신종 바이러스가 출현하기 위해서는 전제조건이 있습니다. 자연 숙주라고 불리는 동물 집단 내에서 그 바이러스가 효율적으로 유지되고 있어야 가능합니다. 자연 숙주 집단 내 바이러스가 지속적으로 유행하기 위해서는 감염 개체가 최소한 다른 한 개체 이상의 개체를 감염시켜야 바이러스 유행의 생명력을 유지할 수 있습니다. 한 개체가 감염시킬수 있는 평균 개체 수를 뜻하는 것을 긴본감염재생지수라고 하는데 기본감염재생지수가 높을수록 전염력은 강하게 나타나며 반대로 낮을수록 바이러스 전염이 급격히 떨어집니다. 바이러스 유행이 지속적으로 유지되려면 일단 그 집단 내 개체 수가 충분히 존재하고 숙주 개체가 서로 빈번한 접촉이 가능하도록 해야 합니다. 홍역 바이러스가 인간집단 내에서 매년 발생하려면 최소 25만~50만 명의 인구를 유지해야 합니다. 마찬가지로 동물 세계에서 특정 바이러스가 지속적으로 유지될 수 있으려면 대규모로 집단 서식하는 동물 집단이 유리할 수 있습니다. 동굴에 서식하는 수백만 마리의 박쥐 집단에서 유지되는 광견병 바이러스와 수십만~수백만 마리가 떼 지어 다니는 야생오리류 사이에서 순환하는 인플루엔자 바이러스가 그러합니다.
대부부느이 바이러스들은 고유한 자연 숙주의 틀 속에서 서식하고 있으나 동물 바이러스가 자연 숙주 동물에서 다른 숙주 동물 종으로 전이될수도있습니다.(Spil over). 그러나 현실적으로는 바이러스가 기존의 숙주 영역 범위를 벗어나 새로운 동물종으로 스필오버하는 것은 거의 일어나기 힘든 사건입니다. 종간 장벽이라는 커다란 장애물이 존재하기 때문입니다. 스필오버가 나타나기 위해서는 자연 숙주와 새로운 숙주 가느이 빈번한 접촉이 존재해야 그 개연성이 높아질 수 있습니다. 또한 그 기회는 그 동물 종에서 감염될수있도록 바이러스가 구조적 변화(변이0를 일으킬 때 제공됩니다.
2020년1월 펭 조우등 중국 과학자들이 밝혀낸 신종 코로나 바이러스 유전자 정보에 의하면 유전자 일부(특히 Orf3b)가 박쥐 바이러스뿐만 아니라 그 어떤 바이러스와도 일치하지 않았습니다. 사스 바이러스처럼 사람으로 넘어오는 과정에서 지금가지 알려지지 않은 제3의 바이러스와 뒤섞임이 일어났을 가능성을 암시합니다. 신종코로나 바이러스가 그 유전자를 어떻게 획득했는지는 바이러스 출현경로를 찾아내고 그 경로를 차단하고자 하는 데 중요한 단서를 제공할것입니다. (제3의 바이러스를 가진)중간 매개 동물이 무슨 동물 종인지 그것을 밝혀내야 하는 것이 과학자들에게 숙제로 남겨졌습니다. 뱀이나 밍트등이 추정되고있는데 아마도 사람과 자주 접촉하는 포유동물로 추정되고 있습니다.
인간 역사에 있어 집단의 밀집도가 급증하던 두 번의 시기에 신종 전염병 출현을 위한 PUSH & PULL 여건이 크게 작동하였습니다. 첫 번째 시기는 인류가 유목생활을 접고 농엽 정착 생활을 하던 시기였고 두 번째 시기는 인구가 폭발적으로 증가하는 대도시화 현대문명시대입니다. 첫 번째 시기에는 야생동물을 가축화하는 중 오늘날 상당수의 사람바이러스들이 이 가축화 단계의 동물로부터 전이되어 넘어왔습니다. 가장 대표적인 것이 소에서 넘어온 홍역 바이러스입니다. 두 번째 시기인 현대문명 시대의 신종 바이러스는 숲속 야생동물에서 가축 등 주변 동물을 거쳐 인간으로 넘어왔습니다.
푸시 여건은 특정지역에 인구 집단이 과도하게 증가하면서 작동합니다. 인구 집단의 증가가 시작되면 생활터전 공간과 식량 자원에 대한 수요가 폭발적으로 늘어나 그 지역에 사는 다른 동물의 서식지 영역을 크게 훼손하게 만들고 쫒겨난 동물들은 새로운 서식지(사람 생활공간 포함)를 찾아 침범할 수 밖에 없습니다. 대표적인 사례가 에볼라 바이러스와 에이즈바이러스입니다.
풀 여건은 인구밀집이 가속화됨에 따라 엄청난 농축산물의 대량생산이 일어나면서 작동합니다. 대량의 농축산물이 생산되는 농경지나 과수원은 먹이부족으로 허덕이는 야생동물이 사람들의 생활터전을 침범해 곡식과 과일을 침탈하게 만듭니다. 가뭄과 산불로 보루네오에서 쫒겨나 과일박쥐가 ㅂ말레이시아 양돈장 내 과수원을 습격하면서 인부들 사이에서 출현한 니파 바이러스가 대표적인 사례입니다.2019년 우한에서 도 이원리가 작동했을거라 봅니다.사실 오래전부터 박쥐는 사람에게 치명적인 바이러스를 상당수 가지고 있는 것으로 알려져있습니다. 광견병 바이러스 뿐만아니라 박쥐에 물리거나 접촉을 통해 또는 박쥐로부터 감염된 개 너구리 같은 2차 동물 등에 물려서 걸리는 공수병으로 전 세계서 매년 5만 5000명이 사망합니다. 중국 사스 바이러스 뿐만아니라 호주 헨드라 바이러스 말레이시아 니파 바이러스 아프리카 에볼라바이러스등의 기원으로 박쥐를 지목하고있습니다.
박쥐는 어떻게 그렇게 많은 바이러스를 보유할수있을가요? 최근 들어 사람에게 치명적인 박쥐 바이러스가 왜 자주 출현할까요?
현재 지구상에는 약 5,000여 종의 포유동물이 서식하고 있습니다. 이 중 박쥐 종은 약 1,240종으로 전체 포유동물 종의 약 25%를 차지하고 있습니다. 지구 상에 존재하는 포유동물 중에서 설치류동물(약 1,600여종)다음으로 생물학적 다양성이 풍부합니다. 특정 숙주를 서식처로 하는 바이러스 특성을 고려하면 이러한 엄청난 생물학적 다양성은 수많은 바이러스 종의 서식 환경을 만들수있게 해줍니다. 바이러만 해도 현재 유전자 은행에 등록된 자료만 2,800여 개에 이릅니다(밝혀진 것은 일부이지만).
지구상에 존재하는 박쥐는 약 5,250만 년 전부터 지구상에 서식해 왔습니다. 박쥐가 진화하면서 다양한 바이러스들이 박쥐의 몸속에 침투했을것입니다. 긴 공생관계의 틀을 유지하며 살아왔겠죠. 그 결과로 박쥐는 거대한 바이러스 저수지인 자연숙주 역할을 하게 되었을 것입니다.
박쥐의 집단 무리생활과 긴 수명은 바이러스가 그 집단에서 유행을 유지하는데 이상적인 여건을 제공합니다. 박쥐는 사회적 동물이라서 집단 생활을 합니다. 소형 박쥐들은 대게 한 동굴에 수백만 마리가 같이 살수있으며 심지어 여러종의 박쥐 종들이 서식할수도 있습니다. 반면 대형 박쥐들은 소규모 무리 집단을 형성하며 집단 간 주기적인 교류도 행합니다.
같은 공간에서 서로 다른 박쥐 종들이 서식하는 경우도 흔하ㅕ 서로 다른 바이러스 들의 뒤 섞임 현상이 일어나는 ‘믹서기 동물’ 역할도 가능합니다. 최근 밝혀진 연구 결과에 따르면 사스는 서로 다른 종의 중국관박쥐 코로나 바이러스 들이 박쥐 몸속에서 뒤섞이는 과정을 통해 잡종 바이러스로 태어난것이라고 합니다. 박쥐 대부분이 수십년의 긴수명을 가지고 일생동안 감염과 재감염을 반복합니다. 일부는 동면과 일상 숙면을 취함으로써 저체온을 유지하면서 대사 에너지를 보존하는데 저체온과 대사 저하는 박쥐의 면역기능을 억제시켜 몸속에 침투한 바이러스 청소를 늦추고 지속적으로 감염 상태를 가질수있는데 바이러스 배출 지속기간이 길어지면서 박쥐집단 내 바이러스를 안정적으로 유지할 수 있습니다. 박쥐는 매일 먹이를 찾아다니고 계절적으로 이주를 합니다. 일부 종은 2.000km를 이동할 수 있습니다.
지구상에서 존재하는 바이러스의 99/9% 이상은 우리 인간과는 아무런 상관없이 서식합니다. 대부분의 바이러스들은 사람이 아닌 다른 숙주에 서식하며 살아갑니다. 그래서 이 바이러스들이 사람에게 감염된다는 것 자체가 성립되지않습니다. 하지만 일부는 우리 몸에 영향을 미치기도 합니다. 바이러스는 지구 생태계의 한 축을 담당하는 존재입니다. 전염병 유행을 통하여 숙주 집단의 급속하고 과도한 번식을 조절하기도 합니다. 세균에 서 서시하는 박테리오파지는 지구상 수계에 존재하는 엄청난 세균을 매일 먹어치움으로써 수계내 세균 개체 수를 조절합니다. 수계내 세균 개체 수가 증가하면 박테리오파지도 같이 증가합니다. 식중독을 일으키는 살모넬라 세균에 서식하는 박테리오파지는 우리 인간이 활요하기에는 매우 매력적인 대상입니다. 살모넬라 세균에서만 선택적으로 서식하는 발테리오 파지를 가축 사료에 첨가물로 사용하려는 연구가 활발합니다. 특히 내성 세균 출현문제로 항생제 사용이 제한되는 현 상황에서 이를 대체한 매력적인 치료제가 될 수 있는 잠재성을 가지고 있습니다. 박테리오 파지ᅟᅳᆯ 이용하여 사람 피부 상처 소독용 제품을 개발하는 연구도 진행중이죠.
인간의 DNA중 단 1%, 즉 약 3000만개의 차이는 보통의 사람과 완전히 다른 형상을 만들어낼수도 있고 인간으로 분류하기 어려울지도 모릅니다. 1%는 어마어마한 종의 영역을 넘나드는 결과를 초래합니다. 그렇다면 바이러스 세계에서는 어떨까요?
바이러스는 가장 원시적인 존재이고 게놈 유전자 덩치가 워낙 작아서 핵산 수가 그리 많지 않습니다. 일반적으로 바이러스는 종에 따라서 수천개에서 수십만 개의 유전자 핵산을 가지고 있습니다. 평균적으로는 약 1만개 정도의 유전자 핵산을 가지고 있는것입니다. 생물학 적 존재로서는 믿기 힘들 정도로 적은 수입니다. 현재까지 지구상에서 확인된 가장 큰 바이러스로 알려진 아메바를 서식으로 삼는 판도라 바이러스도 DNA핵산수가 250만 개를 넘지 않습니다. 그래서 바이러스 유전자에서 돌연변이나 유전적 변화가 생기면 그 차이는 크게 나타날 수밖에 없습니다. 유전자 복제기술이 고등동물만큼 정교하지 않기 때문입니다. 그래서 가장 극단적인 사례는 바이러스 증식과 복제 단백질 형성에 중요한 역할을 하는 바이러스 유전자 부위 일부에 돌연변이와 같은 유전적 변화가 생기면 바이러스의 기능이나 숙주 영역에 의미있는 변화가 나타나는 것입니다. 고등동물에서 수백만년에 걸쳐 서서히 분화가 진행되어 종의 진화가 나타나지만 바이러스의 경우 고등동물과는 확연히 다른 차원이 존재합니다. 고등동물종에서는 상상조차 할 수 없는 엄청난 유전적 다양성을 바이러스 세계에서 볼 수 있습니다, 같은 바이러스 종이라 하더라도 바이러스 개체에 따라서 유전자 염기서여르이 차이가 1%이상 존재하는 것은 부지기 수입니다.
단 하루 바이러스가 한세대를 거치는데 필요한 기간입니다. 일반적으로 바이러스는 세포에 감염되고 세포 속에서 후손 바이러스를 만들어내는데 하루면 충분합니다. 한 세대를 거치는데 평균적으로 30년이 걸리는 우리 인간에 비교할 바가 아닙니다. 빠른 유전적 변이와 맞물려 광속의 세대 교체는 바이러스의 진화속도에 가속도를 붙여 오늘날 지구촌 모든 생명체에서 바이러스가 서식할 수있도록 엄청난 유전적 다양성을 부여하는 토대가 되었습니다. 그래서 같은 오리에서라도 아집단 중에 백신을 만들 때 엄청난 분리 작업이 필요하고 같은 바이러스들끼리도 살아남은 우점종이 반복적인 선택을 하며 바이러스 유전자는 진화합니다.
10년이 경과하는 동안 바이러스는 숙주 자체의 면역 장벽뿐만 아니라 자신들과 동종인 백신이 만들어놓은 숙주 면역과도 싸워왔습니다. 그래서 바이러스에 따라 전염병 유행의 부침을 거듭하기도 하고 그 와중에 숙주의 면역체계를 회피하는 방향으로 지속적으로 변신을 거듭해왔습니다. 온순한 바이러스는 숙주와 타협하는 방향으로 공생하는 선택을 했습니다.
예를 들면 닭에게 치면적인 바이러스인 뉴캐슬병 바이러스를 주입하여 한그룹은 백신을 접종(건강유지)하고 나서 한그룹은 미리 바이러스를 주입하는 백신접종없이 같은 시점에 바이러스를 주입(일주일도 지나지않아 모두 사망)한뒤 두 그룹의분변에서 배출된 바이러스 간에 어떤 변화가 있는지 조사했습니다.
백신접종을 맞은 않은그룹은 난폭하게 증식하기 시작합니다. 닭이 죽기 전에 이미 수백만 개의 바이러스가 닭의 몸속에 증식해있습니다. 닭에 주입하기 전 바이러스와 동일한 얼굴을 하고요. 바이러스 구조에 어떠한 변화도 감지되지 않았다는 거죠.
예방접종을 받은 그룹에서는 치명적인 바이러스를 주입했어도 닭의 몸속에서 증식한 바이러스는 수천개 정도로 극히 미미했고 며칠이 지나서는 이마저도 완전히 통제되어 더 이상 증식하지 못했습니다. 그러나 이들 바이러스를 분석했을 때 원래 닭에 주입했더 바이러스와 유전정보가 완전히 동일하지는 않은 돌연변이가 일어난 흔적이 발견되었습니다. 또 순수 분리한 바이러스 아집단들은 돌연변이가 모두 동일한 부위에서 나타난 것만은 아니ᅟᅥᆻ습니다. 그래서 닭의 분변에서 배출된 치명적인 바이러스는 숙주의 면역학적 공격을 받으면서 서로 다른 유전적 차이를 보이는 아집단을을 형성하고 있습니다. 그러한 변이는 바이러스를 무력화시키기위하여 항체가 달라붙는 바이러스 껍데기 단백질(HN) 부위에 집중되어있었습니다. 비록 닭몸속에서 소멸되면서 면역 체계의 공격에 대항해 생존하는데는 실패했지만 닭 면역체계의 공격을 피하기 위하여 그 짧은 순간에도 나름대로 다양한 변신의 과정이 진행되고 있음을 시사합니다. 만약 돌연변이가 보다 쉽게 일어나는 바이러스가 이러한 공격을 받았다면 숙주에서 증식한 바이러스의 유전적 돌연변이는 더 수월하게 일어났을것입니다. 심지어 많은 돌연변이 단계를 거치면 어느 순간에는 상당한 수준의 변종 바이러스로 돌변할 수 있습니다. 이러한 조짐은 이미 동남아시아 지역에서 유행하는 고병원성 조류 인플루엔자H5N1에서도 나타나고 있습니다. 동남아시아 지역은 신 변종 조류인플루엔자 출현의 중심역할을 하는 곳입니다.
H5N1바이러스들은 진화 변이가 빨라 기존에 상용하는 상용백신으로는 더 이상 유행을 차단할수없다고 합니다. 에이즈 바이러스도 유전자 돌연변이가 매우 빠르게 일어나 수시로 바이러스 껍데기 모양을 바굽니다. 그래서 숙주의 면역체계가 바이러스를 인식하고 제거하는데 골머리를 앓습니다. 다양한 항바이러스 치료제를 사용하지만 금방 내성이 생겨버릴정도라 아직까지 제대로된 에이즈 예방 백신이 상용화되지 못하고 있습니다.
평균 직경 100nm)나노미터 10억분의 1m)바이러스는 자신의 유전자에 단백질 껍데기를 뒤집어쓴 이 단순화고 작은 나노물질에 불과합니다. 이러한 바이러스는 세포를 임대하여 살아가는 매우 전략적인 선택을 구사합니다. 숙주세포가 존재하는 한 바이러스는 서식처를 보장받는것이죠. 바이러스는 자연숙주라는 정해진 서식처에서 살아갑니다. 거기에서 바이러스는 숙주에 큰 위해를 가하지 않는 선에서 즉 숙주의 면역체계라는 무기가 무리하게 가동되지 않는 선에서 적당히 번식을 하고 숙주 역시 바이러스를무리하게 제거하려고 하지않습니다. 그러나 가금은 난폭하고 이기적입니다. 바이러스의 난폭성은 자연숙주의 보장된 서식처를 벗어나 새로운 숙주 서식처를 찾아 나설 때 주로 발생합니다. 숙주는 자신이 인지하지 못하는 새로운 침입자에 대하여 면역체계를 가동하며 강력히 저항하여 제거하려고 하고 바이러스는 새로운 숙주의 면역 감시망이 가동되기 전에 또는 숙주 면역체계가 작동하더라도 감당하지 못할 정도로 격력하게 증식하려고 합니다. 이 경우 숙주가 이기는 경우가 대부분이어서 종간 장벽을 넘어와 새로운 숙주에 정착하는 바이러스는 매우 드뭅니다. 만약 그 숙주가 바이러스를 통제하는데 실패하게되면 바이러스 수는 기하급수적으로 늘어나 숙주 면역체계가 더 이상 감당하는 수준으로 변합니다. 새로 출현한 신종 바이러스가 사람에게 위협적이고 치명적인 이유도 원래의 자연숙주가 아닌 새로운 숙주에 정착하려는것과 유사한 상황일것이라는 추정이 가능합니다. 바이러스가 지속적으로 유지되려면 바이러스 자신의 난폭성을 줄이는 방향으로 진행되어 감염 숙주가 바이러스를 배출할 수 있는 기간이 길어져 오래 생존해야하므로 새로운 숙주집단에서 서식하는데 성공한 바이러스는 숙주에 대한 병원성(치명성)을 줄이고 숙주 개체 사이에서 이루어지는 전염성을 높이는 즉 치명성과 전염성 간 불균형을 해소해 가는 방향으로 진화하게 됩니다. 과거에 판데믹 인플루엔자 바이러스가 계절 독감으로 순화된것처럼 말이죠.
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