바이러스는 생물인가 — 구조와 숙주 특이성

5단원 생물다양성이 여기서 시작합니다. 그런데 첫 챕터가 하필 생물인지 아닌지부터 애매한 것이에요. 순서가 이상해 보이지만, 저는 이게 꽤 좋은 출발이라고 생각합니다. "생물이란 무엇인가"를 한 번 제대로 따져 보지 않고는 생물의 다양성을 셀 수도 없으니까요.

이 글에서 할 일은 세 가지입니다. 생물의 조건을 먼저 세우고, 바이러스가 그 조건 중 어디서 걸리는지 보고, 바이러스가 무엇으로 이루어져 있고 왜 아무 세포나 감염하지 못하는지까지 정리합니다.

생물의 조건을 먼저 세우자

"바이러스는 생물인가"라는 질문에 답하려면 기준이 먼저 있어야 합니다. 교과서가 드는 생물의 특징은 대체로 이렇습니다.

• 세포로 이루어져 있다 — 세포가 구조와 기능의 기본 단위다.
• 물질대사를 한다 — 스스로 에너지를 쓰고 물질을 만든다.
• 항상성을 유지한다 — 내부 환경을 일정하게 유지한다.
• 자극에 반응한다
• 생식하고 유전한다 — 자기와 닮은 자손을 남기고 유전물질을 전달한다.
• 변이가 생기고 진화한다 — 환경에 적응한다.

이 잣대를 바이러스에 대 보면 결과가 깔끔하게 갈리지 않습니다. 바로 그게 핵심이에요.

생물의 특징	바이러스는?
세포 구조	없음. 핵·세포질·소기관·세포막 어느 것도 없다. 세포가 아니다
물질대사	없음. 효소계도 리보솜도 없어 스스로 ATP를 만들거나 단백질을 합성하지 못한다
항상성	없음
독립적 증식	불가. 숙주 세포 밖에서는 아무 일도 하지 않는다
유전물질 보유	있음. DNA 또는 RNA를 가진다
숙주 안에서의 증식	가능. 숙주의 기구를 빌려 자기 복사본을 대량으로 만든다
돌연변이·진화	있음. 변이가 쌓이고 자연선택을 받는다

표의 위쪽 절반은 전부 "아니오", 아래쪽 절반은 전부 "예"입니다. 그래서 바이러스를 생물과 무생물의 중간에 놓는 거예요. 교과서에 자주 나오는 표현을 빌리면, 세포 밖에서는 단백질과 핵산으로 된 입자(비리온)일 뿐이고 세포 안에 들어가야 비로소 생물처럼 행동합니다.

여기서 자주 틀립니다. "바이러스는 세포로 되어 있지 않다"까지는 다들 잘 쓰는데, "세포막이 없다"를 틀리게 쓰는 학생이 많아요. 뒤에서 볼 외피를 세포막으로 착각하기 때문입니다. 외피는 바이러스가 만든 막이 아니라 숙주 막을 뜯어 입은 것이고, 선택적 투과나 물질 수송 같은 세포막의 기능을 하지도 않습니다. 겉모습이 막이라고 세포막이 되는 게 아니에요.

바이러스는 무엇으로 되어 있나

구조는 생각보다 단순합니다. 유전체 하나, 그걸 감싼 단백질 껍질 하나. 여기에 종류에 따라 막 하나가 더 붙습니다.

• 유전체 — DNA 또는 RNA. 둘 다 가진 바이러스는 없습니다. 이게 세포와의 결정적인 차이예요.
• 캡시드(capsid) — 유전체를 감싸는 단백질 껍질. 유전체를 물리적·화학적으로 보호하고, 숙주 표면에 달라붙는 역할도 겸합니다.
• 외피(envelope) — 일부 바이러스에만 있는 바깥쪽 막. 숙주 세포의 막에서 유래하고, 거기에 바이러스 당단백질이 박혀 있습니다.

캡시드를 들여다보면 설계가 재미있습니다. 캡시드는 통짜 껍데기가 아니라 캡소미어라는 작은 단백질 단위가 수없이 반복해 쌓인 구조예요. 왜 굳이 블록을 쌓을까요?

이유는 유전체가 너무 작기 때문입니다. 껍질 전체를 한 종류의 거대한 단백질로 만들려면 그만큼 긴 유전자가 필요한데, 바이러스에는 그럴 여유가 없어요. 대신 같은 블록을 수백 개 찍어내 쌓으면 유전자 하나로 커다란 껍질을 만들 수 있습니다. 레고 블록 한 종류로 집을 짓는 것과 같은 전략이에요. 담배모자이크바이러스의 막대 모양 캡시드가 똑같은 단백질이 나선으로 감겨 만들어진다는 건 이 전략의 교과서적인 예입니다.

모양은 크게 세 가지로 나눕니다.

캡시드 모양	생김새	예
나선형	단백질이 나선으로 감겨 막대나 실 모양	담배모자이크바이러스
정이십면체형	삼각형 면이 모인 공에 가까운 다면체	아데노바이러스 등 다수
복합형	머리와 꼬리가 따로 있는 조립품	T4 같은 박테리오파지

크기는 어느 정도일까요. 바이러스는 대부분의 세균보다도 작습니다. 대체로 수십에서 수백 나노미터 수준이라, 광학현미경으로는 보이지 않고 전자현미경이 있어야 합니다. 바이러스가 20세기에 들어서야 그 실체가 잡힌 데는 이 크기 문제가 큽니다 — 19세기 말 연구자들은 세균이 걸러지는 거름종이를 통과하는데도 병을 일으키는 무언가가 있다는 것까지만 알았고, 그래서 "거름종이를 통과하는 감염체"라고 불렀어요. 보이지 않는 채로 존재만 추론한 겁니다.

유전체의 종류가 분류 기준이 된다

세포 생물은 예외 없이 이중가닥 DNA를 유전물질로 씁니다. 그런데 바이러스는 다릅니다. 네 가지 조합이 전부 실제로 존재해요.

핵산	가닥	비고
DNA	이중가닥	대부분의 파지, 헤르페스바이러스 등
	단일가닥	복제 전에 상보가닥을 먼저 만들어야 한다
RNA	이중가닥	숙주에 없는 효소가 필요하다
	단일가닥	동물 바이러스에 특히 흔하다. 레트로바이러스도 여기 속한다

그래서 바이러스를 분류할 때는 생물처럼 생김새나 계통으로 묶지 않고 다음 네 가지를 기준으로 봅니다.

• 핵산의 종류 — DNA냐 RNA냐
• 가닥 수 — 이중가닥이냐 단일가닥이냐
• 캡시드의 모양 — 나선형·정이십면체형·복합형
• 외피의 유무

유전체 자체도 아주 작습니다. 유전자 수가 많아야 수백 개 수준이고, 적은 것은 손에 꼽을 정도예요. 사람 세포가 가진 유전자 수와 비교하면 비교가 민망한 규모입니다. 그 적은 유전자로 어떻게 세포 하나를 통째로 장악할까요? 답은 간단합니다 — 필요한 것을 자기가 만들지 않고 숙주 것을 그대로 씁니다. 리보솜도, tRNA도, 아미노산도, ATP도 전부 숙주 것이에요. 바이러스가 가지고 들어가는 건 사실상 설계도와 그 설계도를 읽히는 데 꼭 필요한 최소한의 도구뿐입니다.

이 지점에서 유전자 발현과 유전부호를 다시 떠올려 보세요. 유전부호가 거의 모든 생물에서 공통이라는 사실이 여기서 실질적인 의미를 갖습니다. 부호가 공통이니까 바이러스의 유전자를 숙주의 리보솜이 아무 문제 없이 읽어 버리는 거예요. 공용 규격이기 때문에 남의 공장에서도 찍힙니다.

바이러스는 생물의 조건 절반만 만족한다 — 그래서 반쪽짜리가 아니라 다른 범주다 — 송쌤생명과학 자체 제작

왜 아무 세포나 감염하지 못하는가 — 숙주 특이성

감기 바이러스가 사람의 호흡기를 감염시키는데 왜 사람의 간세포는 건드리지 않을까요. 식물 바이러스는 왜 사람에게 옮지 않을까요. 답은 전부 숙주 특이성 한 단어로 모입니다.

바이러스의 표면 단백질(외피가 있으면 외피 당단백질, 없으면 캡시드 단백질)이 숙주 세포 표면의 특정 분자와 맞물려야만 감염이 시작됩니다. 이 맞물림이 자물쇠와 열쇠 관계예요. 열쇠가 안 맞으면 바이러스는 세포 표면을 스쳐 지나갈 뿐입니다.

중요한 건 숙주 쪽 자물쇠가 "바이러스를 받아들이려고" 있는 게 아니라는 점입니다. 그건 원래 세포가 자기 일을 하려고 갖춰 둔 수용체·막단백질이에요. 호르몬을 받거나, 신호를 전달하거나, 세포끼리 붙는 데 쓰던 단백질입니다. 바이러스는 그 멀쩡한 손잡이를 무단으로 잡고 들어가는 겁니다. 숙주 입장에서 보면 어이없는 일이죠.

이 특이성이 만드는 결과가 두 단계입니다.

• 종 특이성 — 어떤 생물 종을 감염할 수 있는지가 정해집니다. 박테리오파지는 특정 세균만, 담배모자이크바이러스는 특정 식물만 감염합니다.
• 조직 특이성 — 같은 개체 안에서도 어떤 조직을 감염할지가 갈립니다. 맞는 수용체를 가진 세포가 그 조직에만 있기 때문이에요. 인플루엔자가 주로 호흡기 상피를 공격하는 것, HIV가 특정 면역세포를 공격하는 것이 이 때문입니다.

그리고 바로 이 자물쇠-열쇠 관계가 신종 바이러스를 이해하는 열쇠이기도 합니다. 다른 동물의 바이러스가 사람에게 넘어오려면, 결국 사람 세포의 자물쇠에 맞는 열쇠로 바뀌어야 하거든요. 그게 얼마나 어려운 일이고 또 어떻게 가능해지는지는 이 챕터 마지막 글에서 보겠습니다.

바이러스에 항생제를 쓰면 안 되는 이유가 여기서 나옵니다. 항생제는 세균의 세포벽 합성, 세균형 리보솜, 세균의 효소 같은 세균만 가진 구조를 공격하는 약입니다. 그런데 바이러스에는 세포벽도 리보솜도 자기 효소계도 없어요. 때릴 표적 자체가 없습니다. 게다가 바이러스는 숙주 세포 기구를 쓰기 때문에, 바이러스의 증식을 막으려 들면 내 세포도 같이 다칠 위험이 큽니다. 항바이러스제 개발이 항생제보다 훨씬 까다로운 근본적인 이유예요. 감기에 항생제를 달라고 하면 안 되는 것도 같은 이야기고요.

그럼 바이러스는 어디서 왔을까

학생들이 꼭 물어보는 질문입니다. 바이러스는 숙주 없이는 증식하지 못하니까, 적어도 세포보다 먼저 생기지는 않았을 겁니다. 숙주가 없는데 증식할 방법이 없으니까요. 그래서 "바이러스가 최초의 생명이었다"는 설명은 성립하기 어렵습니다.

지금 유력하게 거론되는 쪽은 바이러스가 세포에서 떨어져 나온 유전물질 조각에서 기원했다는 설명입니다. 플라스미드나 전이인자처럼 세포 안을 돌아다니던 DNA 조각이, 자기를 포장하는 단백질 유전자를 얻으면서 세포 밖으로 나갈 수 있게 됐다는 거예요.

여기에는 중요한 단서가 하나 붙습니다. 바이러스는 하나의 조상에서 갈라진 한 집단이 아닐 가능성이 높다는 것. 서로 다른 바이러스 무리가 각각 다른 시기에, 다른 숙주에서 따로 생겨났다고 보는 쪽이 자료와 더 잘 맞습니다. 그래서 바이러스는 3역 분류 체계의 어느 가지에도 들어가지 않아요. 생명의 나무에 자리가 없습니다. 나무에서 떨어져 나온 조각들이기 때문입니다.

쌤 한마디 — 이 단원 서술형은 거의 항상 "바이러스가 생물의 특징과 무생물의 특징을 모두 갖는다는 것을 각각 근거를 들어 서술하시오" 꼴로 나옵니다. 그러니 답을 외우지 말고 칸 두 개를 머리에 그려 두세요. 무생물 쪽에는 "세포 구조 없음 / 효소계·리보솜 없음 → 독립적 물질대사 불가 / 숙주 밖에서 증식 불가", 생물 쪽에는 "유전물질 보유 / 숙주 안에서 증식 / 돌연변이와 진화". 각 칸에 세 개씩만 채워 두면 어떤 변형에도 답이 나옵니다. 그리고 꼭 한 번은 "숙주 밖에서는", "숙주 안에서는"이라는 조건을 붙여서 쓰세요. 이 조건이 빠지면 같은 말인데도 점수가 깎입니다.

정리하면

바이러스는 세포가 아니고, 스스로 물질대사를 하지 못하며, 숙주 밖에서는 증식하지 못합니다. 그러나 유전물질을 가지고, 숙주 안에서는 증식하며, 변이가 쌓이고 진화합니다. 그래서 생물과 무생물의 중간이라고 부릅니다.

구조는 유전체 + 캡시드가 기본이고, 여기에 숙주 막에서 유래한 외피가 있는 경우가 있습니다. 캡시드는 같은 단백질 블록을 반복해 쌓는 방식으로 작은 유전체의 한계를 넘습니다. 분류는 핵산의 종류(DNA/RNA), 가닥 수(이중/단일), 캡시드 모양, 외피 유무를 기준으로 합니다.

감염 대상은 바이러스 표면 단백질과 숙주 세포 표면 수용체의 결합으로 정해집니다. 열쇠가 맞는 세포만 감염되고, 그래서 종 특이성과 조직 특이성이 나타납니다.

이제 실제로 세포 안에 들어가면 어떤 일이 벌어지는지 볼 차례입니다. 가장 깔끔하게 연구된 사례인 세균 바이러스부터 시작하죠. 박테리오파지의 두 생활사에서, 같은 파지가 조건에 따라 전혀 다른 두 가지 전략 중 하나를 고르는 장면을 보겠습니다.