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WHO와 CDC가 권장하고

증상 초기 단계부터 검출 가능

지구촌이라고 불리는 현재, 신종 병원체에 의한 감염병의 확산은 그 어느 때보다도 전 세계의 위기를 불러일으킬 수 있다. 특히 이번 COVID-19(코로나바이러스 감염증-19)의 범유행은 인류의 삶을 바꾸게 할 것이라고 이야기되고 있다. 전파 속도가 빠르고 치사율이 높은 새로운 병원체에 의한 감염병을 효과적으로 막기 위해서는 감염자를 빠르게 진단하여 격리하는 것이 매우 중요하다. COVID-19 감염자를 진단하기 위한 코로나 진단키트가 연일 뉴스에서 나오는 이유이다. 우리나라 코로나 진단키트는 빠르고 정확하게 감염자를 진단할 수 있어 전 세계적으로 그 수요가 매우 높다. 코로나 진단키는 어떻게 질병의 감염 여부를 진단할 수 있을까?

병원체에 의한 감염은 다양한 경로를 통 해 전파되는데 이러한 감염병은 밀집하여 살아가고 있는 인간사회에 치명적인 손실 을 입힐 수 있다. 따라서 국가는 감염병 확산을 막기 위해 노력하는데 이 중 하나가 백신을 이용한 예방접종이다. 예방접종은, 불활성화되어 감염능력이 없어졌거나 약화한 병원체를 주사하여 우리 몸이 해당 병원체에 대한 항체를 만들어 질병에 대한 면역력 을 갖게 하는 것이다. 예방접종은 개인에겐 병에 걸리지 않게 할 뿐 아니라 집단으로 보면 감염병의 유행을 효과적으로 차단하게 해주는데, 이를 집단면역이라고 한다.

세계 각국, 한국의 코로나바이러스 진단키트 도움 요청

 그러나 치료제나 백신이 개발되어 있지 않은 새로운 병원체에 의한 감염병의 확산은 전 세계적으로 문제가 된다. 1918년, 인플루엔자 바이러스 A(H1N1)에 의한 스페인독감이 범유행 했는데 당시, 동아시아 지역의 피해는 유럽이나 미국에 비해 적었다. 그러나 지구촌이라고 불리는 현재, 신종 병원체에 의한 감염병의 확산은 그 어느 때보다도 전 세계의 위기를 불러일으킬 수 있다. 특히 이번 COVID-19(코로나바이러스 감염증- 19)의 범유행은 인류의 삶을 바꾸게 할 것이라고 이야기되고 있다. COVID-19는 신종 코로나바이러스에 의한 감염병으로, 2020년 5월 13일 기준으로, 전 세계 감염자가 약 430만 명, 사망자는 29만 명이 넘으며 치사율은 6.8%이다. 또한 중증 급성 호흡기 증후군인 사스와 유사한 증상을 보이는 환자가 있다는 것을 중국 우한시중심병원의 의사 리원량이 SNS에 처음으로 올린 것이 2019년 12월 30일임을 고려했을 때 전파 속도 역시 매우 빠르다는 것을 알 수 있다. 이렇게 전파 속도가 빠르고 치사율이 높은 새로운 병원체에 의한 감염병을 효과적으로 막기 위해서는 감염자를 빠르게 진단하여 격리하는 것이 매우 중요하다. COVID-19 감염자를 진단하기 위한 코로나 진단키트가 연일 뉴스에서 나오는 이유이다. 우리나라 코로나 진단키트는 빠르고 정확하게 감염자를 진단할 수 있어 전 세계적으로 그 수요가 매우 높다. 코로나 진단키는 어떻게 질병의 감염 여부를 진단할 수 있을까?

감염병, 유전물질 등의 복제 통해 병 전파

 감염병을 일으키는 병원체는 유전물질 등의 복제를 통해 병을 전파시킨다. 바이러스를 제외한 모든 생명체는 유전물질로 DNA(DeoxyriboNucleic Acid, 디옥시리보 핵산)를 가지고 있다. 바이러스는 DNA 또는 RNA(RiboNucleic Acid, 리보핵산)를 유전물질로 가지고 있으며 숙주 세포 내에서 이를 복제해 번식한다. 따라서 바이러스와 같은 병원체에 감염되면 감염자로부터 병원체의 유전물질을 검출해 낼 수 있다. 

 <그림1> 중합효소연쇄반응

 그러나 병원체의 유전물질은 감염자의 유전물질과 섞여 있고 그 양이 매우 적으므로 병원체의 유전물질만 증폭시킬 필요가 있다. 특정 유전자만 증폭시키는 기술은 미국의 과학자인 Kary Mullis에 의해 개발되었으며 PCR(중합효소연쇄반응)이라고 한다. 이 기술의 위대성으로 그는 1983년 노벨화학상을 받게 되었다.

 PCR은 긴 DNA 분자에서 목표하는 특정 부위 DNA 서열을 프라이머를 이용해 생체 밖에서 중합효소로 복제하는 기술인데 1회 복제시 목표 DNA 분자가 2배가 된다. 이 중합효소연쇄반응을 40회 반복하게 되면 하나의 DNA 분자는 약 1012 분자로 증폭 된다. [그림1] 이렇게 증폭된 DNA 분자는 전기영동을 통해 육안으로 확인할 수 있어 병원체 감염 여부를 확인할 수 있게 된다. 

 그러나 기본 PCR은 DNA 분자를 증폭시키므로 신종코로나와 같이 RNA를 유전물 질로 가지는 바이러스를 검출하기 위해서는 RNA를 DNA로 역전사시킬 필요가 있다. 분자생물학의 ‘중심원리’를 따르면 유전물질인 DNA는 RNA로 전사되며, RNA는 생명 활동의 도구인 단백질로 번역된다. [그림2] 그러나 레트로바이러스로부터 발견된 역전사효소(Reverse Transcriptase) 는 RNA를 주형으로 DNA를 합성할 수 있으므로 이를 이용하여 RNA를 DNA로 역전사 시킨 후 PCR를 수행하면 RNA를 유전물질로 가지는 바이러스 또한 검출할 수 있게 된다. 이 방법을 RT-PCR(역전사 중합효소 연쇄반응)이라고 한다.

<그림2>분자생물학의중심원리

우리나라, 민감하고 정확도가 높은 분자진단법 사용

 기존의 특정 DNA 서열을 증폭하는 PCR 이나 RNA 서열을 증폭할 수 있는 RTPCR은 유전물질을 증폭한 후 DNA 전기영동이라는 절차를 한 번 더 거쳐 증폭 여부를 확인한다. 병원체의 감염 여부를 빠르게 진단하고자 할 때는 단순하고 더욱 명료한 방법이 필요하다. 현재, 우리나라에서 긴급 승인된 신종코로나 진단키트는 모두 실시간 역전사중 합효소연쇄반응(Real Time RT-PCR 또는 RT-qPCR)으로 감염 여부를 판단하고 있다. 먼저 RNA를 DNA로 역전사한 후 실시간 중합효소연쇄반응(qPCR)으로 증폭 여부를 판단하는데, DNA가 복제되면 형광을 띠는 물질을 넣어 증폭 산물의 양을 실시간으로 모니터 링할 수 있게 한 것이다. 즉 형광이 셀수록 증폭이 많이 되었다는 의미가 되며 초기 넣어 준 유전물질의 양과 비교하여 상대적으로 유전물질의 양을 정량할 수 있게 된다. 최근에는 Digital PCR이라는 기술도 개발되었는데 기존의 방법에 비해 절대적 정량이 가능하다는 것이 강점이다. 

 감염자로 의심되는 환자의 샘플을 채취해 병원체의 유전물질을 PCR로 증폭하여 감염 여 부를 진단하는 방법을 분자진단이라고 한다. 분자진단 방법은 감염 초기에도 민감하고 정확 하게 감염 여부를 진단할 수 있다는 장점이 있지만, 유전물질을 증폭하는데, 시간이 걸리며 고가의 PCR 장비를 사용해야 한다는 단점을 가지고 있다. 감염병을 진단하는 또 다른 방법으로 빠르고 현장에서 바로 진단할 수 있는 면역진단법이 있다. 면역진단은 분자진단 이전부터 사용된 방법으로 면역반응에 기초한 방법이다. 병원체 에 감염되면 우리 몸은 이를 항원으로 인식하여 이에 대항하는 항체를 만들어 낸다. 만약 어떤 사람이 특정 병원체에 대한 항체를 가지고 있다면, 이 사람은 현재 그 병원체에 의한 감염 병에 걸렸거나 치료가 된 상태일 것이다. 따라서 특정 병원체에 대한 항체가 있는지 확인한 다면 감염병의 여부를 확인할 수 있게 된다. 면역진단법의 기술도 발전하여, 유효한 항원항체 반응이 일어나면 형광을 띠거나 색변화가 일어나 몇 분 안에 항원 또는 항체가 있는지 확인할 수 있게 되었다. 이러한 기술의 발달로 면역진단법은 특별한 기술 없이도 진단키트를 이용하여 질병에 걸렸는지 확인할 수 있게 되었다. 예를 들면, 인간면역결핍바이러스(HIV) 일회용 자가 진단키트를 이용한다면 혈액 몇 방울로 몇 분 안에 감염 여부를 확인할 수 있다. 또한 소와 돼지 등 가축에 대한 급성 바이 러스성 전염병인 구제역의 경우에도, 현장에서 바로 진단키트를 이용해 감염 여부를 확인할 수 있도록 하고 있다. 그러나 면역진단법은 항체가 충분히 만들어지지 않은 감염 초기에는 감염 여부를 진단하기 어렵고 또, 완치된 이후에도 계속 감염병으로 진단할 수 있으므로 우리나라 식품안전의약처는 코로나 진단키트로 민감하고 정확도가 높은 분자진단법을 사용하고 있는 제품에 대해 긴급사용 승인을 내려주고 있다.

감염병을 일으키는병원체는 유전물질등의 복제를 통해 병을 전파시킨다. 바이러스를 제외한 모든 생명체는 유전물질로 DNA(Deoxyribo Nucleic Acid, 디옥시리보 핵산)를 가지고 있다. 바이러스는 DNA 또는 RNA(RiboNu cleic Acid, 리보핵산)를 유전물질로 가지고 있으며 숙주 세포 내에서 이를 복제해 번식한다. 따라서 바이러스와 같은 병원체에 감염되면 감염자로부터 병원체의 유전물질을 검출해 낼 수 있다.

박미아 선생님은 서울대학교 생물교육 학과를 졸업하고 동 대학원에서 생물전공 박사학위를 취득했다. 현재 서울과학 고등학교에서 과학교사로 재직하며, 학생들과 창의재단 STEAM R&E 등을 통해 다양한 연구를 수행하고 있다. 최근에는 고가의 측정 장비가 아닌 아두이노 센서나 MBL 등을 이용해 학생들이 손쉽게 본인의 연구에 적용할 수 있는 방법에 대해 연구하고 있다. 저서로는『생명과 학1』,『 과학탐구실험』 등이 있다.