바이러스(Virus)란?

 

바이러스(영어: virus, 라틴어: virus 비루스[*], 문화어: 비루스)는 다른 유기체의 살아 있는 세포 안에서만 기생, 증식하는 전염성 감염원이자 생물과 무생물의 중간적 존재(비세포성 반생물)이다. 초현미경적, 여과성 병원체(미생물)이기도 하다.

증식을 위해서는 숙주가 필요하다. 바이러스는 박테리아와 동물을 포함한 동물과 식물에서 미생물에 이르기까지 모든 종류의 생물체를 감염시킬 수 있다.

러시아의 식물학자 드미트리 이바노프스키(Dmitri Iosifovich Ivanovsky)의 1892년 연구가 다루었던 담배모자이크바이러스 이래로 진행된 연구들에서 바이러스는 감염된 세포 안에 있지 않거나 세포를 감염시키는 과정에 있는 동안 독립적인 입자의 형태로 존재한다는 사실이 밝혀졌다. 비리온이라고도 하는 이 바이러스 입자들은 DNA나 RNA로 만들어진 유전 물질을 보호하는 두 개 또는 세 개의 부분으로 구성되어 있다. 유전자 외피와 단백질 외피를 둘러싸는 긴 분자인 이 바이러스 입자들의 모양은 몇몇 바이러스 종들을 위한 단순한 나선형과 타원형 형태에서부터 다른 종들을 위한 더 복잡한 구조까지 다양하다. 대부분의 바이러스 종들은 너무 작아서 광학 현미경으로 볼 수 없다. 평균적인 비리온은 평균적인 박테리아 크기의 약 100분의 1이다.

생명의 진화 역사에 있어서 바이러스의 기원은 명확하지 않다. 어떤 바이러스는 박테리아로부터 진화했을 수도 있는 세포들 사이를 이동할 수 있는 DNA의 플라스미드 조각들로부터 진화했을 지도 모른다. 바이러스는 진화 과정에서 수평적인 유전자 전달의 중요한 수단으로, 이는 유전적 다양성을 증가시킨다. 바이러스는 유전 물질을 운반하고, 생식하고, 자연선택을 통해 진화하기 때문에 생명체의 한 형태라고 간주하기도 하지만 일반적으로 생명체로 분류하는데 필요한 주요 특성(예를 들어 세포 구조)을 가지고 있지 않다. 이와 같이 바이러스는 생명체로서의 특성을 모두 지니고 있는 것이 아니라 일부만을 지니고 있기 때문에 "생명의 가장자리에 있는 유기체" 및 복제 물질로 묘사되어 왔다.

Artificial Nano “T4 Bacteriophage”                                                      흔히 (세균의) 바이러스로 잘 알려진 박테리오파지의 모형을 SEM으로 찍은 사진이다. T4 박테리오파지를 Si 표면에 CVD-FIB기법으로 적층한 것. 참고로 몸통부에 가로로 나있는 줄무늬는 FIB 기법을 이용하여 적층하는 과정에서 발생한 아티펙트이다. 박테리오파지의 실제 모습은 SEM 및 TEM 으로 관찰할 수 있다.

 

1. 개요

Virus

바이러스는 유기체의 살아있는 세포를 통해서만 생명활동을 하는 존재이다. 평상시에는 거의 돌덩어리와 같은 상태로 비활성화 되어있다가 숙주의 세포에 기생하기 시작해야 비로소 생명체로서의 활동을 하는게 특징으로 이에 따라 생물과 무생물의 중간적 존재로 본다. 이 때문에 생물 분류 단계에서 세균역, 진핵생물역, 고균역 그 어디에도 속하지 않는 미분류 상태이다.[3]

바이러스는 세균과는 엄연히 다른 존재다. 세균은 하나의 온전한 생물로, 단독으로 자기 유전 정보의 복제 및 번식이 가능하지만, 바이러스는 유전정보를 가지고 있어도, 혼자서는 유전 정보의 복제를 할 수가 없다. 바이러스는 세균보다도 수백배 이상 작아서 거름종이도 통과할 정도이다. 일종의 단세포 생물로 기능하는 세균에 비해 바이러스의 구조는 세포 단위도 되지 않을 정도로 훨씬 간단하여, 단백질 캡슐과 유전 물질밖에 없다. 숙주에게 해를 가한다는 관념때문에 비슷한 이미지를 가지고 있지만, 생물학적으로는 완전히 별개의 존재.

 

2. 상세

바이러스는 크기가 작고 복제 주기도 짧아 빠른 속도로 변이할 뿐만 아니라, 다른 유기체의 살아있는 세포가 있어야만 번식하므로 상대적으로 연구하기 어려운 특징이 있다. 그러나 바이러스는 분자생물학 실험에서 없어서는 안될 중요한 도구로 여겨지는데, 이는 유전정보가 단순한 까닭에 조작하기가 쉽고 효과 또한 높기 때문이다.

현미경과 함께 17세기 중반 존재가 알려지기 시작한 초현미경적 병원체이며 동시에 여과성 병원체이다. 크기는 0.01~0.2μm 정도이며 세균과는 달리 너무 작아서 19세기 말에 와서야 작아서 보이지 않는 무언가가 병을 일으킨다는 것을 알았으며, 20세기 들어 전자현미경이 개발된 뒤에야 드디어 모습을 볼 수 있었다.

1892년 러시아의 드미트리 이바노프스키가 담배 모자이크 바이러스의 존재를 예측했었으며, 이후 미국의 생화학자 웬들 메러디스 스탠리가 1935년에 최초로 이 담배 모자이크 바이러스를 단백질 결정체의 형태로 추출하는데 성공했다. 그는 이 공로로 1946년 노벨 화학상을 수상한다. 프리온이 발견되기 전까지 바이러스는 인간이 파악하고 있는 병원체 가운데 구조가 가장 간단한 병원체였다.

한편 시간이 지날수록 크기가 큰 바이러스도 속속히 발견되고 있다. 예컨데 보통 대부분의 바이러스는 크기가 20~300 나노미터 영역에 속하는데 700나노미터에 달하는 미미바이러스가 2003년 프랑스에서 발견된바 있다. 폐기하려는 배양액에 다른 세균은 다 죽었는데 한 종류만 살아있어서 봤더니 세균이 아니라 거대한 바이러스였다고 한다. 2013년에는 무려 1.2 마이크로미터에 달하는 판도라바이러스가, 다음해 시베리아에서는 1.5 마이크로미터 가량의 피토바이러스가 발견되기도 하였다.

바이러스의 본체가 세포 밖에서 입자화한 것을 비리온(Virion)이라고 부른다. 바이러스의 특이한 모양들은 전부 이 비리온을 말하는 것이다.

어원은 라틴어 단어 Virus(고전: 위루스, 교회: 비루스)로, 독물·독소란 뜻이다. 바이러스는 영어 발음이며, 독일어, 러시아어로도 비루스라 하고 일본에선 우이루스(ウイルス), 위루스(ウィルス) 또는 비루스(ビールス)라고 한다. 오래된 책에는 비루스로 적혀있는 경우가 많다. 북한에서도 러시아어의 영향을 받아 비루스라고 한다. 한자명은 거름종이를 통과하는 특성에서 딴 여과성 병독(濾過性 病毒)이다.

 

2.1. 크기

인플루엔자 바이러스가 0.1㎛ ( 마이크로미터 , 1㎛ = 1000분의 1㎜ )이다.

 

미생물 크기 비교

리노 바이러스: 0.03μm

폴리오 바이러스: 0.03μm

인플루엔자 바이러스: 0.1μm

광견병 바이러스: 0.15μm

T4 박테리오파지: 0.2μm

두창바이러스: 0.3μm

포도상구균: 1μm

락토바실러스: 2μm

대장균: 2μm

적혈구: 8μm

빵 효모: 10μm

피부세포: 30μm

인간의 정자: 60μm

꽃가루: 90μm

뉴런: 100μm

인간의 난자: 130μm

유글레나: 130μm

규조: 200μm

짚신벌레: 250μm

아메바: 0.5mm

 

3. 구조와 생태

구성은 핵산과 단백질로 구성되어 있다. 유전자 정보가 담긴 물질을 단백질 껍질이 둘러싸고 있는 간단한 구조로 구성되어 있다.

스스로는 번식을 하지 못하는 분자 덩어리일 뿐이지만 숙주 세포에 침투하면 숙주의 효소와 세포기관들(특히 리보솜)을 이용해서 자신의 유전 정보를 복제하며 급속히 증식한다. 기생하지 않을 때는 생물체로서의 기능을 전혀 하지 않고, 결정 상태로 추출할 수도 있다.

생물과 무생물의 경계에 모호하게 걸쳐서 바이러스는 생물과 비생물의 중간형이다. 생물적 특징으로는 활물기생, 자기복제, 돌연변이 등을 들 수 있겠고, 비생물적 특징으로는 조절 물질(효소)이 없다는 점, 공기에 노출되면 단백질 결정으로 추출이 가능한 점, 세포 구조물이 없다는 점, 숙주에 기생하지 않을 경우 스스로 번식을 하지 못하는 점 등을 들 수 있다.

초창기 지구에서 초기 생물이 취했던 형태가 바이러스와 같은 모습이 아닌가 하는 추측이 있는가 하면, 생물의 초창기 형태라기보다는 어떤 세균 종류가 진화 과정에서 유전 물질만 남기는 형태로 진화하여 바이러스가 되었다고 추측하는 사람들도 있다. 초창기 생물에 가까운 바이러스와 기존의 생명체가 진화한 형태의 바이러스가 따로 있다고 생각하는 사람도 있다. 초기 지구에는 화학적 진화로 암모니아 등에서부터 생긴 아미노산이 굴러다녔으므로 숙주 대신 그걸 먹다가 그게 바닥나자 숙주를 찾는 쪽으로 진화했다는 식으로 추측하기도 한다. 아직까지 생명체의 기원은커녕 바이러스의 유래가 정확히 밝혀지지 않아 논란이 계속되고 있다. 거기다가 2020년 9월에는 판도라바이러스란 거대 바이러스가 스스로 에너지를 낸다는 것이 밝혀지기도 했다. 즉, 숙주가 없어도 바이러스가 에너지를 생산할수 있다는 소리. 덤으로, 활물기생을 하는 거대바이러스를 노리는 바이러스인 바이로파지(Virophage)도 존재한다.

인간의 DNA 중 정크 DNA에 고대 바이러스의 DNA가 섞여 있다. 이를 내인성 레트로바이러스라 한다. 파리와 인간의 DNA만 해도 60% 정도는 동일하기도 하고, 심지어 인간 DNA 중에는 이곳 저곳에 옮겨다니는 ALU도 있으니, '어 그래?'하고 넘어갈 수도 있긴 한데...
바이러스의 침투시기는 보통 여러종의 내인성 바이러스의 서열을 분석하고, 진화학적으로 해당 종 혹은 아종이 나타난 시기와 비교하여 추적한다. [15] 물론, 재수없이 이 부분이 활성화되면 인체에 치명적일 수 있기 때문에, 이 부분을 비활성화하는 매커니즘이 따로 존재한다. 따라서 내인성 레트로바이러스는 본래 주인인 생물에게는 별 영향이 없으나 다른 생물의 몸에 들어가게 되면 그 DNA 파편 자체가 레트로바이러스로서 활성화되기도 한다.[16] 그렇지만 이런 바이러스 덕분에 인간이 생존할 수 있기도 하다. 특히 HERV-FRD란 내생 레트로바이러스는 산모와 태아 간에 단백질 막을 형성하여 산모의 면역반응으로부터 태아를 보호한다.

후천적으로 바이러스의 DNA가 숙주의 핵에 영구적으로 존재할 수도 있다. 물론 개체 전체의 유전자 변형이 일어나는 게 아니라 국지적인 부분에 한정된다. 증식을 위해 끼워 넣은 DNA가 어떤 이유에서 전부 혹은 일부가 계속 남게 되는 것이다. 이것이 숙주의 몸에서 아무런 효용가치가 없는 서열로 남아 이리저리 섞이다가 돌연변이원으로 작용하여 암을 일으킨다는 주장도 있다. 하지만 아주 아주 아주 드물게 생식세포를 감염시키고 그것이 이롭게 작용할 수도 있다. 특히 탯줄이 이런 경우이다.

4. 종류

노벨상 수상자인 데이비드 볼티모어는 바이러스를 유전물질이 DNA인지 RNA인지, 숙주의 유전자에 자신의 유전자를 끼워넣는지 아닌지에 따라서 총 7개의 레벨로 분류했다.

• 레벨 1·2 - DNA 이중가닥·외가닥 바이러스. DNA를 유전체로 쓰는 까닭에 변이율이 낮아서 항체를 만들기 쉽다. 단, DNA 바이러스가 증식하려면, 숙주세포가 같이 분열하여야 숙주의 복제 메커니즘을 이용할 수 있으므로 필연적으로 세포분열을 유도한다. 인유두종 바이러스가 대표적으로, 사마귀를 일으키며 종류에 따라 자궁경부암 같은 심각한 병도 일으킨다. 특정 동물에게는 그냥 바이러스가 세포를 깨고 나오기 때문에 이런 반응이 없는데, 같은 바이러스가 인간에게 감염되면 세포분열만 촉진하고 잘 나오지 않기 때문에 문제가 된다.

• 레벨 3·4·5 - RNA 이중가닥·외가닥 Sense와 anti-sense 가닥 바이러스. RNA이므로 굳이 DNA처럼 핵 내로 들어갈 필요가 없어 딱히 세포 분열을 촉진하지는 않는다. 그러나 숙주의 DNA 복제 교정 기능을 쓰지 않기 때문에 변이율이 무지하게 높다. 항체를 만들어도 변이율이 높아 좀처럼 잡을 수가 없다. 바이러스가 치명적이지 않으면 다행이지만, 치명적이면 골때린다. 에볼라와 코로나가 여기에 속한다.

• 레벨 6·7 - RNA·DNA 역전사 바이러스. HIV, B형 간염 바이러스가 대표적이다. 그냥 숙주 세포에 감염되어 증식한 뒤 깨고 나오는 게 아니라, 숙주 세포의 핵 안에 자신의 유전정보를 집어넣어 지속적으로 발현시킨다. HIV가 림프구[18]를 감염시키면 세포가 죽지 않을 만큼만 증식하다가 면역체계가 활성화되면 폭발적으로 증식하여 면역체계를 무너뜨린다.[19] 숙주의 세포에 바이러스 자신의 유전정보를 집어넣는다는 데서 대책이 안 선다.

그 외에 외막의 유무(외막이 있는 경우는 랍도, 인플루엔자, 코로나, 토가. 외막이 없는 경우는 레오, 아데노, 이리도, 파보.), 구형, 막대형 등 형태로 분류할 수도 있다.

바이러스의 종류

• 핵산의 종류에 따른 분류

  • RNA바이러스: HIV, 일본 뇌염 바이러스, 사스 바이러스, 홍역바이러스, 코로나바이러스 등

  • DNA바이러스: B형간염 바이러스, 포진바이러스 등

• 기생 장소에 따른 분류

  • 동물성 바이러스: 홍역, 광견병, 독감, 천연두, 소아마비, 뇌염 바이러스 등

  • 식물성 바이러스: TMV, 감자의 위축병바이러스 등

  • 세균성 바이러스(박테리오파지): T2 파지, T4 파지 등

5. 특징

앞서 언급했듯, 활물 밖에서는 평범한 무생물처럼 보이지만 바이러스 최고의 무기는 자가복제다. 바이러스가 활물세포에 기생하면서 그 세포의 거의 모든 통제권한을 자기가 쥐락펴락하며, 한번 복제되기 시작하면 경이로운 수준까지 순식간에 복제된다.

 

6. 바이러스성 질환의 치료

바이러스는 세균이나 진균 등의 병원성 미생물과 달리 세포가 없다. 때문에 항진균제나 항생제가 전혀 소용 없다. 한국에서는 전통적으로 감기같은 바이러스성 질환에 항생제가 남용되고 있어 세계적으로 유명한데, “예방적” 항생제 사용은 아무런 의미가 없는 것으로 몇 번이나 증명되었으며 근절해야 할 악습이다.

대부분의 바이러스성 질환은 약으로 치료하지 않으며, 수분 공급, 소염제, 해열제 등으로 대증 요법을 해주면서 인체의 면역계가 자체적으로 바이러스를 제거하는 것을 기다린다. 이것이 거의 모든 감기, 바이러스성 장염 등의 “치료”법이다. 그러나 바이러스성 질환에는 이처럼 자가제한적 경과를 보이는 것만 있는 것이 아니며, 방치하면 생명을 위협하는 무서운 바이러스성 질환도 많다. 이런 경우 백신을 개발해 예방하거나, 항바이러스제를 이용해 치료해야 한다.

항바이러스제는 대개 비싸고 부작용도 많기 때문에, 백신을 개발해 예방할 수 있다면 최고다. 하지만 바이러스 중에는 백신을 만들기 매우 어려운 특성을 가진 것들도 있고(예: HIV), 항원성이 자꾸 변이하기 때문에 만들어둔 백신이 효과가 없는 경우도 종종 있다(예: 인플루엔자). 또한 백신의 개발은 아무리 서두르더라도 수 개월이 소요되며(임상시험 및 허가에 소요되는 시간까지 합하면 아무리 서둘러도 1년 이상), 이럴 경우 어쩔 수 없이 항바이러스제를 써야 한다.

항바이러스제는 항생제와 달리 특정 바이러스를 잡기 위해 개발된 것들이 대부분이다(반면 항생제는 공통적인 특징을 갖는 여러 세균들에게 두루 유효하다). 때문에 항바이러스제가 개발되어있는 바이러스들은 인류에게 널리 해를 끼치는 거물급들이 많다. 독감의 치료제로 개발된 아만타딘과 리만티딘, 헤르페스 감염 치료용이며 최초의 항바이러스제 중 하나인 아시클로버, HIV 치료용으로 개발된 지도부딘과 라미부딘 등이 그 예다. 간혹 여러 종류의 바이러스에 효과가 있는 항바이러스제도 있지만(플레코나릴 등) 자주 사용되지는 않는다.

 

7. 바이러스성 질환의 진단

세균이나 진균은 인체가 감염에 대항해 만들어내는 물질이나 증가하는 혈중 면역세포 등으로 감염 여부를 꽤 정확히 알 수 있고, 심지어 검체 배양을 통해 동정(원인 병원체를 확인)하는 것도 가능하다. 반면 바이러스는 감염 시 인체가 나타내는 증상과 징후가 특정적이지 않은 경우가 많으며, 대개 일반적인 증상 및 징후(예를 들어 발열, 오한, 복통, 기침 등)를 바탕으로 현재 유행 중인 바이러스 감염을 추측해 대증 치료(증상만 완화시키고 병원체를 직접 치료하지 않음)하는 것이 일반적이다.

그러나 SARS, HIV, 에볼라, COVID-19처럼 사회적으로 큰 문제를 일으키는 바이러스성 질환의 경우 증상이나 징후가 있는 사람이 해당 바이러스에 감염되었는지 정확히 알아낼 방법이 필요하며, 이를 위해 검체에서 바이러스를 검출할 방법이 필요하다. 허나 바이러스는 세균처럼 쉽게 배양할 수 없으므로(해당 바이러스가 잘 감염하는 세포들로 구성된 세포주가 필요), 대개 분자생물학적인 방법으로 진단해야 한다.

일반인에게도 친숙한 간염 검사는 각종 간염 바이러스의 항원과 항체를 검사하는 방법으로, 간염 환자로 판명될 경우 현재 감염력이 있는 활동성 감염인지 여부를 알아보기 위해 바이러스의 유전물질(RNA와 DNA 중 하나. 간염의 경우 DNA)을 검사하기도 한다.

에볼라, SARS, MERS의 진단에는 거의 항상 PCR(중합효소 연쇄반응)을 이용하며, COVID-19 검사에도 (우리나라 등에서는) PCR을 이용했다. PCR은중합효소라는 효소를 이용해 바이러스의 유전물질을 증폭시켜 검출하는 검사기 때문에 범용성이 높고 민감도, 정확도도 양호하다.

8. 기타

거대 DNA 바이러스의 잇따른 발견과, 거대 DNA 바이러스들이 특이한 DNA 및 바이러스 구조를 공유한다는 점으로 미루어 이들은 모두 하나의 공통 바이러스 조상에서 유래한 것이 아니냐는 추측이 있다.

거대바이러스는 세균과 비슷한 세포막과 구조를 지님으로서 세균이 진화한 것이 아니냐는 이야기도 있고, 아예 이 분류의 '바이러스'들은 고균, 세균, 진핵생물과는 별개의, 알려지지 않은 절멸한 역에 속한 생물의 후계가 아니냐는 가설도 있고, 거대 DNA 바이러스들의 공통 조상 유무가 큰 논란 거리임에도 불구하고 꽤 그럴싸한 가설로 여겨지고 있다.

여기에 이놈들을 생물로 봐야 하냐, 아니냐, 혹은 유사 생물로 봐야 하냐는 갑론을박도 있다. 한술 더 떠서, 진핵생물의 기원이 이 거대 바이러스와 고균의 결합에 있다는 가설까지 나왔다.

위에서도 언급되어 있듯이 세균과 바이러스는 엄연히 별개이기에 바이러스로 인한 질환은 반드시 항바이러스제로 치료해야 하며 바이러스를 체내에서 완전히 제거하는 건 현대 의학으로도 아직 불가능하다.  특히 연고처럼 간단히 구입할 수 있는 약을 오남용하기 쉬우므로 질환이 세균성인지 바이러스성인지 진단을 통해 정확히 파악해야 한다.

 

빨리 의학기술이 발달하여 바이러스를 체내에서 완전히 제거 가능하여,  COVID-19, HIV, HPV 등 바이러스로 고통받는 환자들이 줄어들었으면 좋겠다.