PCEO Insight
코로나 바이러스 변이는 왜 생길까?
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.
이처럼 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.
돌연변이는 왜 스파이크 단백질에 집중돼 있나?
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.
코로나의 변이의 원리와 전파! 조금은 이해가 되었나요? PCEO 여러분들 건강 잘 챙기는 겨울이 되길 바랍니다!
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