세계 최초로 바이러스 감염 동안 방출되는 에너지 측정!

KISTI 『글로벌동향브리핑』 2010-02-08

바이러스의 활동을 위한 에너지가 바이러스의 작은 외벽에 의해 저장된다. 바이러스가 숙주 세포 (host cell)를 만나면, 이 축적된 에너지가 방출되고, 바이러스 DNA가 세포 속으로 들어가서 감염을 진행시킨다. 세계 최초로 바이러스 DNA의 방출과 연관 있는 에너지를 카네기 멜론 대학(Carnegie Mellon University)의 물리학자 알렉스 에빌레비치(Alex Evilevitch)가 직접 측정하였다. 본 연구는 바이러스 감염을 조절하는 물리적 메커니즘(mechanism)을 완벽하게 이해하고, 바이러스 감염을 막을 수 있는 약을 개발하는데 있어 중요한 발견이다.

그림 설명: 박테리오 파지 람다의 3차원 재현: (왼쪽) DNA 있음, (오른쪽) DNA 없음. (출처: 카네기 멜론 대학)

“우리는 바이러스의 생물학적 요소가 아닌 물리적 현상을 연구하고 있다. 바이러스를 물리적 대상으로 다루면, 바이러스의 생물학적 구성에 개의치 않고 물리적 특성을 식별할 수 있으며, 다양한 바이러스에서 공통적으로 나타나는 바이러스 감염의 메커니즘을 정량화 할 수 있다. 이러한 연구는 다양한 종류의 항바이러스제 개발을 유도할 것이다.”라고 카네기 멜론(Carnegie Mellon) 대학의 물리학과 부교수인 에빌레비치(Evilevitch)는 말했다. 현대의 항바이러스제는 매우 제한적이다. HIV(인간 면역 결핍 바이러스), 인플루엔자(influenza) 등과 같은 특정 바이러스의 복제 사이클에 필수적인 분자를 타겟하도록 되어 있는 이런 항바이러스제는 특정한 질병에만 적용할 수 있는 약물 사용을 제한하게 되어있다. 또한 바이러스는 시간이 지나면 돌연변이를 일으키게 되고, 점점 약물에 대해 내성을 가지게 된다. 물리 바이러스학이라는 신흥 분야에 있어 에빌레비치(Evilevitch)의 연구는 바이러스 유전자가 숙주 세포 내로 침투하는 것을 방해함으로써 제한적인 사용이 아닌, 광범위하게 바이러스를 치료할 수 있는 항바이러스제의 합리적인 설계를 위한 도구를 제공할 수 있다고 볼 수 있다.

지금까지의 에빌레비치(Evilevitch) 연구 결과 역시 유전자 치료법 개발을 발전시킬 잠재력을 가지고 있다. 이러한 유전자 치료법은 질병을 유발할 수 있는 결함이 있는 유전자를 인간의 세포내에 기능성(정상) 유전자로 직접 대체하는데 바이러스를 이용하는 것이다. 유전자 치료시 유전자 물질을 세포에 침투시켜야 하는데 이때 바이러스를 이용하는 방식을 취하고 있다. 어쩔수 없이 해로운 바이러스 DNA를 이용하긴 하지만, 유전자 치료는 유용하고 기능적인 유전자를 전달한다. 바이러스를 이용한 전달 시스템에 기능적인 유전자를 조절하여 넣는 기술이 성공적인 유전자 치료의 발전에 있어 핵심 요소 중 하나이다. 박테리아, 식물, 동물의 감염을 막론하고 많은 수의 바이러스는 나노미터 크기의 단백질 외벽에 있는 길게 뻗은 (DNA 또는 RNA) 핵산(nucleic acid)의 구조물에 잘 넣어진다. DNA의 이중나선구조(double-stranded)를 가지는 많은 바이러스에서, DNA는 스스로 구부릴 수 있을 정도로 탄탄하게 구성되며, 결과적으로 바이러스의 외벽에 엄청난 압력을 거는 반발력(repulsive force)이 발생한다. 이 엄청난 압력이 바로 저장된 에너지를 의미하는 것이다. 감염되는 순간, 즉DNA가 바이러스로부터 빠져나가는 순간, DNA가닥안에 탄탄하게 저장된 에너지는 방출되고, 열 에너지로 전환된다.

스웨덴 룬트 대학(Lund University in Sweden), 프랑스의 리옹 대학(Universite de Lyon in France)의 동료 연구원들과 함께 에빌레비치(Evilevitch)는 등온열량측정기(ITC, isothermal titration calorimetry)로 알려진 실험 기술을 이용하여 바이러스로부터 DNA가 빠져나가는 동안 방출된 열(열 에너지)를 직접 측정하였다. 지금까지 이러한 에너지는 간접적인 측정만이 가능했었던 데 비해 연구진은 등온열량측정기를 이용하여 바이러스 유전자가 방출되는 동안 열에너지를 직접 측정하였다. 2010년 2월 5일자 분자 생물 지(Journal of Molecular Biology)의 관심기사에서 연구진은 이 새로운 기술에 대해 설명했다. “우리는 바이러스의 유전자 방출 연구에 등온열량측정기를 이용한 첫 연구 그룹이다. 본 연구에서 박테리오 파지(살균 바이러스, bacteriophages)라 불리는 박테리아를 감염시키는 바이러스를 실험실 단위에서 관찰하였다. 등온열량측정기는 박테리오 파지뿐만 아니라 다른 종류의 바이러스에도 적용될 수 있으며 현재 본 연구진은 로터 바이러스라(rotavirus)는 위장염을 일으키는 바이러스를 관찰하는데 우리의 새로운 기술을 사용하고 있다.”라고 에빌레비치(Evilevitch)는 말했다.

분자 생물 지(Journal of Molecular Biology)의 보고에 따르면, 유전자 패키징(packaging)의 결과로 저장된 내부 에너지와 같은 양의 에너지가 유전자 감염 동안 열 에너지로 방출되는 것을 측정하기 위해 에빌레비치(Evilevitch)는 등온열량측정기를 사용하였다고 전한다. 분석 모델과 컴퓨터 시뮬레이션 결과와 일치하는 그의 실험 결과는 DNA의 길이가 증가하면 방출되는 열도 증가한다는 것을 보여준다. 또한 그는 수화 엔트로피(hydration entropy)라 불리는 바이러스 안에 존재하는 DNA 주변 물 분자의 배열 순서(ordering)가 에너지를 저장하는데 엄청난 영향을 주는 변수라는 것을 발견하였다. 이 예측 불허의 작용은 지금까지의 연구 모델에서 고려되지 않았었다. “바이러스 유전자 방출의 에너지 특성을 이해하는 것은 어떻게 이 작용을 방해할 수 있는지에 대한 정보를 제공한다. 예를 들면, 바이러스의 내부 에너지를 줄이기 위해 개발된 방법은 바이러스 유전자의 방출을 막을 수 있으며 감염을 방지할 수 있다.”라고 에빌레비치(Evilevitch)는 말했다.


참고1: 등온열량측정기(ITC, isothermal titration calorimetry): 화학적 상호작용을 하는 열역학적 변수를 결정하는 물리적 기술이다. 이 장비는 주로 의학요소 등 작은 분자를 결속하여 단백질, DNA 등 큰 분자를 결속하는 연구에 가장 많이 쓰이고 있다. 자세히 말하면, 장치의 주입기(syringe)에서 세포 안으로 반응액을 적정(滴定, titration)함으로써 발생하는 화학적인 과정의 흡수, 방출 열을 일반적으로 검출하는 시스템으로, 실험하고자 하는 물질의 화학적 변형 없이 천연물질을 사용한 분자적 상호작용이나 형태적 에너지학의 연구를 가능하게 하는 장치이다. 따라서 샘플의 손상 없이 자연 상태 그대로의 대상 물질을 분석할 수 있다는 큰 장점이 있다.
참고2: 적정(titration) : 정량분석에서 부피분석을 위해 실시하는 화학분석법으로, 일정한 부피의 시료용액 내에 존재하는 알고자 하는 물질의 전량을, 이 물질과 반응하는 데 필요한 이미 알고 있는 농도의 시약의 부피를 측정하여 그 양으로부터 알고자 하는 물질의 양을 구하는 방법이다.