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우한 신종 코로나바이러스에 대한 연구 결과

2020년 1월 21일, 중국과학원 상하이파스퇴르연구소 하오페이(郝沛)/군사의학연구원 국가비상예방통제약물공정기술연구센터 중우(鍾武)/중국과학원 분자식물엑설런스센터 합성생물학중점실험실 리쉬안(李軒) 등 연구팀의 연구 성과가 "Evolution of the novel coronavirus from the ongoing Wuhan outbreak and modeling of its spike protein for risk of human transmission"란 제목으로 "SCIENCE CHINA Life Sciences"에 온라인으로 게재되었다. 해당 논문은 우한(武漢) 폐렴 발생을 야기시킨 신종 코로나바이러스의 진화 근원 및 2002년 광둥 "비전형성폐렴(사스)"의 SARS 코로나바이러스와 "중동호흡기증후군"의 MERS 코로나바이러스와의 유전적 진화관계를 서술하였다. 또한 우한 신종 코로나바이러스 spike-단백질 구조에 대한 시뮬레이션 연산을 통해 동 단백질이 사람의 ACE2 단백질과 작용하여 인간 감염을 매개하는 분자작용경로를 규명하였다. 해당 성과는 우한 신종 코로나바이러스의 잠재적인 사람 간 전염성을 평가함으로써 전염원 및 전파경로의 빠른 시간 내 확인, 고효율적 예방통제 전략 마련에 과학적인 이론근거를 제공하였다. 2019년 12월부터 후베이성 우한시에서 집중적으로 발생하기 시작한 원인불명의 폐렴에 대한 역학조사 결과, 해당 폐렴 병례는 우한시 "화난(華南)해산물시장"과 연관이 있는 것으로 나타났다. 다학제 통합진료 및 실험적 검사를 통해 우한 폐렴은 바이러스성 폐렴으로 확인되었고 2020년 1월 8일에 "우한폐렴" 병원균이 일종의 신종 코로나바이러스임을 기본적으로 확정지었다. 우한폐렴은 2002년 광둥에서 발생한 사스와 유사한 점이 많다. 양자 모두 겨울철에 발생하였고, 초기 병례는 동물교역시장에서 사람과 살아있는 동물과의 접촉에서 비롯되었으며, 알려지지 않은 코로나바이러스 병원균에 의해 유발되었다는 점이다. 2020년 1월 20일 18시 기준으로 중국 경내에서 누계 보고된 신종 코로나바이러스 감염 폐렴 병례는 224건, 그 중 확진병례는 217건(우한시 198건, 베이징시 5건, 광둥성 14건)이고 의심병례는 7건(쓰촨성 2건, 윈난성 1건, 상하이시 2건, 광시좡족자치구 1건, 산둥성 1건)이다. 중국 국외에서 보고된 병례에는 일본 1건, 태국 2건, 한국 1건이 있다. 감염환자 중 의료진 14명이 포함되는 등 해당 신종 코로나바이러스는 사람 간 전염 및 확산 추세를 보이고 있다. 2020년 1월 10일 우한 신종 코로나바이러스의 첫 번째 게놈서열 데이터가 발표되었고 그 후로 환자 몸에서 분리한 일련의 신종 코로나바이러스 게놈서열이 잇따라 발표되었다. 상기 게놈 데이터는 우한 신종 코로나바이러스의 진화 근원 및 발병 병리메커니즘 연구·분석에 중요한 자료를 제공하였다. 연구팀은 우한 신종 코로나바이러스와 SARS/MERS 코로나바이러스와의 관계를 밝히기 위해 상기 3종 코로나바이러스 게놈을 비교하였다. 그 결과 우한 신종 코로나바이러스는 SARS/MERS와 각각 평균 ~70%, ~40% 서열 유사성을 지님을 발견하였다. 그중, 다양한 코로나바이러스가 숙주세포와 작용하는 핵심 spike유전자(S-단백질 인코딩)는 더욱 큰 차이성을 나타냈다. 우한 신종 코로나바이러스의 진화 근원 및 가능한 자연계 숙주를 밝히기 위해 연구팀은 우한 신종 코로나바이러스와 기존에 수집한 대량 코로나바이러스 데이터에 대한 유전적 진화분석을 통해 우한 신종 코로나바이러스는 Beta코로나바이러스속(Betacoronavirus)에 속함을 발견했다. Betacoronavirus는 단백질로 둘러싸인 단일사슬 플러스가닥(plus strand) RNA바이러스로서 사람을 포함한 고등동물에 기생하며 감염시킨다. 계통수에서의 위치를 보면 SARS 바이러스 및 유사SARS(SARS-like) 바이러스 분류군과 인접해 있지만 결코 SARS/유사SARS 바이러스 분류군에 속하지 않는다. 흥미로운 것은 그들 진화에서 공동의 외군(outgroup)은 과일박쥐(fruit bat)에 기생하는 HKU9-1코로나바이러스라는 점이다. 따라서 우한 코로나바이러스와 SARS/유사SARS 코로나바이러스 공동의 조상은 HKU9-1와 유사한 바이러스이다. 우한 코로나바이러스의 진화 이웃 및 외군 모두 다양한 종류의 박쥐에서 발견된데 비추어 우한 코로나바이러스의 자연 숙주 또한 박쥐일 것으로 추정된다. 아마도 우한 코로나바이러스도 2002년에 사스를 유발한 코로나바이러스와 마찬가지로 박쥐에서 사람에 이르는 전염과정 가운데 알려지지 않은 중간숙주 매개체가 있을 가능성이 크다. 우한 신종 코로나바이러스와 SARS/MERS 바이러스와의 유전적 거리가 매우 먼 점을 감안해 연구팀은 우한 신종 코로나바이러스의 사람 감염 메커니즘 및 경로를 분석하였다. SARS/MERS 바이러스의 S-단백질은 각각 사람의 ACE2, DPP4 단백질과의 상호결합을 통해 사람의 호흡기상피세포를 감염시킨다. 연구팀은 우한 코로나바이러스와 SARS/MERS 바이러스 S-단백질의 숙주 수용체 상호작용 영역(RBD 영역) 비교를 통해 RBD영역에서 우한 코로나바이러스와 SARS 바이러스가 비교적 유사함을 발견하였다. 그러나 MERS 바이러스와의 차이가 큰 점에 미루어 S-단백질과 DPP4 상호작용적 사람 감염의 가능성을 배제하였다. 하지만 우한 코로나바이러스 S-단백질이 사람 ACE2와의 상호작용도 큰 어려움이 존재한다(이미 입증된 SARS 바이러스 S-단백질과 ACE2와 상호작용하는 5개 핵심 아미노산 가운데 4개가 우한 코로나바이러스에서 변화가 발생했다). 연구팀은 상기 문제를 해명하기 위해 분자구조 시뮬레이션 연산방법을 사용해 우한 코로나바이러스 S-단백질과 사람 ACE2 단백질 구조 맞물림 연구를 수행하여 놀라운 결과를 얻었다. 비록 우한 코로나바이러스 S-단백질 중 ACE2 단백질과 결합되는 5개 핵심 아미노산 가운데 4개에 변화가 발생하였지만 변화된 아미노산은 오히려 전체적으로 SARS 바이러스 S-단백질과 ACE2 단백질이 상호작용하는 오리지널 구조형태를 매우 완벽하게 유지하고 있었다. 우한 신종 코로나바이러스의 새 구조와 ACE2 단백질의 상호작용력이 소수 수소결합의 손실로 다소 저하(SARS 바이러스 S-단백질과 ACE2 상호작용에 비해 저하)되었으나 결합 자유에너지(binding free energy)는 -50.6 kcal/mol로 여전히 매우 높은 수준에 도달하였다. 동 결과는 우한 코로나바이러스가 S-단백질과 사람 ACE2와의 상호작용 분자 메커니즘을 통해 사람의 호흡기상피세포를 감염시킴을 입증한다. 해당 연구 성과는 우한 코로나바이러스가 사람에 매우 강한 감염력을 보유함을 예측함으로써 과학적인 예방통제, 예방통제 전략 구축, 검사/중재 기술수단 개발 등을 위해 과학적 이론기반을 마련하였다.

중국과학자 공정구조재료의 국제난제 해결

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중국과학자가 공정구조재료의 강도와 인장연성을 동시에 높이는 연구에 성공하여 주목받고 있다. 중국과학원 금속연구소 심양(沈陽)재료과학 국가(연합)실험실의 루커(卢柯)연구팀은 매우 높은 항복강도와 높은 인장연성 변형특성을 지닌 기울기 나노금속 구리(Cu)를 개발하는데 성공했다. 연구결과 기울기 나노금속구리의 탁월한 가소성 변형특성은 기울기나노구조의 독특한 변형메커니즘에서 기인한 것임을 밝혔다. 연구팀은 미세조직에 대한 연구를 통해, 기울기 나노구조의 경우 인장과정에 그 주도적 변형메커니즘이 기계적 구동방식의 결정립계로 전이하며, 이로 인해 결정입자가 커지는데 이러한 변형메커니즘은 전위운동, 쌍정, 결정립계 미끄럼 혹은 크리프 등의 재료변형메커니즘과는 차원이 완전히 다른 것도 규명했다. 관련 연구성과는 2월 17일 미국「사이언스」온라인판에 게재했다. 공정구조재료의 경우 이상적인 성능은 높은 강도와 높은 인장연성을 동시에 갖추는 것이지만 실제로 강도와 인장연성을 두루 갖추기는 매우 힘들다. 고강도재료의 경우 대부분은 가소성이 매우 낮으나 이와 반대로 가소성이 양호한 재료의 경우는 강도가 매우 낮은 것이 단점이다. 대표적인 고강도재료인 나노금속재료(미립사이즈가 나노스케일의 다결정금속)는 강도가 보통금속보다 한자리 높지만 그 대신 인장연성은 거의 없다. 이리하여 나노금속의 가소성과 연성을 어떻게 높이는가 하는 문제는 최근 몇 년간 국제재료분야의 중요한 난제로 남아있었다. 기울기 나노구조는 입자치수의 공간차원의 기울기분포를 가리킨다. 루커연구팀은 표면기계밀링처리(SMGT)기법을 이용해 순수 구리막대표면에 기울기 나노구조를 제조하는데 성공했으며, 표면에서 내부에 이르기까지 결정입자치수를 십몇나노(nm)기울기에서 마이크로(㎛)스케일로 확대하였는데 막대의 코어부분은 거친 입자구조(입자치수는 수십마이크로미터)이며, 이런 기울기 나노구조의 두께는 수백마이크로미터에 달하였다. 기울기 나노구조층은 매우 높은 인장항복강도를 지니는데, 바깥층의 50마이크로미터 두께의 기울기 나노구조의 항복강도는 660MPa(거친 결정 구리의 10배정도)에 달하며, 실온 인장실험결과 기울기 나노구조의 표층은 인장 진변형률(true strain)이 최고로 100%일 경우에도 여전히 균열이 생기지 않고 완벽함을 유지하고 있어 인장연성 변형특성은 거친 입자 구리보다 월등한 것으로 나타났다. 따라서 높은 강도와 높은 인장연성을 동시에 갖춘 나노구조재료는 고성능 공정구조재료의 발전을 위해 전혀 새로운 길을 개척해놓았다는 점에서 그 의의가 깊다. 표면기계밀링처리법은 최근 중국과학원 금속연구소 심양재료과학 국가(연합)실험실이 개발한 기울기 나노구조 제조 신기술로서 제조공법이 간단하여 공업응용에 적합하다. 신기술의 개발은 기울기 나노금속의 기본성능연구를 추진하였음은 물론이고 고성능 기울기 나노표층재료의 공업응용 및 재료표면공정기술의 발전에 대해서도 중요한 촉진역할을 할 것으로 기대된다.