[코로나19 연구속보] 유전자 추적 '바코드'가 코로나19 전파와 진화 신속하게 찾아낸다

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미국 드렉셀대 연구진은 신종코로나바이러스감염증(코로나19) 전파 경로와 돌연변이를 추적하기 위해 코로나19 바이러스(SARS-CoV-2)의 유전적 서열 패턴 변화를 쉽게 발견하는 새 방법을 개발하고 있다. 미공공과학도서관 제공

신종코로나바이러스감염증(코로나19)이 전 세계로 확산하면서 과연 이 바이러스가 어디에서 유래했는지가 초창기부터 초미의 관심사였다. 또 10개월 만에 전 세계 사망자가 110만 명을 넘어서고 가을이 되면서 다시 확산세로 돌아서면서 더 잘 감염되고 더 치명적인 돌연변이가 나타난 건 아닌지 우려를 낳고 있다.

미국 드렉셀대 연구팀은 코로나19를 유발하는 사스코로나바이러스-2(SARS-CoV-2)에 새로운 변이(바이러스 유전체 일부가 바뀌는 현상)가 출현할 때마다 빠르게 이를 식별해 표식을 붙일 방법을 개발했다.

과학자들은 사스코로나바이러스-2의 표면 단백질 중 하나인 ‘스파이크 단백질’을 구성하는 아미노산 가운데 일부에서 변이가 발생하면서 바이러스의 감염력을 높일 가능성이 있다고 보고 변이 발생 추이를 추적하고 있다.

전 세계 코로나19 환자에게서 수집한 바이러스 유전체 정보를 공동으로 수집해 분석하는 국제기구인 국제인플루엔자데이터공유이니셔티브(GISAID) 등은 주요한 변이에 따라 바이러스 계통을 분류하고 있다. GISAID는 스파이크 단백질의 614번 변이를 주요 변이 중 하나로 보고 이 변이가 발생하기 전과 이후 유형, 그리고 이후에 다른 추가 변이를 기준으로 세분화하고 있다. GISAID의 경우 초기에 S와 L이 분류하고, L이 나중에 V와 G로 나뉘었고 G 유형은 워낙 많이 퍼져 나중에 또다시 GR과 GH로 나눈다. 미국에서는 8~14개 유형의 코로나19 바이러스가 현재까지 발견됐다. 이 가운데 일부 중국을 포함해 아시아에서 직접 건너간 사례가 있고 일부는 유럽에서 발견된 유형과 같은 것도 있는 것으로 나타났다.

혼합된 박테리아에서 유전자 시료를 분석하기 위해 처음 개발된 유전자 분석 도구는 대규모 유전체 정보에서 패턴을 찾아내고 바이러스가 유전적으로 변화했는지 여부를 확인할 수 있다. 이 패턴을 활용해 작은 유전적 차이가 나타나는 바이러스에 ‘정보 하위 유형 마커(Informative Subtype Markers ISM)'라는 꼬리표를 붙여 분류한다.

연구팀은 최근 같은 방식을 적용해 코로나19를 유발하는 바이러스(SARS-CoV-2)의 미세한 유전자 변이를 신속하게 검출하고 분류할 수 있다고 국제학술지 ‘플로스 계산생물학(PLoS Computing Biology)’에 밝혔다. 자오첸차오 드렉셀대 연구원이 개발한 이 유전자 분석 도구는 코로나19 연구자들이 누구나 사용할 수 있도록 데이터 공유사이트 지트허브(GitHub)에 공개됐다.

연구를 이끈 게일 로젠 교수는 “아시아와 유럽에서 발견되는 코로나19 바이러스 유형은 미국에서 나타나는 유형과 다르다”며 “유형의 유전적 차이를 식별하면 바이러스가 인구에서 인구로 이동함에 따라 어떻게 변했는지 확인할 수 있다”고 말했다. 또 “사회적 거리두기가 코로나19를 차단하는 데 성공한 지역도 보여줄 수 있다”고 말했다.

ISM를 활용한 분석 도구는 변이를 확인하기 위해 바이러스의 유전체 전체 서열을 분석할 필요가 없어 유용하다. 사스코로나바이러스-2의 유전물질인 gRNA(genomic RNA‧유전체 RNA)는 약 3만 개의 염기가 일렬로 이어져 있는데 염기 길이 기준 20개 정도인 하위유형으로 줄여 분석할 수 있다.

ISM 분석 도구는 또 바이러스가 확산함에 따라 바이러스의 유전자서열에서 나타나는 새로운 변화와 그 위치를 식별한다. 연구팀은 4월 초부터 여름이 끝날 때까지 코로나19 바이러스 유전자의 세 위치에서 동시에 변이가 나타났다는 사실을 알아냈다. 변이가 나타난 위치는 중 한 곳은 세포 신호와 복제와 관련된 부분이다. 코로나19 바이러스가 인체 세포로 침투하는데 활용되는 스파이크 단백질의 형성과 관련이 있는 부분에서도 변이가 나타났다.

이렇게 동시에 나타난 변이가 바이러스의 전파와 치명률에 어떤 영향을 미치는지에 더 많은 조사가 필요하다. 연구자들에 따르면 변이가 나타난 부분에 대한 하위 유형의 표기를 11개 염기로 통합할 수 있어 다운스트림 분석을 더 효율적으로 할 수 있다.

로젠 교수는 “새 방법은 제품 전체 일렬번호를 입력하는 대신 바코드를 스캔하는 것과 비슷한 개념”이라며 “마치 식료품점 계산대를 좀 더 빨리 통과하려고 노력하는 것처럼 과학자들이 훨씬 더 빠른 수준의 분석 수단으로 이동할 수 있음을 의미한다“고 설명했다.

이는 코로나19 유형에 따라 건강에 어떤 영향을 미치는지 연구하는데 활용될 수 있다. 또 공중 보건 공무원들에게 새로운 유형의 바이러스가 어디서 왔는지 추적하는데 도움을 줄 것으로 보인다.

유전적 차이가 새 유형을 설명하기에는 충분하지 않을 수도 있다. 하지만 연구팀은 유전적으로 중요한 하위 유형을 이해할 수 있을 만큼 충분히 세부적인 자료라고 밝혔다.

로젠 교수는 “전 세계에서 코로나19의 매우 구체적인 지문을 볼 수 있고, 작은 지역들을 자세히 관찰해 어떻게 유형이 다른지 알 수 있다”며 “사전 분석 결과 뉴욕에서 발견된 바이러스의 하위 유형의 조합은 이탈리아가 아닌 오스트리아, 프랑스, 중부 유럽에서 발견된 것과 가장 유사하다는 사실을 알아냈다”고 말했다. 로젠 교수는 또 “팬데믹 초기 아시아로부터 들어온 유형은 미국에서 그다지 퍼지지 않고 있다”며 “미국에만 존재하는 새로운 하위 유형이 워싱턴주와 서부 해안에 퍼져 있다는 사실을 알아냈다”고 말했다.

연구팀은 이 새 분석 방법이 바이러스가 어떻게 확산하는지 알려주는 것 외에도 변이에 저항하는 유전자 코드의 일부도 밝혀낼 수 있을 것으로 보고 있다. 만에 하나 이런 코드가 밝혀지면 바이러스와 싸우기 위한 치료법에 활용될 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.

드렉셀대 방문 연구원인 바흐래드 소크한사니 박사는 “우리는 스파이크 단백질과 유전물질을 담고 있는 바이러스 일부에서 큰 변이를 발견했고 더 느린 속도로 변화하고 있음을 알게 됐다”며 “중요한 점은 둘다 신체의 면역 반응을 이해하고, 항바이러스 치료제를 식별하고, 백신을 설계하기 위한 핵심 타깃”이라고 말했다.