박광하의 생명과학 이야기
“코로나19”와의 전쟁
프럴러그 (prologue)
코로나19의 확산은 세상을 뒤 흔들고 있다. 확산 속도가 시시각각 빨라지고 있으며 감염으로 인한 고통과 사망으로 이르는 과정은 인류의 문명을 뒤 흔드는 지경까지 와 있다. 세계보건기구(WHO)는 지난 3월 11일 “코로나19”에 대해 세계적 대유행, 즉 팬데믹(pandemic)을 선언했다. 팬데믹이란 쉽게 말해 세계적으로 감염병이 대 유행하는 현상 또는 그 질병 자체를 가리키는 용어다. 우리말로 줄여서는 ‘세계적 대 유행’이라고 표기한다. 보통 제한된 지역 안에서만 발병하는 유행병과는 달리, 팬데믹은 보통 두 개 대륙 이상의 넓은 지역에 걸친 발병을 지칭한다. 영국의 BBC는 팬데믹의 특징으로 △ 신종 바이러스 △ 높은 감염력 △ 지속적인 사람 간 감염 등을 꼽는다. 중국에서 처음 발병해 3개월여 만에 세계를 발칵 뒤집어 놓았다. 배짱 두둑해 보이는 트럼프 마저 겁을 잔뜩 먹은 것 같다. 어제(3월 21일) 트럼프는 코로나 대비 전시체제 돌입을 선언했다. 코로나 19 바이러스가 눈에 보이지 않는 존재이지만 아메리카대륙에 침범해서 미국인의 생명을 위협하고 있으니 전쟁하는 자세로 국민들이 힘을 합쳐 싸우자는 것이다. 역사적으론 천연두, 결핵, 흑사병(페스트) 같은 감염병이 팬데믹으로 간주된다. 현대 들어서는 1918년 스페인 독감과 1980년대 에이즈 등이 팬데믹과 견주는 피해를 남겼다. 최근 유튜브와 소셜 네트워크 서비스(SNS)를 통해 이른바 ‘인포데믹(infodemic)’ 부작용이 커지고 있다. 인포데믹이란 정보(information)와 감염병 유행(epidemic)을 합성한 용어. 잘못된 정보가 전염병처럼 퍼지는 현상을 뜻한다.
세계 보건 기구(WHO)는 지난달 2일 코로나19 보고서에서 “정보가 과도하게 넘쳐 괴담을 낳고 있다. 인포데믹이 우려된다.”고 밝혔다 “코로나19”의 백신이며 치료제가 개발돼서 눈앞에 정복 될 것 같은 검증되지 않은 정보가 난무하고 있다. 코로나바이러스 백신이 불과 수일간에 만들어 진다면 무엇 하러 비상사태를 선포하며 전쟁을 치루려 하는가? 바이러스의 침공은 어제 오늘의 일이 아니고 그 기원은 아주 오래전 붙어 있어온 일이다. 이 바이러스는 생명체와의 전쟁은 하루 이틀 사이에 끝 날일이 아니라는 것을 알만 한 사람은 다 안다. 공신력 있는 기관에서 공식 확인한 내용을 근거로 해서 “코로나19”와 바이러스를 퇴치하기 위해 어떤 무기(?)가 사용되고 개발되고 있는지? 단편적으로 짚어 보려고 한다. 무기라고 하는 것은 치료제나 백신을 지칭하는 것이다. 전 세계의 많은 연구 전문가들은 “코로나19”와 유사한 바이러스 연구에 앞 다퉈가며 연구에 몰두하고 있다. 그러나 연구 과정이며 성과에 관하여 비밀을 유지하는 것이 아니라 지체없이 관련 기관에 알리고 새 지식을 공유하며 진전된 연구를 추구해 가고 있는 것이다. 어떤 전문 학자의 이름을 근거로 “코로나19”백신이 생산을 시작했다는 정보가 횡행하는데 낭설일 가능성이 많다. 왜냐하면 “코로나19”가 모습을 들어 낸 것이 1년도 채 안됐는데 백신 생산이 시작됐다는 것은 물리적으로 가능하지 않기 때문이다. 바이러스의 가장 기본적인 생체 기능은 신진대사없이 숙주의 에너지를 이용해서 생존하며 번식하는 것이다. 전자 현미경이 아니면 볼 수 없는 극미세 구조이지만 자세히 분석해보면 꽤 복잡하다. 코로나바이러스는 핵산인 RNA을 단백질이 감싸고 있는 형태인데 단백질의 외피 모양이 복잡하고 단백질도 종류도 다양하다. 그 모양이 왕관처럼 보여서 코로나(corona)바이러스라고 말하는 것이다. 바이러스가 증식하려면 핵산인 RNA와 단백질을 바이러스가 숙주로부터 끌어 와야 하는 핵산(RNA)의 기능이 있다. 바이러스 감염증의 백신과 치료제를 만들려면 바이러스 시스템에 관여해야 한다. “코로나19”와 관련된 치료제로 등장하고 있는 4종류의 약제가 있다.
클로로퀸 (Chloroquine)
첫 번째로 클로로퀸이다. 트럼프 대통령이 클로로퀸이 “코로나19” 치료제로 효과가 있다는 말을 들은 모양이다. 지난 3월 19일 백악관 언론 브리핑에서 코로나19 치료를 위해 이 약물을 사용할 수 있도록 FDA의 승인 절차를 거쳤다. FDA에서 승인한 적이 없다고 부인하였지만 그들은 FDA 승인 기간을 몇 달에서 즉시로 단축했고 우리는 처방전에 따라 그 약을 이용할 수 있게 될 것”이라고 발언했다. 클로로퀸은 1934년 독일 바이엘 제약사가 말라리아 감염을 예방하고 치료하기 위해 개발한 의약품이다. 이후 루마티스 관절염 치료에도 쓰이게 된 약품이다. 한국 전쟁당시 UN군 장병들에게 의무적으로 복용시키기도 하였었다. 위생병으로 군복무를 한 필자는 매일 장병들 식판에 빨강 색깔의 클로로퀸을 놓아 주는 일을 한일이 있다. 의사들이 원한다면 코로나19를 치료하는데 ‘FDA 승인 없이’도 클로로퀸을 처방할 수 있는데, 이는 합법적인 행위지만 안전성 문제나 코로나19 치료 효과가 증명된 것은 없다. FDA는 다만 “클로로퀸을 ‘경미한 코로나19 증상을 보이는 환자들 증세와 바이러스 배출 기간을 줄이는 데 활용해 질병 확산을 방지하는’ 방안을 정부와 관련 학계 기관들과 협력하고 있다”고 밝혔다.
사이토카인 (cytokine storm)
“사이토카인(cytokine storm)”이라는 의학 용어가 있다. 사이토카인은 바이러스 등 외부 침입자가 몸에 들어오면 다른 면역 세포를 자극해 병원체와의 싸움을 유도하고, 감염 상태에 따라 분비량을 조정하는 등 신호 전달에 관여하는 단백질이다. 문제는 사이토카인이 과도하게 분비돼 정상 세포를 공격할 때다. 목표물을 ‘정밀 타격’하는 유도탄이 아닌 일대를 몽땅 태우는 네이팜탄처럼 감염 세포뿐만 아니라 정상 조직과 장기까지 망가뜨리게 된다. ‘자폭’ 현상이다. 고열과 내출혈 등을 동반하는 사이토카인 폭풍은 면역 체계가 강력한 젊은층에서 많이 발생하는 것으로 알려져 있다. 클로로퀸은 바이러스의 감염으로 유도되는 사이토카인을 차단시키는 기능이 있다. 20세기 최악의 감염병 사례로 기록된 스페인 독감과 사이토카인 폭풍의 연관성을 지적하는 시각도 있다. 1918년 발병한 뒤 최소 5,000만 명의 사망자가 발생한 스페인 독감의 희생자 70% 이상이 25~35세 젊은 층이었다. 1차 세계 대전이라는 특수 요인이 있기는 했지만 면역 폭풍이 젊은층에 치명적인 영향을 미쳤다는 것이다.사이토카인 폭풍이 화제의 키워드가 됐다. 방역 관계자가 26세의 코로나19 환자와 사이토카인 폭풍의 연관 가능성을 언급하면서다. 젊은층도 안전지대는 아닐 수 있다는 것이다. 세계보건기구(WHO) 사무총장도 “노인이 코로나19의 가장 큰 타격을 받았지만 젊은이도 천하무적이 아니다”라며 “아프지 않더라도 당신의 선택이 다른 사람의 삶과 죽음을 가를 수 있다”고 경고했다. 몸속의 면역 폭풍이든, 사회적으로 일으킬 수 있는 감염 폭풍이든 자유로운 이는 없다. 클로로퀸이 말라리아 치료제처럼 쓰여질 수는 없지만 환자의 상황에 따라서 뚜렷한 치료효과가 있는 것은 사실이다.(Lopinavir/ritonavir, LPV/r)
칼레트라 (Kaletra)
현재 코로나19 치료에 사용되는 에이즈 치료제로 칼레트라(Kaletra)가 있다. 코로나19 치료제로도 개발되고 있는 에볼라 바이러스 감염증 치료 후보물질 렘데시비르와 같이 클레부딘도 바이러스 유전물질 복제를 억제하는 핵산 유사체다. 칼레트라는 로피나비르와 리토나비르 (Lopinavir/ritonavir, LPV/r)복합제다. 로피나비르는 바이러스가 증식할 때 필요한 효소인 단백 분해 효소를 억제하는 성분이다. 지난 2003년 유행했던 중증급성호흡기증후군(SARS·사스) 때 칼레트라는 치료 효과를 보였다. 이 때문에 중국은 코로나19가 처음 발병했을 때부터 이 약물을 치료제로 썼고, 이후 미국과 태국 등에서도 널리 사용되고 있다. 칼레트라의 로피나비르와 리토나비르는 면역 결핍 바이러스(HIV)가 가진 효소를 억제하는 방식으로 작용한다. HIV는 단백질 분해 효소(protease)라는 효소를 가졌다. 이 효소는 세포 내부에서 증식한 바이러스가 세포 외부로 방출되는 과정에 관여한다. HIV는 단백질로 이루어진 옷을 입어야 세포 밖으로 나갈 수 있다(모든 바이러스가 그런 것은 아닙니다. 일부 바이러스들이 그런 특징을 보입니다). 옷을 만들려면 큰 섬유 원단을 가위로 잘라서 몸에 맞는 크기로 잘라야 합니다. 여기서 가위 역할을 하는 것이 ‘단백질 분해 효소’다. 그래서 이 효소가 억제되면 바이러스가 세포 외부로 방출되지 못하기 때문에 증식이 억제되면서 에이즈의 치료효과를 얻게 된다. 다행히 코로나19도 단백질 분해효소를 가져, 이 약이 효과를 낼 수 있으나 효과에 관하여 논란이 있는 약제다. 태국 의료진은 효과를 봤다고 하고 중국의 의료진은 효과가 없었다는 뉴스가 있어 혼선이 빚어지고 있는 상황이다.
렘데시비르 (Remdesivir)
렘데시비르는 미국의 바이러스 치료제 전문 제약회사인 길리어드(Gilead Science)에서 ‘개발 중’인 약물로, 원래는 다른 바이러스 질환인 에볼라(Ebola)를 치료하기 위해 만들어졌다. 각국 식약처에서 허가 절차를 거쳐 승인을 받은 약은 아니지만, 몇 차례의 임상시험을 거치며 바이러스 질환을 치료하는 효과를 증명한 바 있다.현재는 중국 정부의 요청에 따라 길리어드사가 대량의 제품을 공급하여 코로나19 치료에 시험적으로 사용되는 중이다. 중국 연구진들의 발표에 따르면, 세포 수준에서 렘데시비르의 효과가 확인됐다고 한다. 렘데시비르는 핵산 유사체(nucleotide analogue)로 바이러스가 RNA를 합성하는 과정을 방해하는 방식으로 작용한다. 해외 토픽에 관심 많은 분이시라면, 중국 아파트에 철근 대신 대나무를 쓰는 바람에 아파트가 무너졌다는 기사를 기억이 있을 것이다. 렘데시비르는 바이러스 입장에서 일종의 ‘대나무’ 같은 존재다. 바이러스가 증식하기 위해서는 핵산(nucleotide)이 꼭 필요하다. 건물의 철근 같은 존재인데, 바이러스한테 핵산 대신에 짝퉁 핵산(이를 전문적으로 표현하면 ‘핵산 유사체’)을 공급해서 부실 공사를 유도하자는 것이다. 결과적으로 바이러스가 죽게 되는 원리다.
아비간 (Avigan)
아비간은 일본 제약회사 도야마 케미칼(Toyama chemical)에서 개발한 항바이러스제다. 성분은 파비피라비르(Favipiravir)로, 일본에서 인플루엔자 치료제로 승인받았다. 승인은 인플루엔자 치료제로 받았지만, 앞서 설명한 렘데시비르와 유사하게 꽤 넓은 범위의 바이러스 질환 치료제로 사용할 수 있다. 중국에서 아비간을 이용한 치료를 시도하는 중이고, 한국 정부에서도 아비간을 수입하는 방안을 고려 중에 있다고 한다. 아비간에서 약효를 나타내는 성분인 파비피라비르는 아직까지 정확한 바이러스 작용 기전이 밝혀지지 않았다. 이미 승인을 받은 약인데 작용 원리가 밝혀지지 않았다니 이상하게 여기실 수도 있지만, 실제로 그런 경우는 꽤 있다. 세포 수준에서 실험을 거쳐 바이러스 치료에 효과가 있다는 것이 밝혀지면 동물 실험을 진행하고, 그때도 문제가 없으면 임상시험을 통해 사람에게도 효과가 있는지 와 독성을 나타내지는 않는지 파악하는데 이 단계를 모두 통과하긴 했다. 현재까지는 바이러스에게만 있는 특수한 효소를 억제하는 방식으로 작동한다고 추정된다.
연합군의 전략
코로나 바이러스는 한 가닥으로 이뤄진 불안정한 RNA 바이러스인 까닭에 돌연변이를 쉽게 일으킨다. 사스(SARS·중증급성호흡기증후군), 메르스(MERS·중동호흡기증후군), 신종 코로나 바이러스 감염증(코로나19)이 모두 같은 코로나 바이러스를 기반으로 해도 인류를 위협하는 속도와 강도는 제각기 다른 이유다. 전 세계 과학자들은 이 변화무쌍한 코로나 바이러스를 개인의 힘으로 이겨낼 수 없다는 사실을 잘 안다. 이들은 각국의 연구 성과를 신속히 공유하고, 이를 활용한 후속 실험을 빠르게 추진하는 것만이 바이러스 정복의 꿈에 다가가는 유일한 길이라고 강조한다. 고도의 바이러스 분석 기술이 뒷받침돼야 하는 건 기본이다. 코로나19 위기의 돌파구를 마련하려는 과학계의 단합은 어떤 형태로 진행되고 있을까. 신종 바이러스융합연구단에 참여하는 기관 중 한 곳인 한국파스퇴르연구소에서 연구원들이 코로나19 관련 연구를 하고 있다(연합뉴스). 3월 4일 한국 화학 연구원으로부터 반가운 소식이 전해졌다. 이 연구원을 중심으로 뭉친 신종 바이러스 융합 연구단이 코로나19 치료에 쓸 수 있는 항체들을 찾아냈다고 발표한 것이다. 연구단은 사스의 중화항체(바이러스의 독성을 없애주는 항체) 5종과 메르스의 중화항체 6종을 선정한 다음 이 항체들을 신종 코로나 바이러스의 스파이크 단백질과 결합하는 실험을 진행했다. 스파이크 단백질은 코로나 바이러스의 세포 침입을 돕는 단백질이다. 만약 어떤 중화항체가 스파이크 단백질과 결합해 안정적인 구조를 보인다면, 그 항체는 치료 물질로서 큰 가능성을 지녔다는 의미다. 중화항체와 강하게 묶인 스파이크 단백질이 제 역할을 못 하면 코로나 바이러스도 세포 침투 능력을 상실할 수밖에 없기 때문이다. 연구단은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 11종의 중화항체를 스파이크 단백질과 합쳐본 결과, 사스 항체 2종(CR3022·F26G19)과 메르스 항체 1종(D12) 등 총 3종의 항체가 가장 우수한 결합 능력을 갖추고 있다는 사실을 알아냈다. 연구단 측은 “이번 성과가 코로나19 치료제 개발을 앞당기는 데 기여할 것”이라고 밝혔다. 그런데 여기서 궁금증이 생긴다. 컴퓨터 시뮬레이션을 하려면 단백질의 정확한 구조부터 알아야 하는데, 연구단은 이제 막 세상에 등장한 코로나19 바이러스 스파이크 단백질의 구조 정보를 어디서 어떻게 구해 실험에 곧바로 적용할 수 있었을까. 비결은 미국 콜드스프링하버연구소가 운영하는 ‘바이오아카이브(bioRxiv)’였다. 바이오아카이브는 출판 전 논문 공개 사이트다. 과학자들은 자신의 연구 결과를 ‘네이처’나 ‘사이언스’ 같은 국제 학술지에 싣기 전 바이오아카이브에 올려 전 세계 동료 과학자의 평가·의견·반박 등을 수집할 수 있다. 동료 입장에서는 다른 이의 의미 있는 연구 성과를 신속히 접하고, 거기서 새로운 아이디어를 포착해 후속 연구에 나설 수 있다. 이번에 한국 연구단이 사용한 스파이크 단백질 구조는 미국 텍사스대와 미국 국립알레르기감염병연구소(NIAID) 공동 연구팀이 지난달 발견한 것이다. 미 연구진은 극저온전자현미경(Cryo-EM)으로 스파이크 단백질 구조를 파악한 뒤 해당 정보를 2월 15일 바이오아카이브에 선공개했다. 국내 연구단은 이를 보자마자 미국에 연락해 필요한 자료를 얻었다. 해당 성과가 국제 학술지 ‘사이언스’에 소개된 건 2월 19일이다. 즉 바이오아카이브라는 플랫폼 덕에 한국 연구단은 실험 시작 시점을 나흘이나 앞당긴 셈이다. 사이언스에 따르면 올해 2월 마지막 주 학술 저널에 게재된 코로나19 관련 논문은 261편이다. 그런데 바이오아카이브 등의 출판 전 논문 공개 사이트에 등록된 논문은 같은 기간 283편에 달했다. 스튜어트 버터필드가 개발한 클라우드 기반 협업용 도구이다. 바이오아카이브만 ‘공유의 장’ 역할을 하는 건 아니다. 우리가 평소 즐겨 사용하는 소셜네트워크서비스(SNS)도 과학자들에게 훌륭한 소통의 도구가 되고 있다. 미국 위스콘신 국립영장류연구센터의 데이브 오코너와 톰 프리드리히 연구원은 1월 22일(현지시각) 기업용 메신저 서비스 ‘슬랙(slack-스튜어트 버터필드가 개발한 클라우드 기반 협업용 도구)을 통해 코로나19 극복을 위한 공동 연구를 의논 한다고 한다. 초대자는 슬랙의 이 공간 명을 유명 힙합 그룹 ‘우탱 클랜’의 이름을 흉내 내 ‘우한 클랜’이라고 하였다고 한다. 우한 클랜 연구자들은 현재 각자의 코로나19 관련 실험 내용을 슬랙에 실시간으로 업로드하고, 다른 동료의 게시물에는 댓글로 의견을 내면서 활발히 소통하고 있다고 한다. 프리드리히는 “실험 현황을 공유하면 중복 연구가 줄어들고 효과는 상상 이상이라고 한다. 미생물(微生物)은 말 그대로 눈에 보이지도 않는 미세한 존재이지만, 그들의 힘은 결코 미미하지 않다. 작은 것이 위대하다는 말을 실감하게 할 정도로. 그들에게 대항하여 우리가 할 수 있는 것은 백신과 항바이러스제로 무장하는 것일 수도 있지만, 가장 중요한 것은 체내의 면역력을 키우는 것이다. 우리 몸의 면역계는 가장 정교하고 완벽한 미생물 방제 시스템이라고 봐야한다.
박광하 (전 여주대신고 교감, 전 수원계명고 교장)
38khpark@hanmail.net
필자 박광하 선생은 고려대학교 생물학과를 마친 후에 평생을 생물과학 강의와 교육에 헌신하여 왔다. 20여년 전 호주로 이주하여 시드니에 거주하며 집필 활동을 하고 있다. 저서로 ‘생명과학이야기’(북랩)가 있다.