우리가 생명의 본질을 이해하려면 바이러스(virus)의 세계를 이해하여야 한다. 바이러스는 핵산과 이를 싸고 있는 단백질 및 경우에 따라 한두 가지 효소로 이루어진 생물학적 활성을 가진 작은 입자이다. 감기에 걸린 사람이 쉽게 경험하듯이, 바이러스는 세포 내에서 생물학적으로 활성을 나타낼 수 있으나, 어떤 바이러스는 흡사 소금처럼 결정을 이루며 오랫동안 불활성화 된 상태로 존재하기도 하다. 바이러스를 생물체로서 간주하는 과학자들까지도 현재 구성되어 있는 생물의 분류 체계 어디에다 바이러스를 넣을 지 자신이 없는 형편이다. 이와 같은 딜레마 외에도 수많은 바이러스들은 작은 크기나 극히 제한된 형태의 생명현상과 같은 한 두가지 특징을 제외하고는 서로 전혀 관련이 없는 것처럼 보인다. 바이러스의 크기는 20 nm에서 300 nm에 이르는 큰 분자 정도의 크기로부터 작은 세균의 크기에 이르기까지 다양하다 (그림 1).
그림 1. 여러가지 바이러스들
모든 사실을 종합해 보면, 바이러스는 세포가 아니라는 것이 분명하다. 바이러스는 자신을 복제하는 데 필요한 핵산(DNA 또는 RNA) 과 같은 유전물질을 제외하고는 세포로서의 어떤 특징도 갖추고 있지 않다. 때문에 바이러스는 절대 기생자이다. 바이러스는 대사활동을 할 수 없을 뿐만 아니라 숙주세포에 들어가지 않고서는 번식도 할 수 없다.
물론 바이러스에 대한 사람들의 관심은 학문적인 것보다 질병에서 먼저 시작되었다. 가축이나 식물에 병을 유발하는 것말고도 수백 가지 바이러스가 사람에게 질병을 일으킨다. 이러한 병으로는 감기 이외에도 천연두(smallpox), 소아마비(polio), 풍진(German measles), 수두(chicken pox), 유행성이하선염(mumps) 및 매년 겨울마다 극성을 부리는 독감(influenza) 등을 들 수 있다. 실험동물에 암을 유발한다고 알려진 몇 가지 종양바이러스가 사람에게서 볼 수 있는 몇 가지 암과도 관련이 있다는 것은 잘 알려진 사실이다. 그리고 현재는 AIDS 바이러스의 전파가 사회의 당면과제로 대두되고 있다.
바이러스의 세포와의 관계에 대하여 간단히 살펴보자. 바이러스가 숙주에 입히는 피해는 단기적 효과와 장기적 효과의 두 가지 방법에 의한다.
바이러스가 발견된 시기는 대략 세균학이라는 학문 분야가 막 발전을 시작할 때였다. 1800년대 말에 이르러서야 파스퇴르(Louis Pasteur), 코흐(Robert Koch) 등의 과학자들에 의하여 사람에게 발생하는 질병의 몇 가지가 세균에 의해서 일어난다는 것이 밝혀졌다. 그런데 어떤 질병들은 세균이 아닌 다른 것에 의하여 발생하는 것이 확인되었다. 세균을 확인하는 데 쓰이는 방법들이 이들 질병의 경우에는 전혀 도움을 주지 못했기 때문이다. 그런데 재미있는 사실은 이러한 원인불명의 질병을 일으키는 병원체를 발견하는 데는 실패하였지만 이들 세균학자들이 이와 같은 질병 몇 가지에 대한 백신(vaccine)을 만들어 내었다는 점이다. 실제로 사람에 발생하는 천연두와 광견병 또는 가축의 구제병(Foot and Mouse Disease)에 대한 백신이 개발된 것은 이 질병들의 병원체가 바이러스라는 사실이 밝혀지기 훨씬 이전의 일이었다. 이들 질병에 대하여 여러 가지 원인이 제시되었지만 모두 다소 상상적인 것이었다. 예를 들어 바이러스라는 말은 원래 독(poison)이라는 뜻이며, 오랜 동안 사람들은 황열병이나 천연두와 같은 바이러스성 질병을 독이 있는 밤바람에 의하여 전파된다고 생각했다. 1892년에 이르러 감염성 담배병(곧 담배모자이크 바이러스로 밝혀짐)의 연구 결과로부터 바이러스의 성질 중 몇 가지 중요한 사실이 알려졌다. 러시아의 생물학자였던 이바노브스키 (Dimitri Iwanowski)는 감염된 담배잎에서 짜낸 액체를 아주 고운 거름종이(고열로 살균하면 안 되는 배양액에서 세균을 제거하는데 흔히 쓰이는)로 여과하여 얻어진 시료를 써서 정상적인 식물을 감염시키는데 성공하였다. 이 결과로부터 이바노브스키는 병원체에 관하여 다음과 같은 3가지 사실을 분명히 알 수 있었다.
스탠리는 담배모자이크 바이러스가 여러 가지 관점에서 무생물이며 보통의 세군 배양 방법으로는 배양이 불가능하지만 정상적인 담배에 감염시키면 번식할 수 있음을 증명하였다. 스탠리의 방법은 약간의 바이러스 여과액을 건강한 식물에 넣어 병을 유발시키는 극히 간단한 것으로, 병이 유발된 조직으로부터 많은 양의 바이러스성 물질을 회수할 수 있었다. 이 특이한 작은 대상을 좀더 이해하기 위한 연구가 집중적으로 이루어져 이후 지난 수십 년 사이에 바이러스의 생물학적 성질에 관한 많은 것이 밝혀지게 되었다.
바이러스에 관한 가장 중요한 발견 중의 하나는 모든 바이러스가 기생성이라는 점이다. 바이러스를 세균 배양액에서 배양할 수 없었던 것은 세균배양액에는 살아있는 세포에서 발견되는 대사과정과 효소가 없기 때문이다. 바이러스는 세포에 침입하여 숙주가 가진 대사기구로 자신의 생활사를 완성해야 한다. 개개의 바이러스 입자, 즉 비리온(virion)은 중심이 되는 핵산(DNA 또는 RNA), 캡시드(capsid)라 불리는 단백질껍질, 바이러스에 따라 숙주세포에서 유래된 지질막, 그리고 한 두 가지의 효소로 이루어져 있다. 불활성 상태에 있는 비리온은 유전자는 갖고 있지만 숙주가 없이는 전혀 생명체로서의 기능을 할 수 없다. 그러므로 바이러스는 숙주를 침범하고 입자를 증식시키는 데 필요한 구조를 제외하고는 세포에서 볼 수 있는 어떤 구조도 갖추지 않은 특수한 형태의 기생체라고 할 수 있다.
대부분의 바이러스는 나선형 또는 다면체(polyhedral)이나 어떤 것은 육면체(cubic) 또는 벽돌형도 있다. 비리온의 형태는 궁극적으로 캡시드를 이루는 단백질 소단위, 또는 캡소미어(capsomere)의 배열 방식에 의하여 결정된다. 나선형 바이러스는 나선형의 핵산을 따라 배열된 캡소미어로 이루어진 캡시드로 싸여 있으며 이와 같은 형태를 한 대표적인 바이러스로 담배모자이크 바이러스(tobacco mosaic virus)를 들 수 있다. 다면체형 바이러스는 때로 구형처럼 보이나 자세히 관찰하면 여러 면을 가졌음을 알 수 있다. 여기에 속하는 바이러스로는 '짝수' 또는 'T-even' 박테리오파지가 있는데 이들은 다면체의 머리와 원통형의 꼬리를 갖고 있다. 나선형 또는 다면체 바이러스는 복합피나 외피(envelope)로 싸여진 것도 있는데(그림 3), 외피를 가진 다면체 바이러스 중에는 악명 높은 단순허피스 바이러스(Herpes simplex virus) 종류가 있다. 육면체 또는 벽돌 형태의 바이러스로는 세계보건기구(WHO)의 노력의 결과로 실험실에 보관된 균주를 제외하고는 지구상에서 사라진 천연두 바이러스(Smallpox virus)를 들 수 있다. AIDS를 일으키는 바이러스는 레트로바이러스 (retrovirus)의 한 종류로 구형이며 외피를 가지고 있다.
바이러스는 형태와 외피의 유무 외에도 핵산의 종류에 따라 구별되기도 한다. 예를 들어 어떤 바이러스는 유전물질로서 일반적인 핵산인 두 가닥의 DNA를 가지고 있으나, 어떤 바이러스는 (1) 외가닥 DNA, (2) 두 가닥 RNA, (3) 한 개의 큰 분자를 이루는 외가닥 RNA, (4) 여러 가닥의 RNA를 갖는 등 매우 다양하다. 핵산은 원형(circular) 이나 선상(linear)인데, 외가닥 핵산의 경우에는 전사될 수 있는 것도 있고 직접 전사가 불가능한 것도 있다.
바이러스는 완전한 기생자이며, 살아 있는 세포에서만 생존할 수 있다. 따라서 그들은 혼자 힘으로 실험실 배지에서 생장할 수 없다. 그러나 그들을 희석시켜 한천판 위에 만든 세균밭에 퍼뜨려 놓으면 생장할 수 있다. 활성을 지닌 바이러스 입자 각각은 하나의 숙주세포에 감염하고, 세포를 파열시킨 후 주위에 있는 세균으로 퍼져 결국 세균밭 위에 투명한 구멍을 만든다. 용균반(plaque)이라고 부르는 구멍을 세면 이곳에 있는 바이러스의 수를 결정할 수 있다 (그림 4).
바이러스의 종류는 대단히 다양하며, 모든 종류의 세포는 바이러스에 감염될 수 있다. 이러한 다양성에도 불구하고, 바이러스는 대부분 용해회로나 용원회로를 사용한다. 그러나 이러한 경우라도 변이가 존재한다. 가장 중요한 변이로는 DNA 와 RNA중 어느 것을 1차 유전물질로 사용하는가, 만약 RNA를 사용한다면 어떻게 RNA를 복제하는가 등이 있다.
실제로 어떤 바이러스는 RNA를 유전정보 저장물질로 사용한다. RNA는 외가닥이지만 바이러스에 대한 유전정보를 지닐 수 있다. 그러나 어떤 RNA 바이러스는 그 정보를 먼저 DNA로 전환시켜야 하고, 전환된 DNA는 전사되어 여러 개의 RNA 사본과 바이러스 단백질을 합성한다. 그러므로 RNA는 DNA를 만들고, 그 DNA는 RNA를 만드는 데 사용된다. 이 과정에는 바이러스 RNA에 의해 암호화된 역전사효소(reverse transcriptase)라는 매우 특이한 효소가 사용된다. 이 효소는 RNA에 대한 DNA 사본을 만든다. 일단 바이러스 RNA에 상보적인 첫번째 사슬이 만들어지면 숙주세포의 DNA 중합효소가 두번째 사슬을 만들 수 있다. 바이러스RNA의 이중 사슬 DNA 사본은 더 많은 바이러스 RNA의 전사를 위해 사용될 수 있다. 또한 이중 사슬 DNA 사본은 더 많은 바이러스 RNA의 전사를 위해 사용될 수 있다. 또한 이중 사슬 DNA는 용원과 유사한 과정을 통하여 숙주의 게놈내로 삽입되어 들어갈 수 있다 (AIDS 바이러스가 그 한 예이다).
또한 한발 더 나아가 RNA복제효소(RNA replicase)라고 불리는 효소를 암호화하는 RNA 바이러스도 있다. 이 효소는 RNA 주형으로부터 RNA 사본을 만들 수 있으며, 따라서 DNA가 전혀 필요 없다 <표 1>에서는 다양한 바이러스 종류를 소개하였다.
박테리오파지(bacteriophage)는 세균을 감염시킬 수 있다. 박테리오파지는 세균의 표면에 부착함으로써 공격을 시작하는데 어떤 경우는 특수한 효소를 이용하기도 한다. 파지는 특정한 부위에만 침입하며 파지가 세균의 표면에 부착하기에 앞서 파지의 단백질막이 세균의 표면에 있는 물질을 생화학적으로 인식하는 과정이 필요하다. T-짝수 박테리오파지(T-even bacteriophage)의 경우, 꼬리가 세균의 세포벽을 분해하는 파지 리소자임(phage lysizyme)을 분비하면 파지는 핵산을 세포의 내부로 주사하고 캡시드는 세포의 밖에 남는다.
파지가 일단 숙주내에 들어간 다음 일어나는 과정은 바이러스 및 그 바이러스의 능력에 따라 다른데 일반적으로 다음 두 가지로 나눌 수 있다. 어떤 파지는, 예를 들어 T-짝수 파지는 숙주에 침입하는 즉시 파지의 증식이 일어나면서 세포를 용해시키는 소위 용해(lytic)작용을 하며 이와 같은 파지를 용해성 파지(lytic phage)라 부른다. 대장균에 감염하는 람다 파지(phage lambda)는 세포를 용해하기도 하나 세포에 침입하여 잠복상태인 용원 상태(lysigenic state)로 존재하기도 하는데 이와 같은 성질을 가진 파지를 용원성 파지(temperate phage)라 한다.
용해성 파지는 감염 후(그림 5a) 세균의 DNA를 분해시켜 자신의 DNA를 복제하는데 이용한다. 단백질막, 꼬리, 꼬리섬유 및 바이러스 고유의 효소를 생산하는 데 필요한 전사와 해독을 위하여 이미 존재하고 있는 숙주세포의 대사 과정을 그대로 이용하며, 단백질을 합성하는 데 필요한 아미노산도 모두 숙주로부터 조달한다. 이와 같은 과정을 거쳐 숙주세포는 파괴되고 새로운 바이러스 입자들이 밖으로 방출된다.
용원성 파지인 대장균의 박테리오파지 람다는 세포 내로 침입하는 즉시 용해과정으로 들어가기도 하지만 경우에 따라서는 얼마 동안 용해 과정이 지연되기도 한다(그림 5b).
후자의 경우 용원 상태에 돌입하는 것이며 이 기간 동안 파지의 DNA는 숙주의 염색체 내로 삽입된다. 파지 DNA의 삽입은 파지 DNA와 세균 DNA 사이에 염기의 상보적인 결합이 가능한 부위에서 일어난다. 이와 같은 삽입은 일방적으로 유전자의 특정 부위에서만 일어나게 되며 일단 삽입이 일어난 파지는 프로파지(prophage)라고 불린다. 파지 DNA는 숙주의 DNA와 함께 복제되므로 세포가 분열하는데 따라 복제된 파지 DNA 도 새로 형성된 딸세포로 전해진다. 이와 같은 프로파지 상태는 여러 세대 동안 계속될 수 있으며 복제 과정을 거듭하면서 세균의 군체 전체가 프로파지를 DNA의 일부로 갖게 된다.
프로파지의 잠복 상태는 여러 세대 동안 지속될 수 있는데 이와 같은 불활성 상태는 바이러스로부터 세균에 삽입된 유전자가 mRNA로 전사되어 만들어지는 억제 단백질에 의하여 계속 유지될 수 있다. 만약에 이 억제 유전자가 불활성화되거나 또는 세균 자신의 DNA 복제가 저해받게 되면, 남은 프로파지 유전자는 활성화되어 스스로 복제 및 전사를 거쳐 새로운 바이러스 입자를 탄생시키고 세포는 용해된다. 프로파지의 활성화는 용원 상태에 있는(혹은 감염 상태에 있는) 세균을 어떤 화학물질이나 자외선에 노출 시키면 쉽게 일어난다.
바이러스는 동물이나 세균뿐만 아니라 식물에도 기생한다. 대부분의 경우 식물 바이러스는 식물을 먹거나 감염된 화분을 옮기는 곤충들에 의하여 전염된다. 바이러스의 감염은 특히 감자, 사탕무우, 밀, 콩, 담배와 같은 작물에 심각한 문제가 되며, 감염된 식물들은 성장 부진, 조직의 괴사, 종양, 퇴색, 반점 또는 쭈글거리는 잎 등에 의하여 쉽게 구별된다. 담배모자이크 바이러스는 담배 전체 건중량(dry weight)의 1/10이 바이러스일 만큼 효율적으로 증식하는 것으로 알려져 있다.
다. 동물 바이러스의 침입동물 바이러스가 숙주세포를 침입하는 방법은 T-짝수 파지가 세균을 침입하는 과정과 유사하기는 하나, 원핵세포와 진핵세포의 근본적인 차이가 바이러스의 감염 과정에도 영향을 미치게 된다. 동물 바이러스의 캡시드에 는 숙주의 세포막에 있는 표적 부위와 상보성을 갖는 부위가 있다. 아데노바이러스(adenocirus ; 호흡기 질환성 바이러스)의 경우에는 이들 활성부위가 다면체의 모서리 부분에 있고, 믹소바이러스(홍역, 유행성 이하선염 및 인플루엔자 바이러스 몇 가지)는 외피에 스파이크(spike)를 갖고 있다. AIDS 바이러스는 숙주에 부착하는 과정에서 외막에 있는 당단백질을 이용한다.
동물 바이러스는 파지에서 보여주는 핵산의 주사과정이 없으므로 다른 방식으로 세포 내에 들어가게 된다(그림 6). 외피가 없는 바이러스의 경우는 바이러스 입자 전체가 숙주 내로 들어가나, 외피를 갖는 경우에는 외피의 상보적 부위가 숙주의 막과 융합함으로써 바이러스의 핵산이 세포 내로 들어간다. 그 외의 경우에는 숙주의 식세포작용을 통하여 세포 내로 들어가며 이때 바이러스는 식포(food vacuole)에 싸여 세포 내로 들어간다. 숙주의 리소좀 효소가 식포 내로 분비되고 이들 효소는 바이러스의 캡시드 단백질을 분해할 뿐 핵산은 분해하지 못하므로 핵산이 세포질 내로 유리됨으로써 바이러스의 세포질 내 침투가 완성된다.
바이러스 DNA 또는 RNA가 숙주세포로 들어가면서 바이러스의 증식이 시작된다. 그러나 바이러스 핵산의 복제와 캡시드 단백질의 합성 방식은 바이러스 핵산 자체의 성질에 의하여 결정된다. 예를 들어 두 가닥 DNA 바이러스의 겨우, 유전자는 처음에 DNA 중합효소 (polymerase) 합성을 위해 전사된다. 그 후 다시 바이러스 DNA의 복제가 일어나고 이에 따른 전사, 해독에 의해 캡시드 단백질이 합성된다. 외가닥 RNA 바이러스의 경우에는 두 가닥 RNA를 먼저 형성한 후 이것을 주형으로 하여 외가닥 바이러스를 복제하게 된다. 외가닥 RNA인 레트로바이러스(retrovirus)의 경우는 RNA에 상보적인 외가닥 DNA가 형성된 후, 이것이 다시 두 가닥 DNA를 형성하면서(RNA는 떨어져 나감) 바이러스의 유전자는 보통의 DNA가 된다. 이와 같이 RNA로부터 DNA를 역으로 전사하는 과정을 역전사(reverse transcription)라 하며 이때 필요한 효소를 역전사효소(reverse transcriptase enzyme)라 한다. 외가닥 RNA인 소아마비 바이러스(poliovirus)의 핵산은 사실상 mRNA로서 먼저 숙주의 리보솜에 부착하여 핵산의 복제와 단백질 합성을 위한 효소를 생성한다. 해독 과정을 통하여 형성된 긴 폴리펩티드는 여러 조각으로 잘라져 바이러스의 효소 또는 캡시드 단백질이 된다. 두 가닥 RNA바이러스에는 아직도 연구가 잘 되어있지 않은 레오바이러스(reovirus)가 있다. 이 바이러스는 핵산이 여러 개의 두 가닥 RNA로 나뉘어 있으며 각 RNA는 바이러스 자신의 효소에 의하여 두가닥 DNA와 유사한 방식으로 복제된다. 외피 바이러스(enveloped virus)인 믹소바이러스(인플루엔자, 홍역, 유행성 이하선염바이러스)의 경우 핵산과 캡시드는 다른 바이러스와 유사한 방식으로 형성하나 바이러스의 외피는 숙주의 원형질막에서 빌려온다. '빌린다'는 표현이 적절한 이유는 다음 바이러스가 세포에 침입할 때 숙주의 원형질 막과 용합되면서 똑같은 막을 숙주의 막에 첨가해 주기 때문이다.