙인 짠맛 조절물질이다. 필자가 처음부터 짠맛 조절물질을 찾으려고 했던 것은 아니다. 원래는 식품에 존재하는 감칠맛을 내는 천연 펩타이드를 연구하고 있었는데, 실험 중간에 짠맛에 영향을 주는 결과가 여러 차례 나왔다. 소금이 아닌 물질이 소금처럼 짠맛을 내는 것이었다. 필자는 2005년 미국에서 열린 화학감각 학회에서 이 연구 결과에 대해 발표했다. 그때 우연히 만난 사람이 미국 버지니아 연방대 의대 생리학과의 존 데시몬 교수와 비제이 라이얄 교수였다. 그들은 맛 세포 표면에서 짠맛 물질이 붙을 수 있는 수용체를 발견한 사람들이었다.



미국에서는 이미 맛 조절기술에 대한 연구가 활발하다. 1968년 세계 최초로 맛과 냄새를 연구하기 위해 필라델피아에 세운 모넬화학감각연구소는 미각과 후각과 관련된 맛 조절기술에 대한 연구를 7~8년 전부터 진행 중이다. 데시몬 교수와 라이얄 교수팀은 특히 짠맛 조절 연구에 힘을 기울이고 있었다. 그들은 우리 팀이 우연히 발견한 ‘짠맛을 내는 물질’에 대해 함께 연구하자고 제의했다. 이렇게 연구가 시작됐다.



우리 몸은 어떻게 맛을 느낄까. 기본 맛은 단맛과 신맛, 쓴맛, 짠맛, 감칠맛 등 5가지로 알려져 있다. 오래전에는 감칠맛을 제외한 4가지 맛이 기본 맛으로 알려져 있었으나 최근 분자생화학과 생리학, 유전학이 발전하면서 미뢰 속에 감칠맛을 인식하는 맛 수용체가 있음이 알려지면서 감칠맛도 다섯 번째 기본 맛으로 인정받게 됐다.
 
맛을 내는 물질은 침이나 물에 녹아 분자 또는 이온의 형태로 분해된다. 혀에 오돌토돌하게 나 있는미뢰 속에는 맛 세포가 들어 있다. 맛 분자 또는 맛 이온은 맛 세포 표면에 달린 수용체에 붙거나 이온통로를 통해 맛 세포에 들어간다. 2가지 경로 모두 맛 세포를 자극시켜 맛 신호(맛을 전하는 활동전위 신호)를 생성한다.맛 신호는 맛 신경을 타고 뇌까지 전해진다. 뇌에서는 최종적으로 달고 시고 쓰고 짜고 감칠 나는 맛을 인식한다.



맛 조절물질이 뇌를 속이는 방법도 이 과정과 비슷하다. 우리 팀에서 개발한 KFRI-LHe은 소금에 들어 있는 나트륨이 아니지만 나트륨처럼 미뢰의 짠맛 수용체에 붙거나 막 이온통로를 거쳐 짠맛 세포를 자극한다. 그 결과 짠맛 신호가 생성돼 뇌까지 전해진다. 나트륨이 아닌 물질이 나트륨처럼 맛 경로를 이용해 짠맛을 느끼게 하는 셈이다. 짠맛 조절물질이 들어 있는 음식을 먹은 사람은 소금을 넣지 않았는데도 짭짤한 맛을 느끼게 된다.
 


자극의 인지 과정

자극이란 에너지로서 빛에너지, 소리에너지, 화학적에너지, 역학적에너지 등 형태가 다양하다. 감각이란 자극을 수용할 수 있는 수용기의 감각신경세포를 통해 뇌에 전달되는 활동 전위다. 뇌는 전달된 감각을 해석해 자극을 인지한다. 자극을 전달하는 과정에서 감각기는 자극을 막 전위의 변화로 전환시켜 활동전위를 형성한다. 이 활동전위는 신경전달물질을 통해 중추신경계로 전달된다.



막 전위

세포들은 세포막을 기준으로 세포질과 세포 외부 환경 간의 전하 분포 차이가 있다. 이러한 차이에 의해 전위차가 발생하는데 이를 막 전위라 한다.



신경세포(뉴런)

신경계의 기본 단위로 자극을 전달한다.







활동 전위

뉴런의 세포막에 있는 나트륨 펌프는 Na+을 세포 밖으로, K+을 세포 안으로 능동수송한다. 그 결과 휴지상태의 뉴런에서 막 바깥쪽은 Na+, 안쪽은 K+이 높은 농도로 유지된다. 휴지 상태의 뉴런에 역치 이상의 자극을 주면 <;그림 2>;의 ②와 같이 막의 투과성이 갑자기 변한다. 바깥쪽에서 높은 농도를 유지하던 Na+이 세포 안쪽으로 급격하게 들어간다. 이 결과 순간적으로 막 안팎의 전위가 바뀌어 안쪽이 양(+)으로, 바깥쪽이 음(-)으로 하전된다. 이 상태를 탈분극이라고 하며 30~40mV의 막 전위가 나타난다.



결과적으로 탈분극 상태의 전위와 휴지 전위의 차이는 약 100mV가 되는데 이를 활동 전위라 한다. 일시적으로 바뀐 막 전위는 <;그림 2>;의 ③과 같이 막 밖으로 방출되는 K+에 의해 다시 역전되는데 이를 재분극이라고 한다. 이와 같이 뉴런의 한 부분이 자극을 받아 활동 전위가 발생하면 <;그림 2>;의 ④와 같이 이웃한 부분으로 전류가 흐르고, 이것이 원인이 돼 축색의 말단까지 차례로 탈분극이 일어나게 된다. 이와 같이 탈분극이 축색을 따라 발생해 흥분이 이동하는 현상을 전도라고 한다. (건국대 2010학년도 모의논술 제시문 일부 참고)







감각수용기의 유형

감각수용기는 자극의 유형에 따라 기계적수용기, 화학수용기, 전자기수용기, 통각수용기로 구분된다. 기계적수용기는 물리적 변형을 감지해 탈분극이 일어난다. 화학수용기는 세포막에 존재하는 수용체에 자극 분자가 결합함으로 막 전위를 변화시킨다. 용질의 농도를 전반적으로 감지하는 수용기와 특정 분자에만 선택적으로 반응하는 특수수용기가 있다. 전자기수용기는 가시광선, 전기, 자기력등 다양한 전자기에너지를 감지한다. 가시광선수용기로는 눈이 있다. 뱀이나 전갈은 적외선수용기를 갖고 있다. 온도수용기는 차가움과 따뜻함을 인식하고 체온을 유지하게 한다. 통각수용기는 사람의 표피에 존재하는 노출된 수용기로 통각을 인식한다.



감각적 기만

생명체는 감각을 통해 환경에 대한 정보를 얻는다. 눈을 통해 환경정보를 얻는 과정을 생각해보자. 눈은 빛에 대한 감각기관이다. 운동선수를 볼 때, 운동선수에게서 나온 빛이 눈에 수용되고 시신경을 통해 대뇌에 전달되면 우리는 운동선수를 인지할 수 있다. 눈의 건강상태가 정상이라면, 동일한 상황에서 동일한 색깔의 빛을

동일하게 느낀다. 눈에 운동선수의 모습이 성립되는 상황과 동일한 빛이 눈에 쏘이면 눈은 이 빛을 수용하고 시신경을 거쳐 대뇌에 전달한다. 이 과정은 운동선수의 실제 모습을 보고 운동선수의 모습이 성립되는 과정과 동일하다. 그러므로 TV를 통해 동일한 빛을 자극으로 수용한 사람도 실제를 볼 때와 동일한 운동선수의 모습을 보게 된다.



다른 감각수용기에서도 이와 같은 예를 볼 수 있다. 인공 감미료는 정도의 차이는 있지만 단맛을 만들어내고, 합성향은 자연향과 유사한 향기를 만들어내며, 계의 가속도는 중력을 만들어 낸다. 이처럼 감각수용기는 수용기가 구분할 수 없는 차이를 갖고 있는 자극에 대해 동일한 감각을 형성한다.



감각수용기의 대체



감각 성립 과정에 대한 이해는 감각장애에 대한 해결책을 찾는 출발점이 된다. 선천적 혹은 후천적으로 소리의 진동을 청신경에 전달하는 달팽이관(와우)의 기능이 망가져 양쪽 청력을 잃었거나 고도난청인 환자의 경우, 인공 달팽이관 시술을

통해 소리를 들을 수 있다. 망막에 문제가 생겨 시력을 잃은 환자를 위해 인공 망막도 연구중이다. 이들 인공 감각수용기는 신경세포에 문제가 없는 경우 감각수용기를 대체할 수 있다. 만일 신경세포에도 문제가 있다면 이용할 수 없다. 신경세포의 문제가 있는 경우 이를 극복하기 위해 인공 감각수용기를 뇌와 직접 연결하는 방법을 도입한 경우도 있다. 뇌와 기계를 연결하는이러한 기술을 BMI 기술이라 한다(<;그림 3>;).







와우(달팽이관)가 손상된 사람을다시 들을 수 있게 해주는 인공 와우는 대표적인 뇌-기계 접속(BMI) 기술이다. 마이크(01)로 소리가 들어오면 언어합성기로 전달해(02) 코드신호로 바꾼 다음(03) 발신기로 보낸다(04). 발신기가 이 신호를 피부에 삽입된 수화기로 보내면(05) 수화기가 전기신호로 바꿔(06) 인공 와우로 전달한다(07). 인공 와우의 전극이 전기신호를 받아 청신경을 자극해(08) 소리를 듣게 된다.
  





 

Q. 생각해 봅시다 CCD(Charge Coupled Device)를 이용해 컬러 사진을 얻기 위한 방법을 제시하시오.