멘톨 껌이나 치약을 사용할 때 우리는 실제 온도가 낮아지지 않았음에도 강한 시원함을 느낀다. 최근 미국에서 활동 중인 한국인 과학자가 극저온 전자현미경(cryo-EM)을 활용해 멘톨이 인체 ‘냉각 센서’에 결합하는 분자적 작동 원리를 규명하면서 그 비밀이 과학적으로 밝혀졌다. 이번 연구는 이온채널 단백질 TRPM8의 구조와 활성화 과정을 정밀하게 분석해, 감각신호가 어떻게 생성되는지를 구조생물학적으로 설명했다는 점에서 큰 의미를 가진다.
이온채널과 TRPM8의 구조적 특징
우리 몸에는 온도를 감지하는 특수 단백질이 존재한다. 그중에서도 TRPM8(Transient Receptor Potential Melastatin 8)은 대표적인 냉각 수용체 이온채널로, 약 26도 이하의 온도에서 활성화되며 차가움을 인식하게 한다. TRPM8은 세포막에 자리 잡은 단백질로, 특정 자극이 가해지면 통로가 열리면서 칼슘 이온과 나트륨 이온이 세포 안으로 유입된다. 이 이온 흐름이 바로 전기적 신호로 변환되어 신경계를 통해 뇌로 전달된다. 이번 연구의 핵심은 TRPM8의 3차원 구조를 원자 수준에서 확인했다는 점이다. 극저온 전자현미경 기술은 단백질을 급속 냉각해 자연 상태에 가깝게 고정한 뒤 구조를 촬영하는 방법이다. 이를 통해 연구진은 멘톨이 TRPM8의 특정 결합 부위에 어떻게 자리 잡는지, 결합 이후 단백질 구조가 어떻게 변형되는지를 직접 관찰했다. 그 결과, 멘톨은 TRPM8 단백질 내부의 소수성 포켓에 결합하면서 이온통로가 열리도록 구조적 변화를 유도하는 것으로 확인됐다. 즉, 실제 온도가 내려가지 않아도 단백질 구조가 ‘차가운 환경’과 유사한 상태로 변형되면서 채널이 활성화되는 것이다. 이 발견은 단순한 감각 설명을 넘어, 분자 수준에서 냉각 감각의 스위치가 어떻게 작동하는지를 명확히 제시한 성과로 평가받고 있다.
멘톨 결합과 감각신호 전달 과정
멘톨이 TRPM8에 결합하면 이온채널이 열리고, 세포 내로 양이온이 급격히 유입된다. 이 과정은 신경세포 막전위를 변화시키며 활동전위를 생성한다. 생성된 전기 신호는 말초신경을 따라 척수와 뇌의 체성감각 피질로 전달된다. 이때 뇌는 해당 신호를 ‘차가움’으로 해석한다. 흥미로운 점은 멘톨이 실제 온도 변화 없이 동일한 신경회로를 활성화한다는 사실이다. 즉, 뇌는 물리적 온도와 화학적 자극을 구분하지 않고 동일한 TRPM8 경로가 활성화되면 이를 냉각 자극으로 인식한다. 이는 감각이 단순히 외부 환경의 물리적 상태를 반영하는 것이 아니라, 수용체 단백질의 활성 여부에 의해 결정된다는 점을 보여준다. 이번 구조 분석은 멘톨이 결합한 상태와 결합하지 않은 상태의 TRPM8을 비교함으로써, 채널 개방의 ‘스위치 메커니즘’을 시각적으로 설명했다. 특히 단백질의 특정 아미노산 잔기가 멘톨과 상호작용하면서 회전하거나 이동해 통로를 확장시키는 장면이 확인됐다. 이 발견은 향후 통증 완화제나 피부 냉각제 개발에도 중요한 단서를 제공한다. TRPM8은 통증 조절과 염증 반응에도 관여하기 때문에, 선택적으로 채널을 조절할 수 있다면 보다 정밀한 의약품 설계가 가능해질 전망이다.
구조생물학이 밝힌 냉각감각의 미래
구조생물학은 단백질의 입체 구조를 규명해 생명현상의 원리를 설명하는 학문이다. 이번 연구는 감각 수용체를 원자 수준에서 분석함으로써, 감각의 본질을 이해하는 데 한 걸음 더 나아갔다. 특히 극저온 전자현미경 기술의 발전은 과거 X선 결정학으로는 보기 어려웠던 막단백질 구조를 정밀하게 밝혀내는 데 결정적 역할을 했다. TRPM8 구조 규명은 단순히 멘톨의 시원함을 설명하는 데 그치지 않는다. 이는 온도 감각 이상 질환, 신경통, 만성 통증 치료 연구로 확장될 가능성을 가진다. 또한 화장품, 구강청결제, 스포츠 쿨링 제품 등 다양한 산업 분야에서 과학적 설계 기반을 제공할 수 있다. 2026년 현재, 감각 수용체 연구는 인공지능 기반 단백질 예측 기술과 결합해 더욱 빠르게 발전하고 있다. 구조 데이터가 축적되면서 특정 자극에 선택적으로 반응하는 맞춤형 분자 설계도 현실화되고 있다. 멘톨의 작동 원리 규명은 그 출발점 중 하나로, 인체 감각 시스템을 이해하는 데 중요한 전환점이 되고 있다.
멘톨이 차갑게 느껴지는 이유는 실제 온도 변화가 아니라 TRPM8 이온채널의 구조적 변화 때문이다. 극저온 전자현미경을 통한 구조 분석은 감각신호 생성 과정을 분자 수준에서 밝혀냈다. 앞으로 냉각 감각 연구는 의약·헬스·뷰티 산업까지 확장될 전망이다. 최신 과학 연구를 꾸준히 확인하며 우리 몸의 감각 원리를 더 깊이 이해해보자.