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[김동청 교수의 식품&바이오 이야기(26)] 코로나19 바이러스 진단과 백신 (1)

다음 달(2024년 5월 1일)부터 코로나19 감염병에 대한 위기 단계가 가장 낮은 ‘관심’으로 하향되면서 코로나19는 본격적인 엔데믹(endemic) 상황으로 들어서게 되었다. 치명적인 감염병이 전 세계적으로 유행하는 것이 팬데믹(pandemic, 대유행)이라면, 엔데믹은 코로나19 감염병이 풍토병화되어 계절 독감처럼 많은 사람들이 감염되더라도 치명적이지는 않다는 것을 의미한다.

 

우리나라는 코로나19 바이러스의 빠른 진단과 백신 접종을 통해 팬데믹을 잘 극복할 수 있었다. 엔데믹을 맞아 코로나19 바이러스 감염자를 진단하는 PCR 검사와 신속항원 검사에 대해 돌아보고, 연이어 여러 종류의 코로나19 백신의 특징과 차이에 대해 두 편의 글로 나누어 다뤄보려고 한다.

 

 

우리가 지금 사용하는 코로나 바이러스라는 말은 바이러스의 생김새를 일컫는 것이다. 원래 코로나(corona)는 개기일식 때 달 그림자 밖으로 환하게 보이는 고온의 빛(플라즈마)을 말한다. 태양 코로나와 유사한 모양을 가진 바이러스를 통틀어 코로나 바이러스라고 하고, 과거 우리를 괴롭혔던 사스(SARS)와 메르스(MERS) 바이러스도 코로나 바이러스의 일종이다.

 

따라서 2019년에 발생하여 전 세계로 퍼진 코로나 바이러스를 다른 것들과 구별하기 위해 COVID-19(corona virus disease 2019, 코로나바이러스 감염증-19) 바이러스 또는 코로나19 바이러스라고 부른다.

 

코로나19 초창기에는 치료제도 없고 백신도 개발되지 않았기 때문에 감염자를 빠르게 찾아내어 격리하는 것이 우선이었다. 그 당시 코로나19 바이러스 감염자를 찾아내는데 PCR법이 사용되었기 때문에 전문가가 아니더라도 우리 국민 대부분이 PCR이란 용어에 매우 익숙해졌다.

 

PCR은 polymerase chain reaction의 약자로 우리 말로는 중합효소 연쇄반응이라고 한다. 중합효소를 이용하여 유전자의 증폭(복제) 과정을 연속하여 반복함으로써 분석 대상자의 목적 유전자(개체 간의 차이를 나타내는 유전자)를 다량 확보하는 것이다. PCR법은 감염병 진단뿐만 아니라 과학수사, 농·수·축산물의 원산지 확인, 친자 확인 등에도 사용된다.

 

 

우리는 머리카락 한 올만 있어도 유전자 분석으로 범인을 잡을 수 있다고 알고 있다. 하지만 머리카락 한 올에 들어있는 DNA의 양은 너무 적어서 분석하기가 매우 어렵다.

 

예를 들면 물 한 컵에 설탕 한 숟가락을 넣고 혀를 대면 단 맛이 감지되지만, 물이 가득 찬 욕조에 설탕 한 숟가락을 넣은 후 혀를 대면 단 맛이 전혀 느껴지지 않을 것이다. 욕조 물에도 한 숟가락의 설탕이 들어 있지만 농도가 너무 낮아 혀라는 분석 방법으로는 감지할 수 없는 것이다. 만약 설탕이 욕조에서 증폭되어 한 숟가락이 한 가마니가 된다면 충분히 감지하고도 남을 것이다. 설탕은 증폭할 수 없지만, 유전자는 생명체가 가지고 있는 복제 시스템을 이용하여 충분한 양으로 증폭시킬 수 있다.  

 

PCR 검사에서 대상자의 모든 유전자를 증폭할 필요는 없다. 사람의 경우 남성과 여성의 유전자는 약 1%만 차이가 있고, 인간과 침팬지의 유전자는 98% 이상 일치한다. 범죄 현장에서 나온 범인의 유전자 모두를 증폭시켜 분석한다면 98%의 확률로 모든 인간과 침팬지가 용의자가 되는 웃지 못할 상황이 발생할 것이다. 따라서 유전자를 증폭하되 사람마다 차이가 있는 유전자 부위만 증폭해야 한다. PCR은 개체 간에 차이가 나타나는 목적 유전자만 다량 증폭시킬 수 있는 혁신적인 기술인 것이다.

 

코로나19 바이러스 유전자의 PCR에는 몇 가지 기술이 더 들어간다. 원래 PCR은 유전자 DNA의 특정 부분을 복제하는 것인데, 코로나 바이러스는 DNA 대신에 RNA를 유전자로 가지고 있다. 따라서 RNA를 DNA로 바꾸어주는 과정이 필요한데 이를 역전사라고 하고, 이때 얻어진 DNA를 cDNA라고 한다. 또한 사스, 메르스 등의 다른 코로나 바이러스도 공통적으로 가지고 있는 유전자 부위를 증폭시키면 안되고, 오로지 코로나19 바이러스가 가지고 있는 특징적인 유전자 부분만 증폭해야 한다.

 

고전적인 PCR은 목적 유전자를 증폭시킨 후에 유전자 분석 과정을 거치는데 이 때 많은 시간이 소요된다. 감염 의심자의 시료를 채취하여 PCR로 목적 유전자를 증폭한 후 유전자 분석까지 하게 되면 시간이 많이 걸려 감염자를 조기에 찾아내어 격리하는 것이 어려울 것이다.

 

 

이러한 문제점을 해결하기 위해 실시간(real time)-PCR이 사용되는데, 코로나19 바이러스의 특정적인 목적 유전자가 복제됨과 동시에 형광 물질이 색을 나타내도록 하였다. 실시간으로 유전자 증폭 과정에서 감염되었는지를 바로 확인할 수 있어서 분석 시간을 크게 줄일 수 있었다. 다만 실시간-PCR도 전문 장비를 사용하여 유전자를 증폭하면서 분석을 수행하다 보니 아무리 시간을 단축했다 하더라도 다음 날 아침이 되어서야 감염 여부를 통보받을 수 있었다.   

 

 

팬데믹이 지속되면서 감염자가 폭증하여 실시간-PCR의 검사 역량으로 검사 수요를 따라잡기 어려워지는 상황에 놓이다 보니 신속항원 검사를 같이 사용하게 되었다. 신속항원 검사는 코로나19 바이러스의 특이 단백질(항원)을 감지하는 방법으로 15~30분 내에 감염 여부를 확인할 수 있는 매우 빠르고 편리한 방법이다.

 

검사 키트에는 코로나19 바이러스의 단백질(항원)에 대한 항체가 있어서 항원과 결합 시에 ‘T’ 부분에 붉은 색 띠로 나타나 양성 판정을 내리게 된다. 코로나19 바이러스의 항원 단백질이 없으면 ‘T’ 부분에는 띠가 나타나지 않고,  ‘C’ 부분에만 붉은 색 띠를 나타내 음성 판정을 받게 된다.        

 

감염자의 체내에 바이러스가 미량 존재하더라도 PCR 검사에서는 유전자를 증폭하기 때문에 감염 여부를 확인할 수 있다. 하지만 바이러스의 항원 단백질은 증폭이 되지 않기 때문에 바이러스의 양이 적으면 음성으로 나타날 수 있다.

 

특히 코로나19 바이러스가 잠복기에 있는 무증상자는 PCR 검사에서 양성으로 찾아낼 가능성이 높지만, 신속항원 검사에서는 음성으로 나타날 수도 있다. PCR 검사나 신속항원 검사 모두 코로나19 바이러스를 감지하는 정확도는 높지만 민감도(얼마나 적은 양을 감지할 수 있는지)에서 차이가 난다.

 

만약 백신과 치료제가 전혀 없던 코로나 유행 초기에 신속항원 검사를 통해 감염자를 찾아냈다면 분석 시간은 줄일 수 있었겠지만, 민감도가 낮기 때문에 아직 증상이 나타나지 않은 감염자를 음성으로 판정하는 사례가 발생할 수 있었다.

 

즉 무증상 감염자로 하여금 코로나에 걸리지 않았다고 잘못 판단하게 함으로써 자유롭게 돌아다니면서 바이러스를 여기저기 확산할 가능성이 커지는 문제가 있어 치명률이 높은 코로나 초기에는 조금 불편하더라도 실시간-PCR 검사로만 감염자를 찾아낸 것이다.

 

현재는 실시간-PCR 검사와 함께 기침, 열, 인후통 등의 코로나 의심 증세를 보이는 사람을 대상으로 신속항원 검사가 유용하게 사용되고 있다.

 

우리나라는 실시간-PCR 검사로 감염자를 조기에 찾아내어 격리함으로써 감염자수와 치명률을 낮추면서 백신 접종까지의 시간을 벌었고, 높은 백신 접종률로 코로나 위기를 극복할 수 있었다.

 

이 과정에서 백신 부작용에 대한 우려도 있었고, 의료인, 자영업자, 소상공인을 비롯한 많은 국민들의 희생이 있었음을 기억해야 할 것이다. 다음 글에서는 바로 이어서 코로나19 바이러스 백신에 대해 다뤄볼 것이다. <다음편으로 이어집니다.>

 

☞ 김동청 교수는?

= 연세대 생화학과를 졸업했다. 연세대 대학원 생화학과 이학석사 및 서울대 대학원 농화학과 농학박사 학위를 취득했다. 대상㈜ 중앙연구소 선임연구원, 순천제일대 조교수, 영국 캠브리지대 방문연구원, 성균관대 기초과학연구소 연구교수를 거쳐 현재 청운대 인천캠퍼스 화학생명공학과 교수로 재직중이다. 식품기술사 자격도 갖고 있다.



 

   

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