[신축년기획] 백신이 ‘암소’에서 태어났다?… 우리가 몰랐던 백신 이야기
[신축년기획] 백신이 ‘암소’에서 태어났다?… 우리가 몰랐던 백신 이야기
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2021년은 신축년 ‘흰 소의 해’. 새해 벽두부터 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19) 상황을 마주해야 하는 국민들에게 ‘코로나19 백신’ 도입이라는 희소식이 그나마 위안을 주는 연말연시를 맞았다. 코로나19 백신이 본격 유통되면 기나긴 코로나 시국을 끝낼 것이다. 그런데 인류를 구원할 이 백신이 소의 젖을 짜다가 발견됐다는 사실을 아는가? 소의 해를 맞아 백신의 유래와 현재까지 살펴봤다.

백신은 소의 젖을 짜다가 발견했다. 사진은 여인이 소의 젖을 짜는 모습에 바이러스를 합성한 사진. (출처: 게티이미지뱅크)
백신은 소의 젖을 짜다가 발견했다. 사진은 여인이 소의 젖을 짜는 모습에 바이러스를 합성한 사진. (출처: 게티이미지뱅크)

베토벤도 피할 수 없던 천연두… 소 젖 짜는 사람은 면역?

바이러스를 일부러 우리 몸 안에?… 백신 발견과 원리

화이자? 모더나? 코로나19 백신은 어떻게 만들어지나 

[천지일보=홍수영·김빛이나 기자] 세균이나 바이러스를 먹으라고 하면 대부분의 사람은 기겁을 할 것이다. 당연히도 인간은 저런 개체가 우리 몸 안에 들어오면 질병을 일으킨다는 사실을 잘 알고 있다. 하지만 때로 인간은 면역력을 위해 몸에 세균·바이러스를 밀어 넣기도 한다.

그게 바로 백신이다. 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19)로 인해 백신 예방접종이 그 어느 때보다 관심을 끌고 있는데, 예방접종이란 세균·바이러스 등 감염원을 우리 몸에 집어넣는 행위다.

어떻게 우리 몸에 감염원을 주입하는데 그게 건강을 위하고, 면역력을 높이는 일이 될까? 감염원을 약화시키거나 비슷한 감염원이 우리 몸에 들어가면 신체 면역체계가 이를 막으며 항체를 만들어내는데, 이 항체가 진짜 감염원이 신체에 침입했을 때 우리 몸을 지킬 수 있도록 한다.

◆예방접종의 시작, 인두법

천연두는 걸리면 온 몸에 돌기 같은 흉터를 남기는 병으로, 두창 또는 마마라는 이름으로 불리기도 한다. 유럽에서도 베토벤도 감염되고 프랑스의 왕 루이 15세가 천연두로 사망하는 등 신분을 막론하고 한 번 걸리면 손 쓸 수 없는 위험한 질병이었다.

기원전 1세기경부터 연구된 천연두 예방법이 기록으로서 확인되는 건 1568년이었고, 이후 인두법(人痘法, variolation)이 등장했다. 사람의 팔에 작게 상처를 낸 뒤 농포에서 취한 물질을 상처 안으로 넣는 방식이다. 하지만 인두법은 완전한 방법은 아니었다. 직접 천연두에 감염되는 경우보다 매우 낮은 확률이긴 하지만, 접종한 사람의 2.5%정도는 사망하기도 했다.

영국 왕립의사협회에 인두법을 소개한 매리 몬터규 부인. (출처: 위키피디아)
영국 왕립의사협회에 인두법을 소개한 매리 몬터규 부인. (출처: 위키피디아)

◆우두법, 최초의 백신 접종법

그 대안으로서 우두법(牛痘法)이 나왔다. 영국의 의사 에드워드 제너는 의사 견습생 시절 소의 젖을 짜는 여인들이 미인이라는 소문을 접했다. 그 이유는 젖을 짜는 과정에서 천연두와 비슷하지만 강도는 약한 우두에 감염되고, 이후엔 면역이 생겨 천연두에도 감염되지 않았기 때문이다. 이를 근거로 1796년 제너는 최초의 우두법 실험을 감행한다.

그는 먼저 과거 우두에 걸렸던 존 필립이라는 노인에게 천연두 바이러스를 주입했고, 필립은 약간의 발진만 있었을 뿐 금방 완쾌했다. 이를 근거로 8세의 제임스 핍스에게 우두 바이러스를 주사해 잠깐 앓게 한 뒤 이후 다시 소년에게 천연두를 놓았고, 소년은 어떤 천연두 증세도 보이지 않았다.

확신을 얻은 제너는 꾸준히 임상실험을 거듭했고, 1798년 ‘바이올라 바키내(Variola Vaccinae)의 원인과 효과에 대한 탐구’라는 논문을 냈다. 바이올라 바키내는 소(라틴어로 vacca)의 천연두 곧 우두를 뜻하는 라틴어였다. 백신의 역사적인 등장이었다.

하지만 제너의 백신이 곧바로 환영받은 건 아니다. 동물의 병을 사람에게 옮긴단 점에서 극심한 반발을 불러 일으켰다. 심지어 백신을 맞으면 짐승으로 변한다는 소문까지 있을 정도였다.

그러나 천연두가 유럽에서 맹위를 떨치면서 백신의 필요성은 계속 강조됐다. 1805년 프랑스의 나폴레옹도 군대에게 백신을 맞도록 했으며, 1874년 독일에선 천연두 백신 접종이 의무가 되기도 했다.

새끼의 젖을 주는 암소의 모습. (출처: 게티이미지뱅크)
새끼의 젖을 주는 암소의 모습. (출처: 게티이미지뱅크)

◆라틴어 ‘암소’에서 비롯된 용어 ‘백신’

제너와 같이 백신이 개발되고 보급되는 데 지대한 영향을 준 인물이 있으니 그는 바로 ‘미생물학의 아버지’로 불리는 루이 파스퇴르(Louis Paster, 프랑스 미생물학자)다. 파스퇴르는 ‘백신’이란 용어를 처음 만들어 사용한 인물로도 알려졌다. ‘백신(vaccine)’이라는 용어는 라틴어로 ‘암소’를 의미하는 ‘배카(vacca)’에서 유래됐다. 이는 백신이라는 용어가 암소를 활용해 천연두 백신을 만든 제너로부터 유래한 것임을 분명히 한 것이다.

파스퇴르는 천연두를 넘어 다른 질병으로 예방접종을 확대했다. 그는 부탁을 받고 포도주의 신맛을 연구하던 중 1860년 미생물에 의해 발효 현상이 나타난다는 점을 발견했고, 이를 이용해 1863년 포도주에 대한 저온살균법을 개발했다. 1864년에는 누에 병의 원인이 되는 세균을 분리하는 데 성공했다.

특히 그는 1873년 닭 콜레라를 일으키는 세균을 배양한 뒤 오래둬 약하게 만든 뒤 다른 새로운 닭에게 이를 주입하면 닭이 콜레라에 대한 면역을 얻게 된다는 점을 발견해냈다. 우두법과 정확히 같은 원리였다. 이는 현재 유통되는 볼거리, 홍역, 장티푸스 백신과 같은 원리로 만들어지는 ‘약독화(弱毒化, attenuation) 백신’이 효과를 입증한 순간이었다.

파스퇴르는 이러한 면역의 원리를 탄저병과 광견병에도 적용했다. 탄저병 백신을 개발한 그는 1881년 푸이 르포르 농장에서 대규모 공개 실험을 실시했다. 똑같은 탄저균을 투여했으나 그가 개발한 탄저병 백신을 접종한 양과 소는 모두 건강을 유지했다. 그러나 그렇지 않은 양과 소는 발열 상태를 보이거나 죽음에 이르게 됐다.

1885년에 진행된 광견병 백신에 대한 실험은 그의 일대기 중에서도 정점이었다. 파스퇴르는 미친개에 물려 광견병을 앓게 된 조제프 메스테르(Joseph Meister)라는 소년에게 광견병 백신을 13차례에 걸쳐 점점 독한 것으로 주사해 마침내 소년의 생명을 구했다. 이 소년은 파스퇴르연구소가 문을 연 1888년부터 평생 동안 연구소의 문지기로 근무했던 것으로 알려졌다.

천연두에 감염된 소년의 모습. (출처: 위키백과)
천연두에 감염된 소년의 모습. (출처: 위키백과)

◆인류가 최초로 박멸시킨 병 ‘천연두’

현재 코로나19처럼 과거 전 세계로 퍼져나갔던 끔찍한 병 ‘천연두’는 세균혁명을 바탕으로 인류의 역공을 받게 됐다. 천연두 백신은 전 세계로 빠르게 퍼져나갔고 세계보건기구를 중심으로 지구상에서 천연두를 몰아내기 위한 작전이 본격화되면서 천연두는 궁지에 몰리게 됐다.

세계보건기구는 천연두가 인간 이외에 다른 동물에는 감염되지 않는다는 특성을 적용해 지구상에 존재하는 모든 인간이 천연두 백신을 맞아 면역을 갖게 된다면 숙주를 구하지 못한 천연두가 지구상에서 완전히 사라지게 될 것이라는 가설을 세워 작전을 진행했고, 가설은 곧 현실화됐다.

세계보건기구는 보고 체계를 확립해 천연두가 발생하면 1주일 안에 보고 받을 수 있도록 시스템을 만들었다. 만일 특정 지역에서 천연두 유행이 시작될 경우 해당 지역을 중심으로 범위를 넓게 설정해 치료를 진행해나갔다.

또한 천연두 환자가 발생하면 해당 환자가 거주하는 지역에 살고 있는 모든 사람들에게 천연두 백신을 맞게 했다. 여기엔 과거 천연두 백신을 맞았던 사람도 예외가 아니었다. 천연두의 씨를 말려버리겠다는 이러한 작전은 그야말로 대성공을 거뒀다.

1975년 10월 최후의 천연두 자연감염자인 ‘라히마 바누(방글라데시)’를 끝으로 천연두는 완전히 종적을 감추게 됐다. 이어 세계보건기구는 1980년 ‘천연두 완전 박멸’을 선언했다. 천연두 완전 박멸 이후인 현재 천연두에 대한 예방 접종도 더 이상 실시되지 않고 있다.

투과전자현미경으로 바라본 천연두 바이러스의 모습. (출처: 위키백과)
투과전자현미경으로 바라본 천연두 바이러스의 모습. (출처: 위키백과)

◆밝혀진 천연두의 정체… ‘바이러스’

천연두를 일으키는 존재의 정체도 규명됐다. 의학의 발전으로 일부 질병이 세균보다 더 작은 병원체를 가지고 있다는 점도 밝혀지게 됐다. 러시아의 식물학자인 이바노프스키(Dmitri Ivanovsky)는 1892년에 모자이크병에서 얻는 액체를 필터를 통해 걸러낸 뒤에도 그 액체를 건강한 담배에 묻혀주면 병에 걸린다는 점을 발견했다. 이로부터 6년 뒤인 1898년 네덜란드의 미생물학자인 베이예링크(Martinus Beijerinck)는 이바노프스키와 비슷한 실험을 진행하면서 문제의 병원체에 ‘바이러스’라는 명칭을 붙였다. 이후 천연두를 비롯해 홍역, 광견병, 출혈열, 소아마비 등이 모두 바이러스에 의한 질병이었음이 밝혀지게 됐다.

그럼 바이러스는 무엇인가. 영화 ‘에일리언’을 떠올려보자. 에일리언은 인간을 숙주삼아 자손을 늘리고 진화까지 달성한다. 바이러스도 숙주를 활용한다는 점에서 유사하다. 바이러스란 유전정보를 가진 핵산과 겉을 둘러싼 단백질로 이뤄진 존재로, 생물과 무생물의 특징을 모두 갖고 있다. 복제를 하는 점에선 생물과 같다. 다만 숙주가 없다면 바이러스는 자신을 복제할 수 없다. 자가 복제 시스템을 갖춘 숙주의 세포를 통해 복제가 이뤄지기 때문이다.

그래서 바이러스는 생물을 감염시켜 자신들의 유전자를 전파한다. 인체에 들어온 바이러스는 세포들에 무수히 침입해 자신의 정보를 심는다. 이때 바이러스의 스파이크 단백질은 세포의 수용체와 결합해 자연스럽게 세포 내로 들어가도록 돕는다. 세포는 바이러스의 유전정보에 따라 또 다른 바이러스를 만들고, 그 바이러스가 또 다른 세포를 감염시키면서 우리 몸을 병들게 한다.

백신이 만들어 낸 Y 모양 항체가 바이러스를 에워싸는 모습. (출처: 게티이미지뱅크)
백신이 만들어 낸 Y 모양 항체가 바이러스를 에워싸는 모습. (출처: 게티이미지뱅크)

◆백신의 원리는 ‘바이러스 모의고사’

하지만 우리 몸도 가만히 당하진 않는다. 이때 작동하는 게 우리의 면역체계다. 병원체가 침입하면 우리 몸은 즉시 T세포와 B세포가 현장에 출동한다. 이와 동시에 대식세포가 움직여 침입자를 먹어치울 준비를 한다. T세포가 일종의 재판을 통해 이 침입자(항원) 유죄인지를 정하고, 유죄가 내려지면 B세포는 항원의 겉표면의 모습, 즉 스파이크 단백질과 유사한 무기인 항체를 만들어 내 바이러스를 꼼짝 못하게 하면, 대식세포가 병원체를 집어삼킨다.

이때 B세포는 당장 싸울 형질세포와 항체 정보를 저장할 기억세포로 분화한다. 형질세포는 T세포와 함께 싸움이 끝나면 스스로 목숨을 끊는다. 우리 몸의 건강한 세포를 공격하는 일이 없도록 하기 위해서다. 반면 기억세포는 더 오래 살면서 나중에 나타날 같은 항원에 대한 항체를 생성하는 역할을 한다. 이에 따라 같거나 유사한 항원이 우리 몸에 들어와도 면역체계가 작동해 우리 몸을 지킨다.

바로 이 면역체계 형성을 돕는 게 백신이다. 우두로 천연두를 막은 것처럼, 백신은 약한 항원을 막는 연습을 시켜 항체를 미리 준비시키는 것이다. 일종의 ‘모의고사’다.

대량생산된 백신의 모습. (출처: 게티이미지뱅크)
대량생산된 백신의 모습. (출처: 게티이미지뱅크)

◆생백신과 사백신

백신의 기술이 발전하면서 백신의 종류도 다양해졌다. 가장 먼저 등장한 백신은 천연두 백신과 같은 약독화 생백신이다. 거듭된 배양을 통해 바이러스 등 병원체의 독성을 약화시킨 뒤 몸에 주입하는 방식이다. 살아있는 백신이기 때문에 거친 전투로 다양한 경험을 통한 많은 항체 형성이 가능해 1회 접종으로도 상당한 면역을 얻을 수 있다.

불활성화백신(사백신)은 생백신과 달리 열을 가하거나 포름알데히드 등 약품 처리를 통해 병원체를 죽인 채로 몸 안에 넣는 것이다. 따라서 여러 차례 접종해야 원하는 면역 효과를 얻을 수 있다. 사백신 중엔 병원체가 아닌 질병의 원인인 독소를 약화시켜 투입하는 종류도 존재한다. 톡소이드 백신(toxoid vaccine)이다. 또 항원으로 인식되는 일부만을 오려 주입하는 백신도 있는데, 이를 아단위 백신이라고 부른다.

달걀 유정란을 활용하면 백신을 대량 생산할 수 있다. 사진은 달걀에 주사하는 모습. (출처: 게티이미지뱅크)
달걀 유정란을 활용하면 백신을 대량 생산할 수 있다. 사진은 달걀에 주사하는 모습. (출처: 게티이미지뱅크)

◆달걀 유정란으로 백신 대량 생산

병원체들이 숙주를 통해 ‘번식’을 하는 것처럼, 약하거나 죽은 병원체인 백신도 만들어지기 위해선 배양을 해야 했다. 그것도 많은 사람을 한번에 접종할 수 있을 만큼 대량으로 이뤄져야 했다. 어떻게 그게 가능했을까? 답은 달걀 유정란이었다.

1930년대 초 밴더빌트 대학의 병리학자 어네스트 굿패스쳐와 부부연구원 앨리스 우드러프와 유진 우드러프는 달걀의 수정란에서 바이러스 배양이 가능하다는 사실을 발견했고, 수정란만 안정적으로 수급되면 백신 대량생산이 가능하다는 것을 입증했다. 독감 백신 등 약 80%의 백신이 이 방법으로 생산된다. 독감 백신 접종 전 달걀 알레르기를 확인하라고 하는 건 이 같은 이유에서다.

인류에게 백신 대량 접종이 가능하게 한 고마운 달걀 배양법이지만, 개발 100년이 가까워진 지금에선 단점도 드러났다. 접종분 1개당 달걀 1~2개가 필요하고 배양이 끝날 때까지 수개월이 소요된다는 점에서 전 세계가 바이러스로 뒤집히기 전에 해법을 내놓아야 하는 코로나 등 상황에선 다소 속도가 느렸던 것이다.

사진은 DNA(왼쪽)과 RNA 구조의 모습. RNA는 유전정보를 담고 있는 DNA가 반으로 갈린 모습이라고 보면 이해가 쉽다. (출처: 게티이미지뱅크)
사진은 DNA(왼쪽)과 RNA 구조의 모습. RNA는 유전정보를 담고 있는 DNA가 반으로 갈린 모습이라고 보면 이해가 쉽다. (출처: 게티이미지뱅크)

◆코로나19의 해법은 처음 시도되는 mRNA?

그래서 의료계는 연구가 진행 중이던 DNA RNA 백신에 주목했다. 이들 RNA 백신은 유전 정보가 있는 핵산에서 외형을 이루는 스파이크 단백질에 대한 염기서열 부분만 잘라내 전달이 가능한 RNA, 즉 mRNA(messenger RNA) 형태로 만들어 우리 몸에 투입한다. 인체에 들어온 mRNA는 수지상세포나 ‘리보솜’이라는 복합체와 결합해 독성이 없는 스파이크 단백질을 만든다. 면역체계는 스파이크 단백질만 보고도 항원으로 인식해 항체를 생산한다.

코로나19는 ‘왕관’이라는 라틴어 어원처럼 화려한 스파이크 단백질을 자랑한다. 이 때문에 코로나19 백신으로서는 RNA 방식이 매우 적합했던 셈이다. 지금 회자되는 화이자, 모더나 등 회사의 백신이 바로 이 방식이다(아스트라제네카는 ‘벡터’라는 운반체에 유전자를 심어 전달하는 방식).

mRNA백신은 기존 어떤 백신보다 획기적인 생산이 가능하지만, 문제는 역사상 한번도 완성된 적이 없어 검증되지 않았다. 다행히도 mRNA 백신이 각국에서 허가를 받을 수 있었던 이유는 코로나19 염기서열을 인류가 완벽히 해독했기 때문이다. 코로나19의 모든 유전자 정보를 알고 있어서 변종 등에 곧바로 대응할 수 있다는 점에서 ‘양해’를 받았다.

새해엔 전 세계에서 백신 접종이 마무리 돼 마스크 쓰지 않는 일상으로 돌아갈 수 있을지 주목된다.

사우디 아라비아가 미국 제약업체 화이자와 독일 바이오엔테크가 공동 개발한 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19) 백신을 세계에서 4번째로 승인했다(출처: 뉴시스)
코로나19 백신 중 가장 먼저 세계보건기구(WHO)긴급 승인을 받은 화이자. (출처: 뉴시스)

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