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미생물이야기 바이러스 소개 (Introduction to Virus)
2013-08-08 12:24:54
이엠생명과학연구원

바이러스 소개 (Introduction to Virus)

 

  얼마전에는 사스 (SARS, severe acute respiratory syndrome, 중증급성호흡기증후군) 가 최근에는 Al (avian influenza)가 세계의 관심을 모으고 있습니다. 이러한 질병을 일으키는 원인 균은 모두 바이러스로, 바이러스 질환이 얼마나 심각한지를 보여주는 한 예라 할 것입니다. 고생했다는 말로 사용되는 "홍역을 치르다"라는 말에 나오는 홍역이라는 말도 바이러스 질환으로 바이러스가 예나 지믁이나 중요한 모양입니다. 또한, 에이즈를 일으키는 HIV 바이러스를 이야기하지 않더라도 이제는 바이러스라는 이름이 결코 낫선 게 아닐 것입니다. 최근에는 컴퓨터의 보급에 따라  컴퓨터바이러스도 나타나 많은 사람들이 바이러스라는 이름을 그냥 나쁜 놈 정도로 사용하고 있기도 합니다. 바이러스 질환 중에는 사스나 에이즈처럼 최근에 나타난 것 (emerging viral diseases)도 있지만, 대부분의 바이러스 질환은 오래 된 것들이고, 아마도 인류가 존재하는 동안 계속하여 출현하고 있는 것으로 보고 있습니다. 마치 컴퓨터가 세상에 출현하면서 컴퓨터바이러스가 나타났고, 계속하여 새로운 것들이 만들어지는 것과 마찬가지 일 것입니다. 천연두와 같은 바이러스는 이미 인류의 역사기록에서도 보이고 심지어는 이집트의 미이라에도 그 흔적을 발견할 수 있을 정도로 오래된 바이러스입니다. 비록 천연두가 백신의 개발로 인하여 멸종되긴 하였지만, 대다수의 바이러스에서 그런 일을 기대하기는 어려운 형편이어서 인간은 바이러스와 더불어 살아가야 할 것으로 보여 집니다. 바이러스는 사람에게만 있는 것이 아니라 식물, 곰팡이, 세균 등에 이르기까지 모든 생명체에 존재합니다. 바이러스라는 말은 virulent (맹독의)라는 말에서 유래되었으며, 말 그대로 매우 독성이 높아서 사람에게 치명적인 병원체로 인식되고 있습니다.  사스뿐 아니라 독감, 에이즈, B형 간염, 일본뇌염 등과 같은 질병들은 잘 알려진 바이러스 감염증입니다. 또한, 바이러스는 동물에서도 중요한 전염병이기도 합니다. 요사이 유행하는 돼지콜레라와 같은 병이 가축의 바이러스 감염증의 하나이고, 광견병은 동물과 사람 모두에서 나타나는 바이러스 감염증입니다. 바이러스는 감염질환을 일으키는 것 외에 암 (cancer)과 같이 무서운 질병의 원인이 되기도 합니다. 그러나 바이러스가 언제나 나쁜 일 만을 하는 것은 아니고, 종종 유용하게 이용되기도 합니다. 바이러스는 간단한 구조와 조작의 용이성 그리고 세포에 침투하여 자라는 성질 때문에 연구목적이나 의학적으로 중요한 생명체이기도 합니다. 현재 널리 연구되고 있는 유전자치료 (gene therapy)에도 바이러스는 유전자를 옮겨주는 벡터로 이용되고 있고, 앞으로 많은 연구가 이루어질 나노생명공학 (nano biotechnolgy)에서도 그 이용가치가 큰 생명체입니다. 

 

       바이러스는 세균처럼 아주 작은 미생물이고 전염병을 일으키긴 하지만, 여러 면에서 세균과는 전혀 다른 생명체입니다. 바이러스는 심지어 생명체가 아니라고 생각되기도 하였고, 생물과 무생물의 중간자라고 여겨지기도 할 정도로 이상한 생명체 인 것입니다. 그러나, 바이러스는 분명히 생명체이며, 생물과 무생물의 중간자는 더더욱 아닙니다. 비록 바이러스가 생명체 밖에서는 아무런 활동을 하지 못하는 무생물과 같지만, 그것이 생명체 안에 들어오면 다른 살아있는 생명체와 다를 바 없이 왕성한 생명활동을 보여줍니다. 그러면, 바이러스가 어떤 생명체인 지에 대하여 간략하게 살펴보기로 합시다. 바이러스의 대표적인 특징을 들으라면 바이러스는 그 크기가 매우 작고 아주 간단한 구조를 가진 생명체라는 점일 것입니다. 보통 바이러스는 μm보다 작은 생명체로서, 대체로 100nm 정도의 크기를 가지고 있습니다. 기존의 생명체 중에서 가장 작은 생명체인 세균이 보통 몇μm 정도라는 점을 감안한다면 바이러스가 얼마나 작은지 짐작이 갈 것입니다. 그래서 세균은 광학현미경으로 볼 수 있지만, 바이러스는 전자현미경으로 보아야 그 모양을 볼 수 있습니다. 바이러스가 이렇게 작으면서도 생명현상을 보여줄 수 있는 이유는 그 구조가 매우 간단하기 때문입니다. 생명체는 그 크기가 크든 작든 간에 모두 세포라는 기본적인 구조를 기초로 하여 생명현상을 유지하고 있습니다. 예를 들어, 세균은 하나의 세포가 바로 생명체인 것이고, 사람과 같은 고등 생물은 여러 개의 세포가 모여서 이루어진 생명체입니다. 세포에는 세포막, 세포질 그리고 다양한 기능을 가진 작은 구조물들이 있어서, 세포는 스스로 생명활동에 필요한 에너지도 만들며, 단백질을 만들어 각종 대사과정을 수행하는 등, 다양한 생명활동을 유지하고 있습니다. 그런데, 바이러스에서는 이러한 세포라는 구조를 볼 수가 없으며, 단지 유전정보를 가지고 있는 핵산과 그것을 둘러싸고 있는 단백질 껍질만 존재하여, 스스로 에너지도 만들지 못하고 세포대사도 할 수가 없습니다. 그러므로 바이러스는 살아있기 위하여 다른 세포에 기생할 수밖에 없는 것입니다. 이런 점에서 보면 바이러스는 정상적인 생명활동을 하기 위한 구조물이 아니라, 단순히 게놈 (genome, 유전체) 만을 가지고 있으며, 자신의 게놈을 많이 만들어 종족을 보존하려는 생명체라고 보아도 무방할 것입니다. 또한, 바이러스는 세포로 구성된 생명체처럼 DNA와 RNA 핵산을 모두 가지고 있지 않고, 종류에 따라 DNA 핵산이나 RNA 핵산 중 하나만을 가지고 있을 정도로 단순합니다. 그래서 바이러스를 일반적으로 RNA 바이러스와 DNA 바이러스로 구분하기도 합니다. 이번에 문제가 되고 있는 사스바이러스는 RNA 핵산을 가지고 있는 RNA 바이러스 입니다.  

 

        바이러스가 이처럼 작고 간단한 구조를 가지고 있으면서도 생명현상을 유지할 수 있는 이유는 바이러스가 살아가는 데 필요한 대부분의 기능을 다른 생명체에서 빌려 쓰기 때문입니다.  바이러스가 빌려 써야 할 기능들은 세포 안에 존재하기 때문에, 바이러스는 자신의 증식을 위하여 절대적으로 세포 즉 숙주 세포에 기생하여 생활하여야하는 생명체 (obligate intracellular parasite)가 되는 것입니다. 그런 점에서 바이러스는 생명체 안에서는 생명체이지만, 세포 밖에서는 생명체가 아닌 단지 유기체일 뿐입니다. 바이러스는 아무 세포에서나 생명현상을 유지할 수 있는 것이 아니고, 바이러스마다 자신이 빌려쓸 수 있는 기능을 가진 숙주세포의 종류는 지정되어 있으며, 이 숙주세포의 범위는 바이러스마다 다양합니다. 그래서 바이러스를 숙주 세포에 따라 동물 바이러스 (animal viruses), 식물 바이러스 (plant viruses), 세균 바이러스 (bacteriophages) 등으로 나누기도 합니다.  사람 바이러스는 사람에 감염되는 바이러스를 말하며, 이들 중에는 사람에게만 감염되는 것이 있는가 하면, 사람과 동물 모두에 감염되는 것도 있습니다. 그런가 하면, 사람 바이러스는 사람 세포 중에서도 감염할 수 있는 세포가 있고 그렇지 못한 세포도 있습니다 (host range). 바이러스가 숙주세포에 감염되고 증식하는 과정은 바이러스의 종류에 따라 조금씩 차이는 나겠지만, 근본적으로는 매우 유사합니다. 바이러스가 특정한 숙주세포에 들어가기 위하여 바이러스의 어떤 단백질이 숙주세포 표면에 있는 특정한 수용체에 결합하여야 하는데, 이 상호작용은 대부분 매우 특이적 (specific) 이어서 바이러스가 감염할 수 있는 숙주세포가 정해지게 됩니다. 숙주세포에 결합한 바이러스는 숙주세포 안으로 이동하게 되고, 세포 안에서 자신의 핵산을 둘러싼 단백질 껍질을 제거하여 증식할 준비를 하게 됩니다. 이 과정을 껍질벋기 (uncoating)라고 부르며, 그 결과 바이러스의 핵산이 숙주세포의 세포질에 완전히 노출되게 됩니다. 바이러스는 이때부터 자신의 핵산을 대량 복제하고, 복제된 핵산을 이용하여 핵산을 둘러쌀 껍질단백질을 대량으로 생산하게 됩니다. 이 과정을 거쳐 만들어진 바이러스의 핵산과 껍질 단백질들은 서로 결합하여 한꺼번에 다량의 바이러스를 만들게 됩니다. 이러한 과정을 조립 (assembly)이라고 부르는데, 이 과정은 마치 공장에서 부품을 조립하여 물건을 대량 생산하는 것과 같습니다. 조립에 의한 바이러스의 증식과정은 세포로 구성된 다른 생명체가 증식하는 과정 즉 이분법 (binary fission)과 비교해 보면 매우 향상된 생산방법입니다.  이분법에서는 하나의 세포에서 단지 두 개의 세포만이 만들어지지만, 바이러스의 조립에서는 한꺼번에 다량의 바이러스가 만들어지는 것입니다. 이러한 바이러스의 증식방법은 세포의 증식방법에 비하여 월등히 개선된 방법으로, 세포증식이 가내수공업적 생산이라면 바이러스의 증식은 자동화 공장에서의 생산과 같다고 볼 수 있습니다. 숙주세포 안에 새로운 바이러스 입자가 많이 만들어지면 바이러스는 숙주세포로부터 세포 밖으로 방출되게 되고 (release), 이렇게 방출된 바이러스는 근처의 숙주세포에 감염되어 더 많은 바이러스를 생산하게 됩니다. 바이러스가 숙주세포에서 자라는 동안 숙주세포는 기능적으로 많은 피해를 받게 되며, 심지어는 죽을 수도 있습니다. 바이러스 감염에 따라 나타나는 숙주세포의 이러한 변화들은 결과적으로 감염된 사람에서 질병으로 나타날 수 있는 것입니다. 이는 마치 강도가 집에 들어와 피해를 주는 것과 비슷하며, 컴퓨터바이러스가 컴퓨터 시스템을 망가뜨리는 것과도 유사합니다.

 

         사람의 경우 바이러스에 감염되면 세균에 감염되어 병을 앓는 것처럼 질병에 걸릴 수도 있습니다 (viral diseases). 바이러스 감염은 아무런 질병을 일으키지 않는 경우도 있지만, 감염된 장소에만 국한된 국소적인 질환을 유도하기도 하고 심하면 전신 질환을 일으킬 수도 있습니다. 바이러스는 사람의 모든 세포에 동일하게 감염되는 것이 아니라, 그 사람에서 감염될 수 있는 숙주세포의 종류가 정해져 있습니다. 바이러스 질환의 최종적인 모습은 감염된 세포에 크게 영향을 받게  되므로, 이러한 성질이 바이러스 질병의 조직친화성 (tissue trophism)을 결정하게 됩니다. 독감바이러스는 호흡기 세포에 감염되는 것으로 추정되며, 그 결과 호흡기 질환을 일으키는 것으로 이해됩니다. 그러면 바이러스가 어떻게 질병을 일으킬 수 있는 지 간단하게 살펴보기로 합시다. 바이러스에 감염되어 질병이 발생하는 경우는 바이러스에 감염된 특정한 세포가 바이러스의 증식결과 그 기능을 잃게 되거나 죽어버리게 되면서 나타난다고 봅니다. 에이즈의 경우는 바이러스가 사람의 면역세포에 감염되어 면역세포의 기능을 방해하거나 죽이기 때문에 면역결핍증으로 나타나는 것이며, 독감의 경우는 바이러스가 호흡기 세포에 감염되어 호흡기의 기능이 약해지면서 질병이 나타나는 것입니다. 또 다른 형태의 바이러스 질환은 바이러스에 대하여 면역반응이 나타나 바이러스를 제거하려다가 질병이 발생하는 일종의 염증성 질환들이 있으며, B형 간염이나 유행성결막염 등이 그 예라 할 것입니다. 또한 바이러스는 감염된 숙주세포의 성질을 바꾸어 (형질전환, transformation) 감염된 세포를 종양세포로 전환하게 만들 수 있기 때문에, 바이러스 감염은 암의 원인이 되기도 합니다. 심지어는 바이러스 감염을 막기 위하여 유도된 면역반응이 바이러스뿐 아니라 멀쩡한 자신의 세포까지 파괴하여 나타나는 일종의 자가면역성 질환들도 바이러스가 일으킬 수 있는 질병의 하나로 보고 있습니다.

 

 

        다른 미생물에서와 마찬가지로 바이러스도 감염된 사람으로부터 다른 사람으로 전염될 수 있습니다. 감염된 사람에서 증식한 바이러스는 숙주의 호흡분비물, 소화기 분비물, 혈액 및 상처 등을 통하여 숙주의 몸 밖으로 배출될 수 있습니다. 이렇게 배출된 바이러스들은 직접 다른 사람에게 들어가 즉 전염이 되어 새로이 자랄 수 있습니다. 만일 숙주 몸 밖으로 나온 바이러스가 새로운 숙주를 만나지 못한다면 자연상태에 조용히 남아 있다가 죽어버릴 것입니다. 사람 바이러스는 물론 사람에서 사람으로 전염되긴 하지만, 일부의 경우는 사람과 동물을 왕래하면서 전염되는 경우도 있으며, 일방적으로 동물에서 사람으로 전염되는 경우도 있다. 광견병과 같은 경우가 동물에서 사람으로 전염되는 대표적인 경우이며, HIV나 사스바이러스 등도 동물에서 사람으로 전염되었다고 보기도 합니다. 바이러스가 전염되기 위하여 완전한 바이러스 입자가 사람 몸 안으로 들어와야 합니다. 우리 몸의 표면은 피부라는 구조로 덮혀 있는데, 이 부분은 미생물이 가장 먼저 접촉하는 부위이기도 합니다. 비록 피부가 세포로 구성되어 있긴 하지만, 피부 표면에 있는 세포에는 바이러스가 감염되지 않기 때문에 피부는 바이러스 감염의 문이 아니라 감염의 장벽인 셈입니다. 그러나 피부에 상처가 있거나 주사기와 같이 피부를 뚫어주는 장치를 사용할 경우에는 이를 통하여 바이러스가 우리 몸에 들어올 수도 있습니다. 수혈환자나 마약사용자에게 HIV가 전염되는 경우나 미친개에 물려서 광견병에 걸리는 경우가 여기에 해당됩니다. 바이러스가 들어올 수 있는 또 다른 경로는 음식물을 통하여 전염되는 것입니다. 이 과정으로 전염이 이루어지려면 바이러스가 대변으로 배출되고, 사람의 손을 통하여 음식물이나 음료수에 바이러스가 오염되어야 전염이 됩니다. 또한, 위산에서 바이러스가 죽지 않아야 하고, 장에서 숙주세포를 만나야 전염이 이루어질 수 있습니다. 손을 깨끗이 씻으라는 말은 이런 전염경로를 막기 위해 하는 말이고, 음식을 끓여먹는 것도 이런 바이러스의 전염을 막아줄 수 있는 방법이 될 수 있습니다. 사스바이러스처럼 많은 바이러스들이 호흡기를 통하여 전염될 수 있습니다. 호흡기로 바이러스가 전염되기 위해서는 바이러스가 감염된 사람의 호흡기 분비물 즉 침, 기침, 가래 등에 섞여 나와야 하며, 그것을 다른 사람이 호흡을 통하여 직접적으로 받아들여야 합니다. 또는 바이러스가 공기 중이나 먼지 속에서 일정기간 죽지 않고 존재하거나, 다른 동물을 중간 숙주로 가지고 있어서 사람 밖에서도 죽지 않고 있다가, 호흡을 통하여 다른 사람에게 전염되는 경우도 있습니다. 마스크를 착용한다든지, 집안에 돌아와서 양치질을 하는 이유는 호흡기에 들어올 수 있는 바이러스의 수를 줄여 주고자 하는 것이고, 그 결과 호흡기로 전염되는 바이러스 감염증의 발생 가능성을 줄여줄 수 있습니다. 특히, 마스크의 사용은 환자의 입장에서 바이러스가 포함된 호흡기 배출물을 줄여줄 수 있기 때문에, 상대적으로 감염성 바이러스 입자의 방출을 줄일 수 있는 방법이 됩니다. 일반인이 마스크를 착용하면 큰 입자 예를 들어 침이나 먼지 등에 있는 바이러스의 침입을 막을 수 있을 겁니다. 물론 아주 고운 바이러스 입자 상태의 바이러스는 단순한 마스크로 먹기 어렵겠지만, 많은 경우 마스크의 사용은 효과적인 방법이 될 수 있습니다. 만일 아주 작은 입자도 못 들어오게 하는 특수 필터를 부착한 마스크를 착용한다면, 바이러스 전염을 확실히 막을 수 있을 것입니다. 사스바이러스도 호흡기로 전염되는 바이러스이므로, 마스크를 착용하는 것은 바이러스의 전염을 막아주는 좋은 방법이 될 것입니다. 그 외에 바이러스는 성적 접촉으로도 감염이 될 수 있고, 눈을 통하여 감염될 수도 있으며, 입안의 상처를 통하여 감염될 수도 있습니다. 

 

 

         1945년에 페니실린이 발견된 이래로 다양한 종류의 항생물질 (antibiotics)이 개발되어 많은 종류의 세균감염증이 손쉽게 치료되고 있으며, 그 결과 인간 평균수명의 연장에 큰 기여를 하였습니다. 항생물질이 세균의 증식은 억제해주어 세균감염증에는 치료효과가 있으나, 바이러스는 세균과는 전혀 다른 생명체인 관계로 기존의 항세균성 항생물질에 의하여 바이러스 감염증은 직접적으로 치료되지 않습니다. 바이러스감염증을 치료해 줄 수 있는 항바이러스약물 (antiviral agent)에 대한 연구가 활발히 진행되었지만, 아직까지 대다수의 바이러스 감염증을 치료해주는 좋은 항바이러스약물은 개발되지 않은 상태입니다. 다양한 종류의 바이러스의 증식을 억제해주는 인터페론(interferon)과 같은 물질이 발견되기는 하였지만, 여전히 그 유효성에 대하여는 논란이 되고 있습니다. 항바이러스약물을 얻기 어려운 이유는 첫째로 바이러스는 그 크기가 작고 대부분의 기능을 숙주세포로부터 빌려 쓰기 때문에, 바이러스 자체의 유전자가 적어서 바이러스만이 가지고 있는 단백질의 종류가 적다는 것입니다. 그러므로 적은 수의 바이러스 단백질에 대하여 그들의 기능을 억제하는 화학물질을 찾는 것은 매우 어려운 일입니다. 지금 까지 개발된 항바이러스약물은 포진바이러스 (herpesvirus) 등과 같이 많은 유전자를 가지고 있는 바이러스나 독감바이러스나 HIV 바이러스와 같이 바이러스만의 독특한 단백질을 가지고 있는 바이러스에 대한 약물들이 주종을 이루고 있습니다. 예를 들어 입술물집과 같은 포진바이러스 감염증은 연고나 내복약 형태로 약품이 개발되어 시판되고 있으며, 에이즈환자의 경우는 AZT 등과 같은 약물로 바이러스 증식을 억제하고 있기도 합니다. 최근에는 바이러스만의 새로운 단백질들이 확인되고 있으며, 그와 더불어 그 단백질의 구조도 확인되고 있어서, 그들과 작용할 수 있는 약물을 디자인하고 합성해내는 데 중요한 정보를 제공하고 있으며, 결과적으로 새로운 바이러스 질환 치료 약물의 개발로 이어질 것으로 보여 집니다. 비록 일부의 바이러스에 대하여는 몇 가지 약물이 개발되어 있기는 하지만, 대부분의 바이러스 감염증에 대한 효과적인 치료약물은 거의 없는 것과 다름없습니다. 특히 현재 유행하고 있는 사스바이러스와 같은 새로 나타나는 바이러스 감염증을 치료해주는 약물은 거의 기대하기 어려운 형편입니다. 그러므로 바이러스 감염증으로 고생하지 않기 위해서는 감염이 되지 않도록 조심하는 것이 최선의 방법이며, 만일 그 바이러스에 대한 백신 (vaccine)이 개발되어 있다면 접종을 받을 필요가 있습니다. 바이러스 감염증에 대한 백신은 지금까지 B형 간염, 독감, 일본뇌염, 홍역, 풍진, 이하선염, 소아마비, 천연두 등의 일부의 바이러스 감염증에 대하여 개발되어 있기는 하지만, 사스를 포함한 많은 바이러스 감염증에 대하여 백신이 아직 개발되어 있지 못한 형편입니다. 전통적으로 바이러스 감염증에 대한 백신은 바이러스를 죽이거나 약화된 바이러스를 이용하여 왔는데, 실제로 효과적인 백신을 만드는 일은 아직도 쉬운 일이 아닙니다. 그렇지만, 바이러스 감염증을 효과적으로 치료하는 방법이 없기 때문에 백신의 개발은 무엇보다 시급한 일입니다.  바이러스 감염증의 원인균을 밝히고, 그 바이러스에 대한 생물학적인 그리고 의학적인 연구들이 새로운 백신의 개발에 큰 도움이 될 것입니다.




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