[커버스토리] 세포 하나만 있으면 바이러스는 10만 개로 늘어

우리는 지금 메르스의 습격으로 몸살을 앓고 있습니다. 중동호흡기증후군으로 불리는 이 병은 메르스 코로나 바이러스가 일으킵니다. 최근 미국은 조류독감으로 4700만 마리의 조류를 살처분했습니다. 독감을 일으키는 인플루엔자 바이러스가 조류를 통해 전파된 탓이죠. 대체 바이러스는 무엇이고 얼마나 위험하기에 난리가 난 걸까요?

지피지기백전불태(知彼知己百戰不殆)란 말을 떠올리며 바이러스에 관한 모든 것을 준비해 봤습니다. ‘상대를 알고 나를 알면 백 번 싸워도 위태롭지 않다’는 뜻입니다. 적에 대해 모를수록 두려움은 더 커지게 마련이니까요. 바이러스와 백 번 싸워 백 번을 이길지는 모르겠으나, 적어도 위태로운 상황에 빠지는 일은 방지할 수 있을 겁니다.

병을 일으키는 대표적인 미생물에는 곰팡이(진균)와 박테리아(세균), 그리고 바이러스가 있습니다. 미생물은 눈으로 볼 수 없는 작은 생물을 말합니다. 세균의 크기는 0.2~10㎛(마이크로미터, 100만분의 1미터)인 반면 바이러스는 나노미터(10억분의 1미터) 단위로 측정할 만큼 작습니다. 워낙 작아서 인류가 바이러스를 발견한 시기도 늦은 편입니다. 러시아 식물학자 드미트리 이바노프스키는 1892년 식물 광합성 조직을 파괴해 담배 수확을 감소시키는 담배모자이크병을 연구 중이었습니다. 그는 병에 걸린 담뱃잎 추출물을 미세한 도자기 여과기로 걸렀습니다. 세균을 통과시키지 않는 여과기로 의사들이 세균을 분리할 때 쓰는 도구죠. 그런데 병원체가 걸러지지 않자 이바노프스키는 여과기가 불완전하다고만 생각했습니다. 1898년 네덜란드 미생물학자 마루티누스 베이제린크가 같은 실험을 반복했고, 여과기를 통과할 만큼 작은 이 병원체를 ‘액상 전염성 바이러스’라 불렀습니다. 그것이 줄어 ‘바이러스’가 된 겁니다.

바이러스 연구가 급속도로 진전된 때는 1935년입니다. 미국의 생화학자 웬들 스탠리가 담배모자이크 바이러스를 결정체로 분리한 겁니다. 이 일로 그는 46년 노벨화학상을 받았습니다. 하지만 바이러스의 정확한 구조가 밝혀진 것은 50년대입니다. 전자현미경을 이용해 바이러스를 직접 관찰하기 시작한 이후죠. 또 바이러스가 살아 있는 숙주세포를 통해 증식한다는 특성도 밝혀졌습니다. 숙주란 어느 생물이 기대어 사는 상대 생물체를 말합니다. 인간을 포함한 동물과 식물, 세균·곰팡이 등의 미생물까지 바이러스의 숙주가 될 수 있죠.

바이러스는 어떻게 생겼을까

바이러스란 유전 정보를 둘러싼 단백질 껍질로 이뤄진 공 모양의 미생물을 말합니다. 생물의 기본 단위는 세포입니다. 하지만 신기하게도 바이러스에는 세포가 없습니다. 구조도 단순합니다. 유전 정보인 핵산과 핵산을 둘러싸고 있는 단백질 껍질인 캡시드(capsid)로만 이뤄져 있습니다. 보통 생물은 세포 안에 핵산인 DNA와 RNA를 모두 가지고 있지만, 바이러스는 둘 중 하나만 가집니다. 전체적인 형태는 각기 조금씩 다른데, 크게 세 가지로 나뉩니다. 가장 단순한 형태는 캡시드와 핵산만으로 구성된 바이러스입니다. 정이십면체 캡시드 안에 가늘고 긴 리본 모양의 RNA가 들어 있죠. 두 번째는 정이십면체의 캡시드 바깥을 피막(envelope)으로 둘러싼 바이러스입니다. 세 번째는 캡소미어(capsomere·캡시드의 구성 단위)가 소라껍데기처럼 빙빙 비틀린 나선모양으로 이어져 캡시드를 이룹니다.

바이러스의 종류는

바이러스는 핵산과 캡시드라는 단순한 구조로 돼 있기 때문에 혼자서는 결코 살아갈 수 없습니다. ‘DNA를 복제하는 장치’ ‘DNA의 유전 정보를 바탕으로 단백질을 만드는 장치’ 등 세포가 가진 기능을 이용해야만 증식이 가능하죠. 다시 말해 바이러스는 숙주의 도움 없이는 개체를 늘릴 수도 없습니다. 바이러스는 숙주에 따라 세균·동물·식물 바이러스로 나뉩니다.

세균 바이러스는 라틴어 ‘세균’을 말하는 박테리아(bacteria)와 그리스어로 ‘먹는 것’을 의미하는 파지(phage)를 붙여 ‘세균을 먹는 것’이라는 뜻의 박테리오파지(bacteriophage)라고 부릅니다. 말 그대로 세균을 숙주로 삼아 증식하죠. 동물 바이러스는 모든 척추동물과 무척추 동물 중 새우·가재 같은 갑각류를 포함한 절지동물을 숙주로 둡니다. 그중 특이하게 전이되는 바이러스가 있습니다. 아르보바이러스(arbovirus)인데요. 아르보바이러스는 숙주에는 해를 주지 않고 숙주가 문 포유동물에만 영향을 줍니다. 이렇게 중간에서 바이러스를 옮기는 역할을 하는 것을 벡터(vector)라고 부르는데요. 흔히 볼 수 있는 벡터는 바로 모기입니다. 바이러스가 모기의 세포에는 큰 영향을 미치지 않고 증식하되, 모기를 통해 포유동물에 들어오면 일본 뇌염과 뎅기열을 옮기는 것이죠. 식물 바이러스는 식물에서 식물로 전이되거나 어버이식물에서 자손식물로 전이됩니다. 식물 바이러스는 벡터와 연합해 바이러스를 퍼트리는데, 이때 벡터는 대부분 곤충입니다. 곤충이 주둥이로 식물 세포벽을 뚫는 때를 이용해 바이러스가 식물세포 안으로 들어가는 것이죠. 그래서 벼·밀처럼 중요한 식량자원에 바이러스가 퍼지면 벡터인 곤충을 제거하는 방법으로 자원을 보호합니다.

바이러스는 어떻게 수를 늘릴까

식물에만 감염되는 바이러스, 사람에게만 감염되는 바이러스, 인체 중에서도 간에만, 뇌에만 감염되는 바이러스 등이 따로 있습니다. 이렇게 바이러스가 나뉘는 이유는 바이러스 표면과 세포의 표면이 열쇠와 자물쇠처럼 잘 맞아야 바이러스가 세포 속으로 침투할 수 있기 때문이죠. 세포와 만난 바이러스는 핵산에 담고 있는 자신의 유전 정보를 세포에 집어 넣고 숙주세포의 DNA를 절단한 후 세포의 증식 기능을 이용해 자기 복제를 합니다. 복제된 바이러스들은 숙주세포를 뚫고 나가 또 다른 세포를 찾아 같은 방법으로 무한 반복하며 수를 늘립니다. 이런 방법으로 수를 늘리기 때문에 하나의 세포에서 10만 개나 되는 복제 바이러스를 만들 수 있습니다.

바이러스가 우리 몸에 들어오면

바이러스가 들어오면 우리 몸은 2단계의 면역 시스템을 발동해 보호합니다. 1단계에서는 내추럴 킬러세포(Natural killer cell, 이하 NK세포)라고 불리는 림프구와 인터페론(Interferon)이라는 단백질이 출동하는데요. 인터페론은 바이러스 감염 세포가 아직 감염되지 않은 세포에 보내는 일종의 신호입니다. 바이러스에 감염된 세포가 인터페론을 분비해 감염되지 않는 세포에 보내면 감염되지 않은 세포는 바이러스의 유전 정보를 담은 RNA를 분해하는 효소를 많이 생산해 바이러스가 들어와도 복제할 수 없도록 만들죠. NK세포는 바이러스 감염 세포를 찾아 파괴합니다. 그동안 우리 몸은 2차 반격을 준비해요. B세포라고 불리는 림프구가 바이러스와 결합해 항체를 만드는 것이죠. 항체는 알파벳 Y자 모양인데요. Y자의 끝 부분이 바이러스 표면과 같은 모양이에요. 바이러스의 열쇠가 세포의 자물쇠를 찾기 전에 항체가 Y자 열쇠를 꽂아 융합하지 못하도록 막죠. 이미 감염된 세포는 킬러 T세포를 출동시켜 파괴합니다.

바이러스가 일으키는 질병은

사람들은 바이러스의 존재를 모르던 오래 전부터 바이러스가 일으키는 질병을 앓아왔습니다. 1977년 이후 사라진 천연두는 폭스바이러스에 의한 질병입니다. 3000년 전부터 발생했다는 기록이 있습니다. 1918년 발병한 스페인 독감 역시 대표적인 바이러스 질병입니다. 6개월 만에 2000만 명 이상의 목숨을 앗아갔죠. 이들보다 더 무서운 것은 신형 바이러스들입니다. 최근 30년 사이 나타난 신형 바이러스는 30종이 넘는다고 하죠. 흔히 에이즈라고 불리는 후천성 면역결핍증(인간면역결핍 바이러스 HIV)과 사스라는 이름으로 알려진 중증급성호흡기증후군(중증급성호흡기증후군 코로나 바이러스), 신종플루로 통칭하는 신종 인플루엔자A(H1N1, 인플루엔자 바이러스), 조류 인플루엔자(AI, 인플루엔자 바이러스), 에볼라 출혈열(EVD, 에볼라 바이러스), 그리고 지금 국내에 유행 중인 중동호흡기증후군(MERS-CoV, 메르스 코로나 바이러스) 등이 있습니다.

글=황정옥·이세라 기자 ok76@joongang.co.kr, 일러스트=공민우, 참고도서=『생물의 과학 Life』(라이프 사이언스)『뉴턴 하이라이트, 몸과 질병 편』(뉴턴코리아)『바이러스는 과연 적인가』(경북대학교 출판부)

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