그림으로 쉽게 코로나 바이러스가 인체 내에서 과연 어떤 작용을 하는지 그리고 신약과 백신은 어떻게 대항하는지 알아보자.

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Just Because..../Science·Math

그림으로 쉽게 코로나 바이러스가 인체 내에서 과연 어떤 작용을 하는지 그리고 신약과 백신은 어떻게 대항하는지 알아보자.

Helen of Troy
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Credit: Veronica Falconieri Hays

 

존스 홉킨스 대학교 연구진과 미국 NBC 방송사의 자료에 따르면,

올해 1월부터 현재까지 200여국 국가에 번져서  코로나 바이러스 확진자가

천구백만명을 넘었고, 7십만명이 넘는 사망자가 발생했다.

국가별로 현재까지 밝혀진 확신자 수와 지난 1주일 사이에 새로 감염자의 자료는 아래와 같다.

 

Confirmed coronavirus cases around the world(2020년 8월 7일 통계자료)

Country/place Confirmed(8월 5일까지 총 확진자) Cases, last 7 days(지난 1주일간)
United States 미국 4,902,114 336,785
Brazil 브라질 2,912,212 302,110
India 인도 2,027,074 392,328
Russia 러시아 870,187 30,206
South Africa 남아공 538,184 56,015
Mexico 멕시코 462,690 46,511
Peru 페루 447,624 46,941
Chile 칠레 366,671 13,135
Colombia 콜롬비아 357,710 81,655
Iran 이란 320,117 18,587
Spain 스페인 309,855 24,425
United Kingdom 영국 308,134 5,833
Saudi Arabia 사우디 284,226 10,007
Pakistan 파키스탄 281,863 4,461
Bangladesh 방글라데시 249,651 14,762
Italy 이탈리아 249,204 2,046
Turkey 터키 237,265 7,374
Argentina 아르헨티나 228,195 42,822
France 프랑스 218,763 8,298
Germany 독일 215,039 5,504
Iraq 이라크 140,603 19,340
Canada 캐나다 120,387 2,710
Philippines 필리핀 119,460 33,974
Indonesia 인도네시아 118,753 12,417
Qatar 카타르 112,092 1,632
Kazakhstan 카작스탄 96,922 7,844
Egypt 이집트 95,006 1,249
Ecuador 에쿠아도르 90,537 6,167
China 중국 88,460 971
Bolivia 볼리비아  86,423 11,189
Sweden 스웨덴 81,967 1,867
Oman 오만 80,713 1,554
Israel 이스라엘 79,559 9,523
Ukraine 우크라이나 78,261 7,961
Dominican Republic 도미니카 76,536 8,621
Belgium 벨지움 72,016 4,010
Panama 파나마 71,418 7,227
Kuwait 쿠웨이트 70,045 3,516
Belarus 벨라루스 68,503 838
United Arab Emirates 아랍 에미레이트 61,845 1,622
Romania 루마니아 57,895 8,304
Netherlands 네덜란드 56,982 3,019
Singapore 싱가포르 54,555 2,746
Guatemala 과테말라 54,339 5,513
Portugal 포르투갈 52,061 1,193
Poland 폴란드 50,324 5,293
Honduras 온두라스 45,755 4,329
Nigeria 나이제리아 45,244 2,555
Japan 일본 43,815 8,671
Bahrain 바레인 42,889 2,134
Armenia 아르메니아 39,819 1,623
Ghana 가나 39,642 4,500
Kyrgyzstan 키르기스탄 38,659 3,436
Afghanistan 아프가니스탄 36,896 354
Switzerland 스위스 36,108 1,086
Algeria 알제리아 33,626 3,795
Azerbaijan 아제르바잔 33,247 1,687
Morocco 모로코 29,644 6,385
Uzbekistan 우즈베키스탄 28,315 5,044
Serbia 세르비아 27,332 2,119
Moldova 몰도바 26,628 2,285
Ireland 아일랜드 26,372 345
Kenya 케냐 24,411 4,498
Venezuela 베네주엘라 23,280 5,421
Nepal 네팔 21,750 2,203
Austria 오스트리아 21,696 741
Costa Rica 코스타 리카 21,070 3,780
Ethiopia 이티오피아 20,900 4,285
Australia 호주 20,272 3,369
El Salvador 엘 살바도르 19,126 2,896
Czechia 체키아 17,731 1,360
Cameroon 카메룬 17,718 463
Cote d'Ivoire 코티보아르 16,447 469
South Korea 한국 14,519 214
Denmark 덴마크 14,306 581

 

 

 

이처럼 짧은 기간에 수 많은 인명피해는 물론

이로 인해서 경제적으로 사회적으로큰 피해를 끼친 코로나 바이러스 자체와

이에 대처할 수 있는 치료약과 백신을 개발하기 위해서

전 세계의 수많은 과학자들이 연구에 박차를 가하고 있다.

 

그동안 수천 종의 코로나 바이러스가 지구 상에서 존재해 왔으며,

그 중 네 종류가 우리가 흔히 앓는 감기를 일으키는 요인이며,

2002년에 발생해서 770명의 사망자를 초래한 SARS,

그리고 2012년에 발생해서 800여명이 사망하게 한 MERS 두 종류의 코로나 바이러스는

번식 속도가 빠르며, 치사률이 높지만, SARS는 1년 안에 사라졌고,

MERS는 여전히 존재하지만, 감염자의 숫자는 미미하다.

 

올해 발생한 새로운 코로나 바이러스는 잠복기가 2-3일에 불과한 SARS와 달리 

잠복기가 훨씬 더 길어서 고열과 기침 등 증상이 늦게 나타나기에,

감염이 된 후에도 정상적인 생활을 하면서, 많은 사람에게 옮길 확률이 아주 높다.

,

Covid-19은 자체 내에서 인간의 면역 시스템이 재빨리 인지하지 못하게 하는

특수한 프로틴(단백질)을 생성해서, 면역을 억제 시켜서몸에 들어 와서 계속해서

바이러스가 빠른 속도로 증식되면서, 폐 세포를 죽게 만든다.

우리 몸 속의 면역시스템이 바이러스의 침입을 인지할 때는

이미 엄청나게 증식된 바이러스와 맞서기 위해서 우리 몸의 면역 세포는 폭주 상태로 대처하면서

보호하려는 폐 세포를 오히려 질식사시키면서, 극심한 호흡곤란을 유발내지, 사망에 이르게 한다.

 

이렇게 인간들에게 치명적인 코로나 바이러스가 우리 인체 내에서 어떤 작용을 하는지

오랫동안 구독해 온 미국의 권위있는 과학 월간지 'Science American' 에 

보통 사람도 쉽게 이해할 수 있게 그림으로 쉽게 설명한 글이  

6월 말에 개재된 것을  한글로 간단히 소개합니다.

 

 

 

Credit: Veronica Falconieri Hays

 

Covid-19 바이러스는?

코비드 바이러스는 전자 형미경으로만 보일 정도로 직경이 약 100 나노미터(1/1,000,000,000 미터)로

아주 작으며, 인간의 코와 입으로 침투한다.

바이러스의 모양은 둥근 공 모양의  다양한 프로틴/단백질과

지질(脂質)세포막/Lipid Membrane이 보호하는 유전자가 보관된 RNA 끈(붉은 색)으로 형성되었다.

뾰족하게 생긴 'S 프로틴'(오렌지 색)은 바이러스의 표면에 돌출되어서

바이러스보다 훨씬 크기가 큰 인간의 세포에 쉽게 장착을 한다.

참고로 이 'S 프로틴'이 마치 태양의 코로나의 모양과 흡사해서

바이러스의 이름도 코로나 바이러스로 불리우게 되었다.

 

'N 프로틴(파란색), M 프로틴(보라색), & E 프로틴(노란색)'은 구조적 프로틴으로,

바이러스가 인체 세포 안으로 침투해서 증식을 도와주는 역할을 한다.

 

 

바이러스의 침투와 면역세포의 반응

코비드19 바이러스는 사람의 코와 입을 통해서 둘어 와서

폐 세포의 표면에 ACE2 라는 수용기/receptor 과 결합해서

폐 세포 안으로 침투해서 세포 분열을 통해서 증식을 반복하다가

폐 세포를 뚫고 나오면서, 폐 세포를 죽인 후, 다른 세포로 침투해서 반복한다.

감염된 세포는 몸체 내의 면역 시스템에게 침투한 바이러스의 증식을 막아 달라고 

경고 시그날을 보내지만, 바이러스는 이 시그날을 막거나, 중간에 가로채서

증상이 나타나기 전까지, 시간을 벌어서 세포 분열을 지속하게 한다.

 

 

1.  바이러스와 폐 세포와의 결합

Credit: Veronica Falconieri Hays

 

바이러스의 뾰족한 'S 프로틴'이 폐 세포의 ACE2와 장착하면,

protease enzyme 라는 효소가 'S 프로틴'의 뾰족한 부분을 잘라버린다.

그렇게 되면, 남은 'S 프로틴'의 줄기는 압축되어서 스프링처럼 탄성을 갖게 된다.

 

 

 

 

2.  폐세포 안으로 침투

 

뾰족한 머리가 잘려져서 s 프로틴(오렌지 색)은 폐 세포 표면(회색:오른편 아래)에 장착한 후,

폐세포 막을 움켜 잡고, 바이러스의 유전자가 담긴 RNA(파란색)들이 폐 세포 안으로 침투한다.

(걸리는 시간: 10분)

 

 

 

 

3. 바이러스 세포의 복제와 증식

바이러스의 RNA가 일단 세포 안으로 들어 오면,

유전자는 세포 내에 존재하는 라이보좀(ribosomes)의 도움으로 

폴리머레이즈 효소 프로틴/polymerase 이 형성된다.

 

이 프로틴은 세포 내의 E.R./endoplasmic reticulum 안으로 이동해서

ER 구조를 늘려서, 보호 주머니/vesicles 를 형성한다.

이 주머니로 이동한 RNA 복제 프로틴인 폴리머레이즈는 

주머니 안에서 계속 분열과 증식을 거듭해서 일부는 뾰족한 프로틴을 계속 생성하고,

일부는 새로운 바이러스 입자/Virus Particles 를 형성해서 다른 폐 세포로 이동한다.

 

 

 

4. 코로나 세포의 탈출

증식된 RNA 프로틴으로 새로 형성된 코로나 바이러스 보호 주머니/Vesicles (왼쪽 아래 주황색)는  

폐 세포막과 결합해서, 채널을 형성되면서 폐 세포막을 열리게 해 준다.

이렇게 열린 세포막을 통해서,  하나의 폐 세포에서 새로 형성된 수백개의 바이러스가 세포 밖으로 배출된다.

바이러스가 배출된 후 손상된 폐 세포는 죽거나, 몸체 내의 면역 세포로 인해서 죽게 된다.

(걸리는 시간: 약 10시간)

 

 

 

 

 

5.  면역 시스템의 방어

 

우리 몸체는 외부의 감염을 막기 위해서 자체 내의 면역 시스템을 갖추고 있다.

이 면역 시스템은 타고난  선천적 면역 시스템/Innate Immune System과,

적응 면역 시스템/Adaptive Immune System 두 가지로 나누어진다.

 

선천정 면역 시스템 감염된 세포가 이웃 세포에게 바이러스가 침투하거나,

증식하지 못하도록 경고해 주는 인터페론/Interferon 프로틴을 내보낸다.

이 인터페론은 혈액 내의 마이크로파지/Microphage 에게도 신호를 보내서

바이러서를 잡아 먹게 해 주기도 한다. (왼편)

(걸리는 시간: 0-3일)

 

적응 면역 시스템/Adaptive Immune System 에서는 인터페론이

B 세포/B Cells에게 위험 신호를 보내서, '상쇄 면역체/neutraizing antibodies'를 만들게 한다.

이 면역체는 바이러스의 뾰족한 부분을 인식해서 바이러스와 결합해서,

바이러스의 뾰족한 부분이 폐 세포에 장착하는 것을 막아준다. (오른편 A)

 

인테페론은 우리 몸에서 바이러스를 파괴하는 T 세포/T cells를 모집해서

바이러스를 죽이거나, 이미 감염된 세포 내에 있던 바이러스가 세포 바깥으로 세어 나오지 못하게

감염된 폐 세포를 죽이게 한다. ( 오른편 B)

(걸리는 시간: 6-11일)

 

 

 

 

 

6.  바이러스의 반격

 

코비드-19 바이러스는 우리의 면역체에 대항해서 다양한 방법으로 맞선다.

한 가지 방법은 바이러스의 뾰족한 부분/spike글라이켄 설탕 분자/Glycan 처럼 위장을 해서

면역체의 바이러스를 인지하는 것을 방해한다.

그리고, 이 spikes는 구부리거나, 움직여셔 면역체가 장착하는 것을 막아 준다.(왼편)

 

우리 몸체에 외부에서 침입자가 들어 오면 센서 프로틴/Sensor Protein

세포의 핵에게 메신저 RNA 를 만드라고 시그날을 보낸다.

그러면, 세포 내의 라이보좀/Ribosome 은 인터페론을 만들어서

면역 시스템에게 도움 요청 시그날을 보낸다.

그런데 바이러스의 두번째 반격 방법은 바이러스의 프로틴들이

센서 프로틴을 막아서, 인터페론을 만드는 라이보좀으로 가는 신호를 교란시킨다.(오른편)

 

 

 

 

 

치료약과 백신 개발

 

현재 백신 업체와 대학교 연구실에서 COVID-19 바이러스에 맞서기 위해서

100여 가지의 신약을 개발에 심혈을 기울이고 있다.

대부분의 신약들은 바이러스를 직접 죽이기 보다는,

바이러스의 활성화를 방해해서 증식을 둔화시켜서 시간을 확보해서

우리의 몸 자체내의 면역 시스템이 바이러스와 대항하게 해 주는 약들이다.

 

항 바이러스 약들은 주로 바이러스가 폐 세포에 장착하지 못하게 해서,

바이러스가 세포 내로 침투를 막아주고(왼편 위)

바이러스의 증식을 막아 주거나(왼편 아래),

바이러스가 증식할 때에 결함된 세포 생성을 조장해서, 추가 증식을 막아주기도 하고(오른편 위)

몸체 내의 면역시스템이 폭주를 막아서, 자체 세포의 파괴를 막아 준다(오른편 아래).

 

백신은 면역 시스템이 빨리 활성화해서,  효율적으로 미래의 감염에 대항하게 해 주는 역할을 한다.

 

 

 

 

 

 

대단하고 약삭빠른 코로나 바이러스 유전체(게놈: genome)

 

COVID-19 바이러스의 RNA 끈은 약 29,900 개의 베이스/bases로 이루어졌다.

이는 RNS 바이러서의 최고치에 달하는 숫자로, 독감을 유발하는 바이러스의 RNA 베이스 숫자는

13,000개로, 코비드-19의  40%, 감기를 일으키는 바이러스는 고작 8,000개밖에 되지 않는다.

 

이처럼 높은 RNA 베이스 숫자는 낮은 RNA 숫자를 가진 바이러스가 복제할 때에 

에러가 발생해서 바이러스의 손상을 일으키는 것과 달리,

COVID-19 은 복제 중에 에러가 발생해도,  잘 못된 코드를 자체내로 교정을 해서 

정성적인 복제를 가능케 해서 증식을 지속시킬 수 있다.

이런 자체 교정 현상은 인간의 세포나 DNA 바이러스에서 흔히 볼 수 있지만,

COVID-19처럼 RNA 바이러스에서는 아주 희귀한 현상으로,

길이가 긴 RNA 덕분에 부수적인 유전체들은 인간의 면역 시스템을 교묘하게 피해 간다.

 

백신은 안전한 형태의 바이러스를 우리 몸체에 미리 도입해서

면역 시스템이 정상의 바이러스가 몸에 침투했을 때를 대비할 연습을 시켜 주는 역할을 한다.

 

 

 

 

세포 복제 코드 교정/Proofreading

Credit: Veronica Falconieri Hays; Source: 

 

 

COVID-19 의 게놈은 유난히 긴 덕분에 많은 정보를 보유해서

증식에 필요한 프로틴의 형성과 고도의 증식 메카니즘을 가능케 해 준다.

이 코드 교정은 Exonucluease(ExoN) 라고 불리우는 효소가 담당하는데,

베이스 숫자가 20,000개 이상를 보유한 RNA 바이러스에서만 이 효소를 생성할 수 있다.

 

 

 

 

하루 빨리 이 고약한 COVID-19 바이러스를 사전에 예방하는 백신과,

이미 감염된 사람들을 치료하는 생약이 개발되어서,

우리들이 예전에 당연시하고 누렸던 평범한 일상으로 돌아갈 수 있기를

백신과 신약 개발에 참여한 모든 과학자들과 관련자들에게

큰 응원과 격려를 보내 드리고 싶다.

 

 

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