혀에 있는 미각세포가 단맛, 짠맛, 신맛, 쓴맛을 어떻게 감지할까? 뇌가 어떻게 이 신호들을 다양한 맛으로 해석하는지 그 미각의 비밀을 벗긴다.
데이비드 스미스(David V. Smith)와 로버트 마골스키(Robert F. Margolskee)

쵸코바를 한입 베어 물면 입 안 가득히 어떤 느낌을 받을까? 우선 쫄깃하고, 달콤하고, 부드러운 맛이 느껴지고, 곧이어 꿀꺽 삼키는 순간 쌉싸름한 초콜릿의 진한 맛이 물씬 퍼지면서 초콜릿 향이 코 끝을 간지럽힌다. 특히, 향은 풍미(Flavor)의 필수 요소이다. 코감기 환자가 맛(Taste)을 느끼지 못하는
것을 보면 알 수 있다.
풍미는 맛(미각), 향(후각), 그리고 씹히는 느낌(촉각) 등의 복합적인 감각이 모두 인지되어 완성된다. 식품 관련 과학자들은 씹히는 느낌을 종종 "입의 촉감"이라고 표현한다. 풍미와 맛을 혼동하는 경우가 많은데, 엄밀히 말해 맛은 입안의 미각세포에서 일어나는 감각에 국한된다.
인간이 인지하는 맛의 종류는 일반적으로 짠맛, 신맛, 단맛, 그리고 쓴맛 등 4가지로 설명된다.
그 외에 우마미(Umami, 譯註: (일본어) 旨味 또는 甘味)라는 제5의 맛이 존재한다는 주장이 일부에서 제기되고 있다. 20가지 아미노산 중의 하나인 글루탐산은 육류, 어류, 콩 속의 단백질을 구성하는 아미노산이며, 우마미(Umami)는 이 글루탐산에 의해 감지된다.
글루탐산은 조미료MSG(Monosodium Glutamate, 글루탐산나트륨)의 형태로 음식 맛을 좋게 하기 위하여 사용된다. 지난 수년간 필자를 포함한 연구진이 미각 작용의 원리를 밝혀내는 데 큰 기여를
하였다. 마골키스(필자)등 여러 신경생물학자들이 미각세포가 단맛, 쓴맛이 나는 화합물을 감지하는 주요 단백질의 정체를 밝혀냄과 동시에 이들 단백질이 시각 작용에 관여하는 단백질과 유사하다는
사실을 알아냈다. 또한 스미스(필자)를 포함한 연구진은 뇌신경세포 뉴런이 한가지 이상의 맛에
반응한다는 증거를 발견했다. 이는 망막으로 들어온 시각 자극을 처리하는 뉴런이 한가지 이상의
색상에 반응하는 원리와 유사하다. 지금까지 베일에 가려있던 미각의 비밀이 하나씩 드러나고 있다.


미각 감지 시스템
맛을 감지하는 미각세포는 꽃봉오리처럼 생긴 미뢰(Taste Bud)
속에 들어있다. 미각수용기인 미뢰는 혀와 연구개(Soft Palate)에 주로 분포한다. 혀 점막의 미뢰는 대부분 유두상돌기(Papillae) 속에 들어있다. 혀 표면은 미세한 유두상돌기로 분포되어 융단처럼 부드럽다.
단, 가장 많이 분포하는 모상돌기(Filiform, 실 모양)에는 미뢰가 없기 때문에 맛이 아닌 감촉을 담당한다. 미뢰가 들어있는 유두상돌기 중에서 혀 앞쪽에 분포하는 용상돌기(Fungiform Papillae, 버섯모양)가 가장 눈길을 끈다. 이들 용상돌기에는 미뢰가 한개 이상씩 들어있다.
연분홍색 반점형태의 용상돌기는 혀끝에 주로 분포하는데 우유를
마신 직후나 색깔있는 음식을 혀끝에 떨구면 쉽게 관찰할 수 있다.
혀 안쪽에는 V자를 엎어놓은 형태의 유곽돌기(Circumvallate Papillae, 벽 모양)가 대략 12개 정도 분포하며 이 속에 미뢰가 들어있다. 또한, 혀 뒷부분 가장자리에 있는 작은 홈 형태의 엽상돌기(Foliate Papillae, 잎 모양) 속에도 들어있다.

  미뢰는 양파모양을 하고 있다. 그 속에는 50-100개의 미각 세포가 들어있으며 각각의 세포마다 미세융모(Microvilli)라는 길쭉한 꼭지가 몇 개씩 돌출되어 미뢰표면의 미공(Taste Pore)에 연결되어 있다. 미각자극물질(Tastant), 즉, 음식이 입 속에서 침에 녹으면 미공을 통해 미각세포와 접촉한 후, 미각수용기로 알려진 세포의 표면단백질과 반응하거나 이온채널이라 불리는 기공형태의 단백질과 반응한다. 이들 반응은 미각세포 내에서 전기변화를 일으켜 화학신호로 뇌를 자극한다.
  뇌에 즉각적인 신호를 전하는 미각세포의 내부 전기변화는 전하를 띠는 원자나 이온의 농도에 따라 달라진다. 뉴런과 같은 미각세포는 평상시 내부에는 음전하를 띠고 주변에는 양전하를 띤다.
그러나, 미각자극물질이 들어오면 여러 과정들에 의해 전하농도가 변화하여 미각세포 내부의 양이온 농도가 높아진다. 결국 미각세포 안팎의 전하농도차가 없어진다. 이러한 탈분극으로 인해 미각세포에서 미세한 화학물질 신호주머니, 즉 신경전달물질이 방출되어 미각세포와 연결된 뉴런이 즉각적으로
전기적인 메시지를 전달한다.

   동물과 사람을 대상으로 연구한 결과를 보면, 맛과 특정 화합물 간에 정해진 상관관계가 있는 것은
아니다. 특히 쓴맛과 단맛을 주는 미각자극물질이 그렇다. 예를 들어, 대다수 탄수화물이 단맛이 나지만 그렇지 않은 탄수화물도 있다. 오히려 전혀 다른 종류의 화합물이 동일한 감각을 유발하는 경우도 있다. 화학구조가 설탕과는 전혀 다른지만 클로로포름과 인공감미료인 아스파르테임과 사카린 등을 달콤하다고 인지한다. 짠맛이나 신맛을 유발하는 화합물은 보통 이온이며 그리 다양하지는 않다.
  짠맛과 신맛을 내는 물질은 이온채널을 통해 직접 작용한다. 반면에, 단맛과 쓴맛을 유발하는 물질은 우선 미각세포표면의 수용기와 결합한 후 세포 내부로 수많은 신호물질의 전달을 유발하여 결국 이온채널의 개폐를 유도한다. 1992년 마골스키는 동료 수잔 맥래플린(Susan K. McLaughlin), 피터 맥키논(Peter J. McKinnon)과 함께 이들 신호물질의 핵심분자를 파악하였다. 그들은 이 분자의 이름을 망막세포 단백질인 트랜스듀신(Transducin)과 비슷하게 거스트듀신(Gustducin)이라고 지었다. 트랜스듀신은 망막을 때리는 빛의 신호를 전기적 자극으로 전환시켜서 시각을 완성시키는 핵심 단백질이다.

  거스트듀신과 트랜스듀신은 둘 다 각종 감각수용기 아래쪽에 분포하는 G-단백질이다. G-단백질이라는 이름은 이런 단백질의 작용을 조절하는 구아노신 3인산(GTP, Guanosine Triphosphate)에서 유래되었다. 마치 열쇠가 자물쇠에 철컥 맞는 것처럼 미각자극물질분자가 해당 미각수용기와 결합되면 곧바로 거스트듀신의 서브유닛(기본 구성 단위)이 분리되면서 생화학 반응을 일으켜 결국 이온채널을 열고 닫으면서 세포 내부를 좀더 많은 양전하로 채운다.
   1996년 마골스키는 동료 그웬돌린 옹(Gwendolyn T. Wong), 킴벌리 게논(Kimberly S. Gannon)과 함께 거스트듀신의 세 가지 서브유닛들 중에서 한가지가 결핍되도록 쥐의 유전자를 조작하여 실험한 결과, 달고 쓴 화합물의 맛을 인지하는 과정에서 G-단백질이 필수불가결하다는 사실을 증명하였다. 정상 쥐와는 달리, 유전자변형을 가한 쥐는 단것을 선호하지도 쓴 것을 기피하지도 않았다. 달콤한 용액을 반기는 기색도 없었고, 쓰디 쓴 용액은 맹물처럼 마셔댔다. 게다가 거스트듀신이 결핍된 쥐의 주요신경에서 단맛과 쓴맛을 내는 미각자극물질에 대한 전기적 반응은 감소한 반면 소금과 산 화합물에는 여전히 반응할 수 있었다.

   지난해 두 팀의 과학자들이ㅡ샌디에고에 있는 캘리포니아 대학의 하워드 휴 의학연구소(Howard Hughes Medical Institute, HHMI)의 찰스 쥬커(Charles S. Zuker)와 치과 및 두 개안면국립연구소의 니콜라스 리바(Nicholas J. Ryba)가 이끄는 연구팀과 HHMI의 연구원 린다 벅(Linda B. Buck)이 이끄는 하버드 의대 연구팀ㅡ쥐와 인간을 대상으로 실험한 결과, 쓴맛 나는 자극물질과 결합하여 거스트듀신을 활성화시키는 실질적인 수용기를 밝혀냈다. 일명 T2R, TRB라고 이름 붙여진 수용기들이 이와 관련된 40-80여 개의 수용기군의 일부 라는 사실을 알아냈다.
   쥬커와 리바 연구팀은 이들 쥐의 두 미각수용기인 mT2R5와 mT2R8을 입력한(encoding) 유전인자를 실험실에서 배양되는 세포 속에 주입한 결과, 이 유전자조작 세포가 두 가지의 쓴맛 나는 화합물에 노출되었을 때 활성화된다는 사실을 알아냈다. 연구자들은 특정 변종 쥐에서 mT2R5를 입력한 특이 변형 유전자가 항곰팡이물질인 안티바이오틱 사이클로헥사마아드(Antibiotic Cycloheximide)의 쓴맛을 감지하는 능력을 갖고 유전되는 경향에 주목하였다. 이는 T2R 수용기를 입력한 유전자가 쓴맛의 감지에 작용한다는 사실을 알려준다. 이들 연구진은 현재 단맛을 감지하는 수용기를 파악하기 위해 연구하고 있다.

   일본 과학자들이 말하는 우마미라는 맛의 수용기에 대한 연구도 활발히 진행 중이다. 우마미는 고기맛(Meaty) 또는 감칠맛(Savory) 쯤으로 번역될 듯하다. 1998년 마이애미 대학의 니루파 차우드하리(Nirupa Chaudhari)와 스테판 로퍼(Stephen D. Roper)가 쥐 조직에서 아미노산인 글루탐산과 결합하는 수용기를 분리하였고, 이 수용기에 의해 우마미라는 맛을 느끼는 것이라고 주장했다.
   그러나 이 주장을 접한 다른 과학자들은 우마미가 단맛, 신맛, 짠맛, 쓴맛만큼 중요한 제5의 맛이라는 의견에 대해 여전히 회의적이다. 비록 글루탐산 맛이 독특하긴 하나, 유독 일본어에만 그 맛을 표현하는 단어가 있기 때문이다.

   맛이란 것은 단순히 4가지(혹은 5가지) 미각자극물질에 대한 수용기와 미각세포 내에서 일어나는 생화학반응만을 가지고 설명할 수는 없다. 우리는 미각정보를 짠맛, 신맛, 단맛, 쓴맛의 성질로만 생각하는 경향이 있지만, 미각 시스템은 그 외 다른 화학 자극의 성질로도 구성되어 있다. 우리는 맛의 강도를 감지하고, 그것이 입맛에 맞는지 맞지 않는지 아니면 그 중간쯤인지를 판단하게 된다. 미각경로에 분포하는 뉴런들은 시각시스템의 뉴런이 형태, 밝기, 색상, 움직임을 감지하는 것과 마찬가지로 여러 가지 맛의 정보를 동시에 기록한다. 미각 뉴런은 접촉과 온도자극에도 역시 반응한다.

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뇌의 미각
   과학자들은 각 뉴런이 소금이나 설탕과 같은 한가지 미각자극물질에만 반응하여 한가지 맛을 감지하는지, 아니면 한가지 이상의 맛을 감지하는지를 밝히기 위해 꾸준히 연구해왔다. 스미스(필자)와 그의 동료들이 연구한 결과에 따르면, 주변미각뉴런과 중앙미각뉴런 모두가 한가지 이상의 자극에 반응한다. 각 뉴런이 하나의 미각자극물질에 가장 강하게 반응하지만, 하나 이상의 다른 맛에도 대개 반응한다.

   만일 뉴런마다 여러가지 다른 맛의 자극에 반응한다면, 뇌가 어떻게 그 다양한 맛을 인지할까?
거대하게 구성된 뉴런에 독특한 작용패턴이 만들어져서 그것이 가능하다는 견해가 지배적이다.
   이러한 생각은 미각을 연구하는 과학자들의 복고적 동향을 잘 나타낸다. 1940년대 초 브라운대학의 칼 파프만이 실시한 미각감지뉴런에 대한 초창기 전기생리학적 연구 결과에 따르면, 주변뉴런은 한가지 맛을 나타내는 자극에 특이하게 반응하는 것이 아니라 여러 맛에 대한 스펙트럼(반응 분포)을 갖는다. 파프만은 어느 단일세포의 작용이라고 보기가 힘들기 때문에 미각뉴런들 간의 작용패턴에 의해 맛이 표출된다고 주장했다. 그러나 1970년대와 1980년대에 많은 과학자들이 개별 뉴런이 주로 한가지 맛을 감지한다는 사실을 나타내는 자료를 내놓기 시작했다. 그들은 이들 자료가 특정 세포의 작용이 어느 일정한 맛을 나타내는 증거라고 해석했다. 이것을 레이블라인 가설(labeled-line hypothesis)이라고 한다. 이 가설에 따르면, 설탕에 가장 잘 반응하는 뉴런의 작용은 "단맛"을, 그리고 산에 가장 잘 반응하는 뉴런의 작용은 "신맛"을 나타낸다.

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