과학자들이 밝혀낸 ‘코로나19’ 바이러스 정체는?

사람한테서 발견된 7번째 코로나
유전자 염기 수, 인플루엔자의 2배
점액 친화력 높아지고 결합력 껑충
뾰족한 돌기 단백질로 세포에 침투
감염 5일까지 바이러스 배출 절정

사스 바이러스 게놈과 80% 일치
유전적 거리 가까워 ‘사스2’ 명명
계통분류 기준상 사스와 같은종
중간숙주 동물은 아직 못 밝혀내

‘코로나19’ 바이러스 구조도. 미국 질병통제예방센터 제공 

삽시간에 팬데믹(세계적 대유행병)으로 번진 ‘코로나19’ 치료제와 백신 개발, 예방법을 알아내기 위한 연구가 한창이다. 세계 100여개 연구기관들이 연구 결과를 신속하게 무료 공개하고 있고, 세계보건기구 데이터베이스에 올라 있는 관련 연구출판물은 1700개가 넘는다. 보건기구의 바이러스 감시망(GISAID)에는 500개에 이르는 게놈 정보들이 공유돼 있다. 생체분자를 영하 150도 이하로 얼려 원자 수준에서 입체적으로 들여다보는 극저온전자현미경(Cryo-EM)의 활약도 눈에 띈다. 2017년 노벨 화학상을 안겨준 기술이다. 과학자들은 그동안 코로나19 바이러스의 실체를 얼마나 알아냈을까?

과학자들의 눈에 가장 먼저 들어온 것은 바이러스의 큰 덩치였다. 그래봤자 크기가 0.1마이크로미터(1㎛=100만분의1미터) 남짓하지만, 유전물질을 이루는 염기 수가 약 3만개로 같은 계열 중 가장 작은 것의 4배, 인플루엔자 바이러스의 곱절이다. 아주 가까운 거리에서 대화·식사한 사람 간의 구강 감염이 많은 이유 가운데 하나다.

 

코로나바이러스의 구조는 유전물질 RNA와 이를 둘러싼 막으로 아주 단순하다. 이 막에는 돌기(스파이크) 모양의 단백질이 곳곳에 솟아 있다. 바이러스가 세포로 침투할 때 쓰는 도구가 이 단백질이다. 코로나19는 이 도구로 2003년 유행했던 사스(중증급성호흡기증후군)보다 4분의 1 짧은 기간에 사스의 10배가 넘는 사람을 감염시켰다. 이 엄청난 감염력과 전파력은 어디에서 왔을까?

바이러스 감염 과정은 세 단계로 진행된다. 우선 구강, 비강, 기도 등 호흡기관 표면의 점막에 흡착한다. 그다음 세포 표면의 수용체 단백질 `에이스투'(ACE2)와 결합한 뒤 세포막을 뚫고 안으로 들어간다. 우리 몸을 집에 비유하면 에이스투는 현관문, 바이러스는 침입자, 돌기 단백질은 침입자 손에 든 열쇠인 셈이다.

과학자들은 돌기 단백질의 인체내 점액 친화력이 높아진 것을 발견했다. 단백질을 구성하는 아미노산에 다당류(글리칸) 성분이 늘어난 것. 설탕물처럼 끈적한 성질이 강해졌다는 뜻이다. 이렇게 되면 음식물이나 물이 들어와도 잘 내려가지 않는다. 주철현 울산의대 교수(미생물학)는 “이런 부위가 4~5개 추가되면서 점액 친화력이 2~3배 증가한 것으로 추정된다”고 말했다.

세포와 결합하는 힘도 강해졌다. 과학자들은 대략 세 지점을 살펴보는 중이다. 먼저 돌기 단백질이다. 미국 텍사스오스틴대 연구진은 컴퓨터 시뮬레이션을 토대로 수용체 결합력이 사스 바이러스보다 10~20배 높아진 것으로 예측했다. 이들은 돌기 단백질에서 길쭉하게 삐져나온 부위의 모양이 세포 결합력을 높인 것으로 해석했다.

증식한 코로나19 바이러스(보라색)가 세포를 뚫고 나오고 있다. 미 국립보건연구원 제공 

효소를 주목하는 이들도 있다. 바이러스의 유전물질이 세포에 들어가려면 스파이크 단백질 활성화 효소가 필요하다. 그런데 바이러스엔 효소가 없다. 그래서 숙주 세포의 효소 도움이 필요하다. 게놈 분석 결과 코로나19의 돌기 단백질에 세포 내 퓨린 효소를 활성화하는 부위가 있는 것으로 추정됐다. 다른 코로나 바이러스에선 볼 수 없다. 그런데 퓨린은 폐와 간, 소장에서 두루 발견되는 효소다. 이는 코로나19 바이러스가 여러 장기를 공격할 수 있다는 걸 뜻한다. 또 다른 과학자들은 바이러스 표면의 헤마글루티닌 단백질에 주목한다. 헤마글루티닌은 감염력이 좋은 바이러스들에서 공통으로 볼 수 있는 물질이다.

주철현 교수는 점막 흡착력과 세포 결합력의 향상을 합치면 대략 감염력이 50배 높아진 것으로 볼 수 있다고 말했다. 물론 이는 어디까지나 예측이다. 주 교수는 “증식 기전이 제대로 규명되려면 많은 시간이 걸린다”며 “지금의 연구들은 가능성을 제시하는 것”이라고 설명했다.

전파력은 어떨까? 어느 정도 증식을 한 바이러스는 세포 밖으로 나온다. 또 다른 증식처를 찾아서다. 그런데 친화력이 강해 바이러스가 호흡기 상부에서부터 증식하니 작은 기침에도 밖으로 쉽게 튀어나온다. 그 비밀은 감염 초기의 엄청난 바이러스 배출에 있는 것으로 드러났다. 독일 연구진이 경증 환자를 대상으로 분석한 결과, 바이러스 농도는 감염 후 4일째에 정점을 찍었다. 이 시점에 환자 인후두에서 채취한 표본 1개당 바이러스 수는 사스 때보다 1000배 이상 많았다. 5일 후부터는 바이러스 수가 서서히 감소했다. 10일이 지난 시점에선 감염력이 사라졌다. 싱가포르와 중국 톈진에선 감염자의 3분의 2, 4분의 3이 감염 초기의 무증상자로부터 전염됐다는 분석이 나왔다. 감염자를 적극 찾아내 초기 격리하는 것이 그만큼 중요하다는 걸 보여주는 연구 결과들이다.

극저온 전자현미경으로 작성한 코로나19 바이러스의 돌기 단백질 구조도. 초록색 부분이 세포와 결합하는 영역이다. 텍사스오스틴대 제공 

그동안 인간한테서 발견된 코로나바이러스의 숙주는 대부분 박쥐였다. 박쥐는 포유류여서 사람과의 종간 감염 장벽이 낮다. 그러나 동굴에서 사는 박쥐가 사람과 접촉할 일은 거의 없다. 대개 중간숙주를 거쳐 사람에게 전파된다. 사스는 사향고양이, 메르스(중동호흡기증후군)는 낙타가 중간숙주였다. 사스와 사향고양이의 바이러스 일치율은 99.8%였다. 코로나19의 중간숙주는 어떤 동물일까? 지난 2월 중국에서 불법 거래되는 천산갑이 중간숙주라는 논문이 나와 시선을 끌었다. 유전적으로 99%가 일치한다는 것이었다. 천산갑은 비닐 모양의 등껍질이 있는 야행성 포유동물이다. 그런데 이는 전체 게놈이 아닌 돌기 단백질 수용체결합영역(RBD)의 일치율이었음이 밝혀졌다. 전체 게놈 일치율은 90.3%로 낮았다. 현재 가장 높은 일치율은 박쥐 코로나바이러스 96%이다. 그러나 RBD에선 큰 차이가 있다. 박쥐 직접 전파로 단정하기엔 여전히 무리가 있다. 추가로 연구해야 할 부분이다. 뱀을 중간숙주로 지목한 연구도 있었으나, 인간 코로나 바이러스는 포유류를 거쳐왔다는 점에서 공감을 얻지 못했다. 과학자들은 중간숙주를 거쳤든 아니든 인간에게 전파된 시기는 11월 초~중순으로 추정한다. 변이의 정도가 판단의 근거다.

국제바이러스분류위원회가 붙인 코로나19 병원체 정식 명칭은 `사스 코로나 바이러스2'(SARS-CoV-2)다. 일단 사스 바이러스와 같은 종에 속하는 것으로 분류했다. 유전적으로 매우 가까운 형제 관계로 본 것이다. 사스 코로나바이러스와의 유전적 일치율은 79.5%다. 특히 숙주 세포와 결합하는 방식은 사스 바이러스와 똑같다. 하지만 사스의 항체는 코로나19에선 힘을 쓰지 못했다. 앞으로 데이터가 쌓이면 계통 분류상의 위치가 달라질 수도 있다.

코로나바이러스는 감기를 일으키는 3대 바이러스로 꼽힌다. 코로나19는 사람한테서 확인된 7번째 코로나바이러스다. 21세기 들어서만 5번째다. 세계보건기구가 정한 코로나19 감염병의 정식 명칭은 `코비드-19'(COVID-19)다. ‘19’는 발생 연도인 2019년을 뜻한다. 앞으로 코로나 감염병이 주기적으로 일어날 수도 있음을 염두에 둔 작명이다.

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