코로나 기능과 변이의 원리
단백질은 구조가 기능 결정…아미노산 서열이 핵심
복제 오류로 서열에 변화 생기면 단백질 기능 변화
변이체의 생존 경쟁은 속도전…남보다 늦으면 도태
오미크론, 빠른 전파 속도로 집단면역·방역망 뚫어
유전자에 담긴 것은 단순한 정보일 뿐이다. 이 정보대로 생명의 기능을 수행하는 일꾼이 바로 단백질이다. 감염 같은 바이러스의 기능을 포함해 모든 생명 현상은 단백질에 의해 이루어진다. 아무리 복잡해 보이는 생명도 단백질과 유전자라는 두 중합체에 의해 유지된다. 중합체는 레고 조각을 반복적으로 연결해 만든 긴 막대기처럼, 기본 구성 요소가 반복적으로 결합된 것을 말한다. 여기서 유전자의 레고 조각은 4 종류의 핵산이며, 단백질의 레고 조각은 20 종류의 아미노산인 셈이다. 유전자와 단백질은 중합체라는 공통점은 있지만, 핵산과 아미노산의 물리 화학적 특성의 차이 때문에 유전자는 안정적이고 단백질은 다양한 구조 형성이 가능하다. 이런 특성을 바탕으로 유전자는 정보의 안정적 보관을 담당하고, 단백질은 다양한 기능의 구현을 담당하는 생명의 기본 원리가 작동한다.
핵산들은 크기나 화학적 특성이 비슷해 특정한 구조가 없이 긴 실 형태의 유전자가 만들어진다. 하지만 단백질을 구성하는 아미노산들은 크기와 화학적 특성이 다양하기 때문에, 중합 과정에서 저절로 접히고 꼬이고 뭉쳐져 일정한 형태의 구조를 만들게 된다. 이렇게 만들어지는 단백질의 삼차원 구조가 바로 기능을 수행하는 것이다. 즉 단백질의 구조는 기능과 동일한 의미다. 만약 아미노산의 결합 순서가 동일하면 항상 동일한 구조의 단백질이 만들어진다. 결국 아미노산의 결합 순서가 그 단백질의 기능을 결정하며 이 정보가 바로 유전자에 저장되어 있는 것이다. 이처럼 유전 정보에서는 순서가 중요하기에 서열(sequence)이라는 용어를 사용한다.설계도가 저절로 집이 되지 않는 것처럼, 유전자의 정보가 저절로 단백질이 되지는 않는다. 생명의 기본 단위인 세포는 유전 정보를 단백질로 만들어 주는 공장을 가지고 있다. 이 단백질 생산 공장은 세균에서 사람의 세포까지 모든 생명의 전제조건이다. 그런데 바이러스는 단백질 공장은 고사하고 기본 재료인 핵산이나 아미노산조차 가지고 있지 않다. 대신 숙주 세포를 떠돌며 공장을 몰래 사용한다. 외부에 떠도는 바이러스 입자는 무생물이지만 숙주 세포로 들어가면 생명이 되는 이중성을 갖는 것이 이런 이유다. 감염을 통해 숙주 세포 안으로 들어가면 세포의 단백질 공장은 바이러스 유전자에 포함된 정보대로 단백질을 만들기 시작한다. 단백질 공장은 유전 정보가 자기 것인지 바이러스 것인지 구분하지 못하기 때문이다.
이전 칼럼에서 바이러스 유전자는 자기 유전자를 복제하는 단백질, 숙주세포의 기능을 교란시키는 해킹 단백질, 그리고 자기 유전자를 포장하는 입자 단백질의 정보를 담고 있다고 하였다. 이 세 가지 정보들은 바이러스의 기능적 중요성에서 큰 차이가 있다. 특히 첫 번째 중합효소 단백질 정보가 바이러스의 핵심이다. 기본 단위인 핵산을 하나씩 차례로 연결해 유전자라는 긴 중합체를 만들기 때문에 ‘중합’ 효소라는 이름을 가지고 있다. 중합효소는 자신의 유전자를 복제해내는 생명의 기본 기능을 담당하는 단백질이다. 그런데 바이러스의 중합효소 단백질은 원시적이기 때문에 유전자 복제 과정에서 오류가 빈번하게 일어난다. 위에서 설명한대로 서열이 구조를 결정하기 때문에, 오류로 인해 서열에 변화가 생기면 만들어지는 단백질의 구조 즉 기능도 변한다. 이것이 코로나19의 유전자 복제에서 일어나는 돌연변이가 기능 변화로 연결되는 과정이다.해킹 단백질은 숙주 세포의 신호 전달을 방해하거나 속여서 바이러스 단백질 생산에 유리한 환경을 조성한다. 하지만 나노 크기의 바이러스 입자가 품을 수 있는 유전자 크기는 한계가 있어 다양한 해킹 정보를 가지고 다닐 수 없다. 따라서 특별한 세포 환경에서만 제대로 작동하도록 집중하게 되었다. 이런 특별한 환경을 가진 세포가 바로 숙주세포가 되는 것이다. 간단히 말하면 바이러스와 숙주세포에는 궁합이 존재한다. 조류 독감 바이러스가 사람을 직접 감염시키지 못하는 현상을 종간 장벽이라 하는데 이것이 바로 바이러스와 숙주세포 궁합이 달라서 발생하는 현상이다.돌연변이는 복제 과정에서 무작위로 발생하기에 바이러스 유전자의 어디에서라도 동일한 확률로 발생한다. 하지만 바이러스의 중합 효소와 해킹 단백질은 수십억년 동안 표적 숙주 세포에서의 복제와 증식에 적합하게 서열이 다듬어져 왔다. 지구 역사상 유례가 없는 단일 지배종인 사람의 경우는 바이러스가 증식할 수 있는 세포 내부 환경이 모두 동일하다. 현재 코로나19의 관점에서 사람은 유전자를 마음껏 퍼트릴 수 있는 광활한 블루오션이나 다름이 없다. 하지만 이를 반대로 생각해보면 사람 세포에 최적화된 정보의 돌연변이로 인한 구조 변화의 대부분은 치명적이라는 걸 의미한다. 자기 복제에 실패한 돌연변이 유전자는 절멸된다. 이런 이유로 현재 사람들을 감염시키는 코로나19 유전자 서열을 분석해보면 이 핵심 정보 부분에서는 돌연변이가 잘 관찰되지 않는다. 이는 이 부분에 돌연변이가 일어나지 않기 때문이 아니라 이 부분에 돌연변이가 일어난 유전자는 대부분 도태되었기 때문이다.이 현상과는 반대로 입자를 포장하는 단백질 정보를 가진 유전자 부위에서는 수많은 돌연변이가 관찰이 된다. 이 부위의 정보는 변화하는 전파 환경에 대응하는 새로운 기능 변이가 끝없이 선택되기 때문이다. 코로나 바이러스 입자는 숙주 세포에서 훔친 세포막을 주성분으로 바이러스 유전자가 만들어낸 구조 단백질이 결합해 만들어진다. 구조 단백질은 유전자를 보호하는 포장 기능과 완성된 입자를 새로운 숙주세포로 전달하는 주소 기능 두 가지를 가진다. 특히 이 주소 기능이 바이러스의 확산에 핵심 역할을 수행한다. 무생물인 바이러스 입자는 스스로 자기 숙주를 찾아다닐 수 없다. 또한 일단 세포에 들어가면 환경이 적합하지 않다고 되돌아 나올 수도 없다. 한번 들어가면 복제에 성공하든지 사라지든지 둘 중 하나다. 바이러스는 한 번뿐인 기회를 제대로 확인하기 위해 입자 표면에 탐침처럼 솟아 있는 돌기를 이용한다. 이 돌기가 숙주세포 표면의 특별한 수용체와 결합하며 안으로 들어간다. 이 특별한 수용체는 바이러스에 이 세포의 내부 환경이 복제에 유리한 환경이라는 것을 알려주는 일종의 문패인 셈이다. 코로나 바이러스가 가진 탐침 역할을 하는 돌기의 이름이 바로 스파이크 단백질이다. 아마 인류 역사상 언론에서 가장 많이 보도된 단백질일 것이다.지난 2년간 발생한 수많은 코로나19의 변이의 대부분은 스파이크 단백질 유전 정보에 돌연변이가 집중되어 있다. 생물학에서 변화는 경쟁에 의해 유발된다. 스파이크의 빈번한 변이는 치열한 경쟁에 의해 유도된 것이다. 바이러스는 부모형제도 동료도 없는 이기적인 유전자의 정수이다. 하나의 숙주세포에서 같이 만들어진 바이러스들이라도 각각 자기 복제만을 위해 경쟁한다. 코로나19 변이들의 생존을 걸고 하는 경쟁은 속도로 승패가 결정된다. 코로나19에 감염되면 면역이 형성되기 때문에 늦게 전파되는 변이 유전자는 도태된다. 반대로 빠르게 전파되는 변이는 성공적인 복제를 거쳐 다시 전파가 된다.전파의 속도를 결정하는 것은 스파이크 단백질의 구조다. 스파이크 부위 변이들은 다음 세 단계의 과정을 거쳐 일어난다.1. 유전자 복제 과정에서 스파이크 서열 정보에 돌연변이가 발생한다.2. 돌연변이 유전자에 의해 만들어지는 스파이크 단백질 구조가 변한다.3. 구조 변화로 숙주 세포의 표적 수용체와 더 잘 결합하게 되면 전파에 유리해진다.1번 돌연변이 발생 단계에서는 그 결과가 전파에 미치는 영향을 알 수 없다. 무작위로 복제 오류가 발생하기 때문에 수용체 결합능력이 더 떨어지는 구조가 만들어질 수도 있다. 이렇게 기존보다 기능이 떨어지는 경우는 전파 경쟁에 밀려서 자연 도태가 된다. 대신 더 뛰어난 능력을 획득하는 경우는 성공적 전파와 복제가 반복되면서 점차 우세종이 된다. 이런 관점에서 보면 변이는 유전자 정보 변화와 그것으로 일어나는 단백질 기능 변화를 실제 환경에서 실험하는 과정이 계속 반복되면서 등장하는 것이다.
‘그림1’은 가장 최근에 등장한 변이인 오미크론의 스파이크 단백질의 아미노산 서열과 실제 3차원 구조를 보여준다. 위는 처음 발견된 코로나19의 서열에서 돌연변이가 생긴 부위를 표시한 것이며, 아래는 돌연변이가 영향을 미치는 단백질의 구조를 빨간 점으로 표시한 것이다. 오미크론의 스파이크 부위에는 이전 우세종이었던 델타보다 2.5배 많은 36개의 돌연 변이가 집중되어 있다. 그만큼 구조 변화가 크고 기능도 대폭 변하게 된 것이다.정리하면 전파 속도의 기능적 우위라는 목표를 향해 시행착오(trials and errors)를 반복하는 것이 코로나19의 변이 과정이다. 근본적으로 이는 진화와 동일한 과정이다. 차이점이라면 사람의 경우 유전 정보에 변화가 일어나고 실험되기 위해서는 한 세대가 필요하지만, 바이러스는 순식간에 그 과정이 진행된다. 진화에는 방향성이 없다고 오해를 하는 경우가 많다. 하지만 돌연변이 등의 유전 정보의 변화 발생이 무작위인 것이지, 그 변화가 생존 경쟁을 통해 실험되고 선택되는 과정에는 방향이 존재한다. 이 방향을 결정하는 것이 바로 선택 압력이다. 코로나19의 경우 선택 압력은 집단 면역과 방역이며 이를 뚫어내는 것이 바로 전파 속도이다. 선택 압력을 이겨낸 변이가 등장하면 델타나 오미크론 같은 우려 변이가 되는 것이다. 편의상 코로나19라고 묶어서 말하지만 우리 주변에 돌아다니는 바이러스들의 유전자가 100% 동일한 경우는 드물다. 심지어 같은 오미크론이라도 돌연변이로 인해 유전자의 다양성이 늘어나고 있다. 현재 이 다양한 유전자들은 선택 압력 아래에서 계속 실험되고 있으며, 성공하면 다시 새로운 변이가 등장하게 되는 것이다.
이관희 박사는 “ACE2 수용체와 고감도 반도체 바이오센서를 결합하는 기술로 현장에서 변이 바이러스를 검출할 수 있는 진단 시스템의 개발을 가능하게 했다. 빠른 시일 내에 센서 표준화와 규격화를 거쳐 상용화할 예정이며, 이는 감염 예방 시스템 및 사회적 안전망 구축에 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.
김호준 박사는 “본 연구를 통해 개발한 합성 바이러스의 경우 감염력이 없기 때문에 BSL레벨이 낮은 곳에서도 취급이 가능하고 다른 바이러스 진단 플랫폼 연구에도 활용이 가능하다는 장점이 있다. 합성 바이러스를 활용한 고감도 정밀 검출 플랫폼 최적화 등에 대한 연구를 지속할 예정이다.”고 말했다.
#연구결과 개요
1. 연구배경
- 전염력이 강한 코로나19 변이 바이러스의 글로벌 확산으로 인해 사회/경제적 피해가 커지면서 감염병에 대한 선제적 대응을 위한 대책마련이 시급함
- 다양한 변이종의 출현으로 특정 유전자나 단백질 서열에 의존하는 기존 진단법으로 선제적 대응이 어려워짐에 따라 새로운 방식의 진단법 개발이 요구됨
- 본 연구에서는 현장에서 변이에 상관없이 활용할 수 있는 바이러스 검출기술을 개발함으로써 초기 방역과 확산 대응에 활용하여 바이러스 대유행을 방지하고 억제할 수 있는 기술 플랫폼 및 진단법을 개발하고자 함
2. 연구내용
- 코로나19 변이 바이러스를 확진할 수 있는 유전자 기반의 진단방법은 최소 수 시간 정도의 시간이 필요하며, 결과가 나올 때까지 격리를 해야되는 등 번거로움이 발생함. 따라서, 효율적인 방역을 위해서는 현장에서 빠르게 감염자를 선별할 수 있는 현장형 검출 시스템 개발이 필수적임
- 기존에 현장에서 사용할 수 있는 래피드 키트의 경우 항체 기반의 면역진단법을 활용한 것인데, 변이 바이러스가 계속 발생함에 따라 항체에 대한 바이러스 결합 감도가 감소할 수 있다는 연구결과가 나오고 있어 변이 바이러스 진단에 한계를 보이고 있음
- 본 연구를 통해 코로나바이러스의 감염 수용체인 ACE2를 활용하여 변이 바이러스의 범용적 검출을 유도하였음
- 실제 코로나바이러스의 크기, 구조 등 물리적 특성을 모사한 감염력이 없는 합성된 변이 바이러스를 이용하여 빠르고 안전하게 바이오센서 시스템의 선제적 개발이 가능해짐
- 현장형 반도체 기반의 바이오센서 및 ACE2 수용체를 활용하여 실제 코로나바이러스 (Wild-type) 및 감염을 유발하는 스파이크 단백질(Wild-type 및 Delta plus, Kappa 변이)이 결합 된 합성 변이 바이러스를 PCR 수준의 감도로 검출하는데 성공하였음
3. 기대효과
- 코로나바이러스 등 신종바이러스와 그 변이종이 지역 사회에 전파되는 피해를 막기 위해 감염자를 조기에 선별할 수 있는 초고감도 현장형 진단기술 확보
- 바이러스 모니터링 시스템의 구축을 통한 감염 예방 시스템 및 사회적 안전망 구축
- 보급형 이동식 센서를 개발하여 바이러스의 신속한 현장진단 및 방역체계 구축에 기여
베이징 겨울올림픽 개막이 9일밖에 남지 않은 가운데, 중국 방역 당국이 인권침해 논란이 일어 중단했던 코로나19 '항문검사'를 다시 부활시켰다.
영국 매체 '더선'에 따르면 베이징시 방역당국은 최근 주민 27명을 대상으로 항문 검체 채취 유전자증폭(PCR) 검사를 실시했다.
두 달 넘게 확진자 '0명'을 기록했던 베이징에서는 지난 15일 처음 확진자가 발생한 이후 현재까지 누적 환자가 50명을 넘었다.
항문 검사는 의료진이 면봉을 항문에 최대 5㎝가량 넣어 여러 번 회전시킨 뒤 검체를 채취하는 방식
받는 사람들은 하의를 벗어야 해 번거로울 뿐만 아니라 검사 과정에서 불쾌감과 굴욕감을 느낄 수 있기 때문에 중국 안팎에서 인권 침해 논란이 끊이지 않았다.
지난해 3월에는 베이징과 상하이, 칭다오 등 여러 대도시 방역 당국이 입국한 외국인을 대상으로 이 항문 검사를 강요했다는 주장이 나와 여러 국가에서 거세게 비판했다.
당시 가토 가쓰노부 일본 관방장관은 "중국 정부에 일본인이 중국에 도착한 뒤 항문을 통한 PCR 검사를 받아 심리적 고통이 크다는 의견을 전달했다"며 "일본인을 상대로 한 해당 검사는 면제해 달라고 전달했다”고 밝혔다.
미국 국무부도 "이 같은 검사 방식에 동의하지 않고 일부 공관 직원이 검사 대상이라는 점에 대해 외교 당국에 직접 항의했다"고 밝혔다.
이 검사법의 효과에 대해서는 중국 내에서도 의견도 엇갈린다.
중국 보건당국은 코로나19 바이러스가 호흡기보다 소화기에서 오래 살아 남아있을 수 있다며 항문 검사가 기존 검사법보다 훨씬 정확하다고 주장한다.
하지만 일부 학자들은 코로나19 바이러스가 호흡기를 통해 전파되기 때문에 주로 코와 목구멍, 후두 등 상기도에 분포하고 대변에서는 아주 드물게 검출돼 이 검사법이 비효율적이라고 말한다.
오후 9시까지 확진자 9218명 오미크론 초확산, 신규확진자 '1만명 시대' ... 전문가들, 내달 10만명
코로나19 신규 확진자가 26일 1만명을 넘어설 것으로 보인다. 방역당국은 다음달 오미크론 점유율이 90%를 넘겨 지배종이 되고 하루 확진자가 2만~3만명에 이를 것으로 예상했다.25일 오후 9시 기준
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