신종 코로나바이러스 감염증(코로나19)이 전 세계에서 기승을 부리고 있다. 작디작은 바이러스가 어떻게 전 세계 약 1억 명의 사람을 감염시켰을까?

　　중국 과학자 등을 포함한 국제 연구팀이 코로나19 바이러스의 3D 영상을 최초로 ‘촬영’했다.

　　나노미터(nm·10억 분의 1m) 크기의 이미지에서 평균 지름이 채 10nm도 안되는 코로나19 바이러스는 기이한 별 모양을 하고 있으며 표면에 자유롭게 움직일 수 있는 돌기 형태의 스파이크 단백질 ‘촉수’가 분포해 있다. ‘별’ 내부를 살펴보면 질서 있게 배열된 리보핵산단백질(RNP) 위에 길쭉한 리보핵산(RNA) 사슬이 치밀하게 휘감고 있다.

　　지난 21일 청화(淸華)대학교 생명과학대학 리싸이(李賽)실험실과 오스트리아 나노그래픽스(Nanographics)社, 사우디아라비아 킹압둘라과학기술대학(KAUST) 이반 비올라(Ivan Viola) 연구팀이 협력해 제작한 고해상도의 코로나19 바이러스 이미지가 세상에 공개됐다.

　　코로나19 바이러스는 인류에게 익숙하면서도 생소한 존재다. 코로나19 바이러스는 사스(SARS∙중증급성호흡기증후군) 코로나바이러스, 메르스(MERS∙중동호흡기증후군) 코로나바이러스와 동일한 유전 정보를 지닌 코로나바이러스 패밀리로 지난 18년 동안 인류에 대규모 감염을 일으킨 세 번째 종의 코로나바이러스다.

　　코로나19 바이러스는 주로 바이러스 표면의 스파이크 단백질과 인체 ACE2(Angiotensin Converting Enzyme2) 수용체와 결합해 인체를 감염시킨다. 스파이크 단백질은 열쇠에, 세포 위의 ACE2 수용체는 자물쇠에 비유할 수 있다. 열쇠가 자물쇠를 열면 바이러스가 세포로 들어갈 수 있다. 바이러스가 세포를 감염시키지 못하도록 열쇠가 자물쇠를 열지 못하게 하는 것이 코로나19 백신 개발의 주요 목표다

　　최신 3D 이미지는 코로나19 바이러스가 인체 세포에 침입하는 과정을 보여주는데 코로나19 바이러스는 침입하는 순간에 수용체와 결합해 세포막과 막융합을 일으킨다.

　　리싸이연구팀은 지난 23일 “연구 결과 스파이크 단백질은 유연해 추처럼 바이러스 표면에서 자유롭게 움직일 수 있다는 것을 발견했다. 스파이크 단백질이 움직이는 특징이 세포를 공격할 때 코로나19 바이러스가 더욱 유연성을 갖도록 하며, 스파이크 단백질이 세포 위의 ACE2 수용체와 결합하는 데 유리하게 작용하도록 한다”고 기자에게 소개했다.

　　동영상 이미지는 스파이크 단백질과 코로나19 바이러스막 접선의 수직선이 만나 이루는 내각 및 바이러스막 표면에서 움직이는 스파이크 단백질의 각도 범위를 보여준다.

　　작년 9월 15일 생명과학 분야의 국제 학술지 ‘셀’(CELL) 온라인판은 청화대학교 생명과학대학 리싸이실험실과 저장(浙江)대학교 의과대학 부속 제1병원 전염병 진료 국가 중점 실험실 리란쥐안(李蘭娟) 원사 과제팀의 협력 성과를 게재했다.

　　연구진은 극저온 전자현미경 단층촬영기술(Cryo-Electron Tomography)과 하위 단층촬영사진 평균화(sub-tomogram averaging) 복원기술을 이용해 코로나19 바이러스의 전체 바이러스 3차원 구조를 해석했다. 이 연구 결과는 최신 3D 바이러스 과학 영상에 기초를 제공했다.

　　파라포름알데히드로 불활성화한 후의 코로나19 바이러스 극저온 전자현미경 사진 [사진 제공: 리싸이실험실]

　　청화대학교 실험실에서는 불활성화 코로나19 바이러스를 극저온 전자현미경 아래 놓아두고 3° 회전할 때마다 1장씩 총 41장의 사진을 촬영한 뒤에 입체적으로 재구성했다. 이는 마치 바이러스에 ‘전신 CT 검사’를 하는 것 같다.

　　연구진은 바이러스 내부를 향해 ‘손전등을 비추었다’. ‘빛’이 바이러스 외피(envelop)를 통과해 바이러스 내부 RNP의 배열 구조를 분명하게 비추면서 지금까지 알려진 것 중 가장 완벽한 코로나19 바이러스 이미지가 드러났다.

　　극저온 투과전자현미경(Cryo-TEM)은 현재 구조생물학에서 가장 광범위하게 사용되는 편리한 과학연구 도구다. 전자를 ‘광원’으로 하는 이 현미경은 바이러스 샘플을 관통해 바이러스 내부의 구조 정보를 획득한다.

　　불활성화 코로나19 바이러스의 3차원 구조 [사진 제공: 리싸이실험실]

　　극저온 전자현미경 단층촬영기술과 하위 단층촬영사진 평균화 복원기술을 리용해 해석한 바이러스 구조에 기반해 국제 연구팀은 3D 렌더링 기술을 활용해 정교한 코로나19 바이러스 3D 영상을 제작했다. 이로써 우리는 바이러스의 내부와 외부 전체 모습을 한눈에 살펴볼 수 있게 됐다. 하지만 동영상 중 선명한 대비를 이루는 바이러스의 색깔은 3D 렌더링 효과일 뿐 바이러스의 실제 색깔이 아니라는 점을 명심해야 한다.

　　코로나19 바이러스 구조에 대한 해석을 통해 백신과 중화항체 개발 목표가 더욱 명확해지게 된다. 리싸이 연구팀은 코로나19 바이러스 표면의 스파이크 단백질이 랜덤(random)하게 분포해 있고 다양한 상태에 있다는 것을 관찰했다. 항원이 이처럼 복잡하게 분포해 있기 때문에 백신과 중화항체를 개발할 때는 반드시 바이러스 표면에서 스파이크 단백질의 구체적인 분포와 구조를 고려해야 한다.

　　리싸이 연구원은 앞서 모 기관이 발표한 코로나19 바이러스의 가상 3D 모형은 스파이크 단백질의 분포와 바이러스 전체의 비율이 맞지 않는 등 오류가 많다고 지적했다. 연구팀은 바이러스 이미지의 각 세부적인 부분 모두 바이러스의 앞선 과학연구 발견을 존중할을 수 있길 희망하고 있다.

　　리싸이 연구팀[사진 제공: 리싸이실험실]

　　작년 8월 리싸이실험실이 생명과학 논문 사전발표 플랫폼 바이오아카이브(bioRxiv)에 과학연구 성과를 게재한 뒤 사우디 KAUST의 컴퓨터 시각팀이 먼저 연락해 더욱 과학적이고 진실한 코로나19 바이러스 이미지를 제작하자고 제안했다.

　　량쪽이 의기투합해 각자의 구조생물학, 바이러스학 강점과 이미지 처리 및 프로그래밍 우위를 활용해 수개월의 원격 소통 끝에 바이러스의 실제 3D 영상을 구축했고, 오스트리아 나노그래픽스社가 최종적으로 동영상을 제작했다.

　　리싸이 연구원은 “이는 론문을 발표할 수 있는 수준의 성과는 아니지만 우리가 이렇게 많은 시간을 들여 코로나19 바이러스 영상 자료를 제작하게 된 초심은 바이러스의 실제 이미지를 보여주는 한편 전 세계에 무료로 코로나19 방역 홍보와 과학교육 자료를 제공하기 위해서였다”면서 “일부 국가에서는 여전히 코로나19의 실제 존재를 의심하는 사람도 있는데 이들 영상은 바이러스 존재를 증명하는 과학적 논거가 될 것”이라고 말했다.

/인민망 한국어판