바이오스펙테이터

남궁석 SLMS(Secret Lab of Mad Scientist) 대표

바이러스와의 전쟁②최초 발견된 바이러스인 식물 유래 바이러스 담배 모자이크 바이러스(TMV)를 통한 화학적 존질 확인...'스페인 독감' 대유행 이후 인플루엔자 병원체의 확인, 그리고 백신 제조까지

지난 연재에서는 박테리아보다 작은 병을 일으키는 전염성 인자인 바이러스의 존재를 처음 확인하던 20세기 초반까지의 이야기를 다루었다. 20세기 초반에 박테리아를 걸러내는 필터를 통과하는 바이러스라는 전염성 인자가 있다는 것은 확인되었지만, 이들의 화학적 실체가 알려진 것은 1930년대에 이르러서였다. 바이러스의 화학적 본질을 알기 위해서는 일단 순수한 바이러스를 대량으로 배양하여 얻을 수 있어야 가능하다. 이러한 것이 처음으로 이루어진 것은 역시 최초로 발견된 바이러스인 식물 유래 바이러스인 담배 모자이크 바이러스(Tobacco Mosaic Virus)였다.

바이러스의 화학적 본질의 확인

담배 모자이크 바이러스(TMV)는 동,식물 바이러스 및 박테리오파아지를 통틀어 가장 처음 발견된 바이러스인 동시에 그 화학적 조성이 맨 처음 확인된 바이러스이다. 뉴욕의 록펠러 의학연구소(현재의 록펠러 대학)에 근무하던 연구자 웬델 스탠리(Wendell M. Stanley, 1904-1971)는 바이러스의 화학적 본체를 규명하기 위하여 TMV의 정제를 시도하였다. 그는 TMV의 감염력이 단백질 분해 효소의 처리에 의해서 줄어든다는 것을 알았으며, TMV 바이러스를 순수 정제하여 이것이 단백질로 구성되어 있다는 것을 확인하고, 1935년 TMV 바이러스를 결정화하는 데 성공하였다[1]. 결정화는 순수한 물질에 의해서만 일어나는 일이므로, 그의 발견은 바이러스가 순수한 단백질로 이루어져 있다는 증거로 받아들어졌고, 유전 물질이 단백질로 구성되어 있다는 그때까지의 생각을 뒷받침하는 증거로 여겨졌다[2].

그러나 그의 발견은 2년도 안되어 영국의 다른 연구자들에 의해서 도전받게 되었다. 바우덴(Frederic.C. Bawden)과 피리에(Norman Pirie, 1907-1997)는 TMV 바이러스를 정제하고, 이것의 인산 함량이 스탠리가 보고한 것과 다르다는 것을 알게 되었다[3]. 이들은 곧 TMV 바이러스가 약 95% 의 단백질과 5%의 RNA 로 구성되어 있는 핵산-단백질 복합체라는 것을 알게 되었다[4]. 스탠리는 처음에는 이러한 결과에 동의하지 않았으나, 그의 실험 결과 바이러스에서 RNA를 제거하면서 동시에 감염력을 잃지 않게 하는 것이 불가능하다는 것을 알아낸 이후 결국 바이러스의 감염에 단백질과 RNA가 동시에 필요하다는 것을 알게 되었다. 약 20년 후인 1956년 TMV의 감염은 단백질이 제거된 RNA 만으로 가능하다는 것을 알게 된다[5].

바이러스의 배양

식물 바이러스나 박테리오파아지에 비해서 동물 바이러스의 연구를 어렵게 한 것은 20세기 초반 바이러스의 존재가 처음 알려진 이후, 바이러스는 살아있는 동물을 통해서만 전파되며, 미생물처럼 간단히 체외에서 대량으로 배양할 수 있는 손쉬운 방법이 없었기 때문이다. 그리고 질병을 옮기는 바이러스를 살아있는 동물을 통하여 증식시키는 것은 매우 위험한 일이었다. 이러한 한계를 극복하여 바이러스를 체외에서 배양하려고 하는 시도는 20세기 초부터 시도되었다. 동물 바이러스를 체외에서 배양하기 위해서는 먼저 바이러스의 숙주가 되는 동물 세포 및 조직의 배양 자체가 가능해야 한다. 1907년 존스 홉킨스 대학의 연구자였던 로스 그랜빌 해리슨(Ross Granville Harrison, 1870–1959)은 신경계로 발달하는 개구리의 배아 조직의 일부를 체외에서 몇 주 동안 유지시키는 테크닉을 개발하였다. 그는 현미경의 커버 슬립에 림프액 방울과 조직을 올리고, 이를 슬라이드 글래스 밑에 붙이고 밀봉하는 행잉 드롭(Hanging-drop) 방법을 이용하여 살아있는 조직을 몇 주 동안 유지하는데 성공하였다[6]. 해리슨의 방법을 이용하여 1913년 콜롬비아 대학의 스테인하트와 램버트는 토끼의 각막피세포(Corneal epithelium)에서 천연두 바이러스(Vaccina Virus)를 접종하여 배양하는데 성공하였다[7]. 그 이후 여러가지 조직을 이용하여 체외에서 바이러스를 배양해보려는 시도가 계속되었다. 그러나 증식이 제한적인 조직이나 일차 세포 (Primary Cell)에서 바이러스 연구 및 백신 제작에 충분한 양의 바이러스를 얻는 것은 쉬운 일이 아니었다. 또한 바이러스 접종과 배양 과정에서 세균의 오염없이 순수한 바이러스를 배양하는 것도 쉬운 일이 아니었다.

이러한 상황은 1930년대 초 밴더빌트 대학의 병리학자 어네스트 굿패스쳐(Ernest Goodpasture, 1886-1960)와 그와 함께 일하던 연구원이던 앨리스 우드러프(Alice M. Woodruff), 유진 우드러프(Eugene Woodruff)의 연구에 의해서 바뀌게 되었다. 1920년대부터 굿패스쳐의 연구팀은 바이러스를 체외에서 배양할 수 있는 여러가지 방법을 찾고 있었다[8]. 이들은 천연두 바이러스의 일종이지만 인간에게는 감염성이 없는 바이러스인 닭 천연두 바이러스(Fowl-pox virus)를 이용하여 연구를 수행중이었고, 처음에는 닭의 신장 세포를 이용하여 바이러스를 배양해 보려고 하였으나, 이 바이러스는 닭의 신장 세포에서 전혀 증식하지 않았다. 그러던 중 이들은 수정된 달걀의 양막(chorio-allantoic membrane)에 천연두 바이러스를 주입하면, 수정란 상태의 닭 배아에서 바이러스를 성공적으로 배양할 수 있다는 것을 발견하였다[9]. 이들은 닭 천연두 바이러스 뿐만 아니라 사람 천연두 바이러스 등의 동물 바이러스를 닭 수정란을 이용하여 배양할 수 있고, 이렇게 배양된 바이러스를 이용하여 백신을 제조할 수 있다는 것을 알게 되었다[10].

인플루엔자의 병원체의 확인

이전 연재에서 설명한 것처럼 1918년의 인플루엔자는 전세계적으로 약 5천만명의 희생자를 냈으며 이를 일으키는 병원체의 규명에도 당시의 많은 의과학자들의 관심이 쏠렸다. 그러나 인플루엔자가 바이러스에 의해서 일어난다는 것이 밝혀진 것은 1930년대에 이르러서였다. 이렇게 인플루엔자를 일으키는 병원체 자체의 발견이 늦었던 것은 19세기 후반의 의학을 지배하던 ‘질병의 병원균설’(Germ theory of diseases), 즉 거의 대부분의 질병이 병원균(박테리아)에 의해서 일어난다는 도그마의 탓이 크다.

1892년 독일의 미생물학자 리차드 프리드리히 요하네스 파이퍼(Richard Pfeiffer)는 인플루엔자의 병원체를 찾으려고 했다. 그는 병원균설의 대부적인 존재인 로베르토 코흐(Roberto Koch)의 제자로서 장티푸스 백신을 개발한 업적을 났다. 그는 인플루엔자 환자의 인후에서 한 종류의 세균을 분리하였고, 처음에는 ‘파이퍼의 바실러스’ 라고 불리던 이 박테리아는 나중에 Haemophilius influenza라는 이름이 붙었다. 사실 그 당시만 하더라도 세균학의 전성시대로 수많은 질병, 가령 콜레라, 장티푸스 등이 세균에 의해서 일어난다는 것이 알려지고 있었으며 파이퍼의 발견 역시 의심받지 않고 넘어갔다.

그러나 문제는 1918년, ‘스페인 독감’으로 알려진 전세계적인 인플루엔자 대유행에서 일어났다. 약 5천만에서 1억명의 사망자를 낸 것으로 추산되는 인플루엔자의 유행에서 의학자들이 그냥 손 놓고 있었던 것은 아니었다. 이들은 이전에 발견된 Haemophilus influenzae의 변종을 찾아서 이를 이용하여 약독화 백신을 만들면 인플루엔자를 예방할 수 있을 것이라고 생각했다. 그러나 이상한 일이 일어났다. 인플루엔자 환자 중에서 Haemophilus influenzae가 발견되는 경우도 있었지만 그렇지 않은 경우도 있었다. 그러나 여전히 이 세균이 인플루엔자의 병원균이라는 것은 의심받지 않고 있었다. 그 이유는 이 세균은 배양이 매우 까다로운 세균이라서 발견을 못 한 것은 세균 배양기술이 미숙했기 때문이었다고 생각했기 때문이다.

그러나 1921년 미국 록펠러 연구소의 연구자들이 인플루엔자 환자에서 회수되어 감염됨 실험동물의 폐 추출액에서 박테리아를 걸러낼 수 있는 필터를 통과한 물질이 인플루엔자를 일으킨다는 것을 확인한 이후 이 박테리아가 진짜로 인플루엔자를 일으키는 병원체인지에 대한 의심이 커져갔다[11]. 인플루엔자를 일으키는 바이러스가 발견된 것은 또 10년이 지난 이후였다. 리처드 슬로프 (Richard Slope)라는 연구자가 돼지에서 필터를 통과하는 감염물질을 찾아냈고, 같은 돼지에서 발견된 Haemophilus influenza는 인플루엔자 감염을 일으키지 않음을 확인했다. 1933년, 인간 유래의 인플루엔자 A 바이러스가 윌슨 스미스(Wilson Smith,1869-1965) 등에 의해서 토마스 프랜시스 주니어(1900-1969)에 의해서 인간 유래의 인플루엔자 바이러스 B가 1936년 발견되었다 [12]. 인플루엔자라는 질병이 알려지고, 인류 역사상 유례없는 인플루엔자의 대유행으로 약 4천만명의 사람이 사망하고도 약 15년이 지나서야 인플루엔자를 일으키는 진정한 병원체가 규명된 셈이다.

▲그림 1.(좌) 달걀 수정란을 이용한 바이러스 배양법을 개발한 병리학자 어네스트 굿패스쳐 (Ernest Goodpasture, 1886-1960). 그는 1931년 앨리스 우드러프 (Alice M. Woodruff) 와 유진 우드러프 (Eugene Woodruff)와 함께 수정란의 양막에 닭 천연두 바이러스를 접종하여 수정란 안의 닭 배아를 이용하여 바이러스를 배양하는 방법을 개발했고, 이 방법은 황열병 바이러스, 인플루엔자 바이러스 등의 백신을 개발하는데 결정적인 공헌을 하였다.

황열병과 인플루엔자의 백신 개발

20세기 초부터 1930년까지 이루어진 여러가지 질병 원인 바이러스의 확인과, 달걀 수정란을 이용한 체외에서의 바이러스 배양법 확립은 해당 바이러스 질병에 대한 백신 개발의 초석이 되었다.

지난 연재에서 알아본 월터 리드에 의한 황열병(Yellow fever)을 유발하는 바이러스의 확인 이후에도 황열병 바이러스에 대한 연구는 계속되었다. 1928년 황열병 바이러스가 히말라야원숭이(Macacas rhesus)에도 감염된다는 것이 알려진 이후 원숭이 모델을 이용한 바이러스 연구가 가능해졌다[13]. 1930년 남아프리카 출신의 연구자인 맥스 테일러(Max Theiler, 1899-1972)는 원숭이보다 더 간편한 실험동물인 마우스의 뇌에서 바이러스를 감염하여 증식시킬 수 있다는 것을 발견하였고[14], 그는 1930년부터 뉴욕의 록펠러 의학연구소에서 황열병 바이러스에 대한 연구를 진행하게 된다.

그러나 그는 마우스 뇌에서 바이러스를 계속 배양할수록 바이러스의 배양시간이 단축되고, 원숭이에서의 병원성이 약화된다는 것을 발견하게 되었다. 그는 그 이후에 마우스 배아, 닭 배아, 쥐 고한 등의 다양한 세포 배양 시스템에서 바이러스를 배양해 보았는데, 바이러스의 계대(Passage)가 반복될수록 바이러스의 병원성이 약화된다는 것을 발견하였다. 특히 닭 배아에서 배양된 바이러스일수록 원숭이에서의 병원성이 약화되어 거의 병원성이 나타나지 않는다는 것을 발견하였는데[15], 이러한 발견은 약독화된 생 백신(Attenuated live vaccine) 개발의 기반이 되었다. 즉 원래의 숙주 생물과는 현저하게 다른 호스트에서 살아남기 위해서는 돌연변이가 축적되어야 하고, 계대가 반복될수록 바이러스에 돌연변이가 축적되어 원래의 숙주 생물에서의 병원성은 약화되는 것이다. 이렇게 병원성이 약화된 바이러스를 주사함으로써 항체를 유도함으로써 백신으로써 작용하게 된다.

닭 배아에서 배양된 약독화된 바이러스인 17D는 굿패스쳐가 개발한 수정란에서 바이러스를 대량 배양하는 시스템에서 생산되어 1938년부터 브라질에서 테스트되기 시작하였으며 곧 매우 뛰어난 황열병 예방 효과가 있다는 것이 확인되었다. 록펠러 재단에서는 황열병이 창궐하는 국가에 해마다 수백만 도즈의 백신을 수정란 배양법을 이용하여 생산하여 제공하였으며, 현재까지 약 4억 도즈의 17D 바이러스에 기반한 황열병 백신이 생산되어 접종되었다. 맥스 테일러는 1951년 황열병 바이러스 백신을 개발한 공로로 노벨 생리의학상을 수상한다.

한편 인플루엔자 바이러스 역시 1936년 프랭크 맥팔레인 버넷(Frank Macfarlane Burnett, 1899-1985)에 의해서 수정란에서 배양될 수 있다는 것이 발견되었다[16]. 아마 이 신약연구사를 지속적으로 읽은 사람이라면 버넷의 이름은 상당히 익숙할텐데, 그는 신약연구사의 항체 기반 항암제를 소개할 때 항체의 다양성을 설명하기 위한 모델인 클로널 셀렉션(Clonal selection) 이론을 창시한 사람으로 소개하였다. ‘면역항암치료’ 편에서는 종양면역감시(Tumor immunosurveillance)의 개념을 제시한 사람으로 소개된 적이 있다. 버넷에 의해서 수정란을 이용하여 인플루엔자 바이러스를 대량으로 배양하는 기술이 개발된 이후, 수정란에서 바이러스를 원심분리를 이용하여 분리하고, 바이러스를 포르말린(formalin)으로 불활성시켜도 백신으로도 사용할 수 있다는 것이 발견되었다. 이러한 연구를 1945년에 보고한 것은 록펠러 대학에서 이전에 TMV를 처음으로 정제하여 결정화했던 웬델 스탠리였다. 식물 바이러스를 처음으로 정제하고 이의 화학적 조성을 분석한 경험이 동물 바이러스의 연구에도 훌륭하게 응용된 셈이다[17].

1918년의 전세계적인 인플루엔자의 대유행이 1차 대전이 종료되고 귀국한 병사들에 의해서 전파되었다는 것을 감안하여 2차 대전 종료후 귀국하는 병사들에 의해서 이러한 일이 재발되지 않도록 1945년 인플루엔자 바이러스 A와 인플루엔자 바이러스 B가 섞인 불활성 백신이 준비되었고, 1946년부터 전 미군 병력들은 인플루엔자 백신을 접종받게 되었고, 민간에 대한 사용도 허가되었다. 이러한 시의적절한 백신의 등장 때문에 2차 세계대전이 종료된 이후에는 1차 세계대전 종료와 같은 세계적인 인플루엔자 유행을 피할 수 있게 되었고, 인플루엔자 백신의 유효성이 입증되게 되었다[18]. 이렇게 수정란을 통하여 생산된 인플루엔자 바이러스를 불활성화여 만드는 백신은 현재까지도 인플루엔자 백신의 표준적인 생산 방법으로 남아 있다.

1차 세계대전 이후 인플루엔자 대유행 이후 30년 만에 이러한 문제를 극복할 수 있었던 것은 그동안의 바이러스에 대한 지식의 축적과 바이러스 배양법의 개발, 백신의 개발이 결정적이었다는 것은 두말할 필요가 없을 것이다.

다음 연재에서는 2차대전 이후 바이러스와의 전쟁에서 새로운 전장으로 떠오른 소아마비 바이러스와의 전쟁의 역사를 알아보도록 하자.

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