만화로 푸는 과학 궁금증, 백신의 원리와 만드는 방법

만화로 푸는 과학 궁금증, 백신의 원리와 만드는 방법

 

지난 1년간 코로나바이러스감염증-19로 인한 팬데믹으로 큰 어려움을 겪은 인류는 이제 어두운 터널의 끝을 알리는 한 줄기 빛을 보고 있다. 화이자와 모더나 등 몇몇 제약회사가 개발한 백신이 미국 FDA의 승인을 받고 사람들에게 접종을 시작했기 때문이다. 백신은 감염병에 대해 인위적으로 집단 면역을 일으킬 수 있어 세계적으로 감염병이 대유행하는 팬데믹 상태에서 벗어날 수 있는 가장 효과적인 방법이다.

 

백신은 어떻게 탄생했을까?

인류가 처음으로 만든 백신은 1796년 영국의 에드워드 제너가 만든 천연두 바이러스 백신이다. 당시 천연두는 사망률이 40%에 달했던 공포의 질병이었다. 그런데 소 젖을 짜는 일을 하는 사람은 천연두에 잘 걸리지 않았다. 그들은 소들이 걸리는 천연두라고 할 수 있는 우두에 가끔 전염되었는데, 우두는 무서운 병이 아니었고 우두를 한번 앓은 사람은 천연두에 걸리지 않았다. 제너는 여기에서 힌트를 얻었다.

그는 우두에 전염된 사람의 손바닥에 생긴 종기에서 채취한 고름을 바늘에 묻혀 8살짜리 소년의 팔에 접종했다. 며칠 뒤 이 소년은 약한 우두 증세를 보이다가 회복했다. 6주 후에 제너는 이 소년에게 진짜 천연두 고름을 접종했는데, 제너의 예상대로 이 소년은 천연두에 걸리지 않았다.

이를 통해 제너는 우두의 고름을 사람에게 접종하면 천연두 감염을 막을 수 있다는 사실을 알아냈다. 제너는 바이러스의 존재도 몰랐고 어떤 원리로 우두의 고름이 천연두를 막는지 몰랐지만, 제너가 발견한 우두 접종법은 현재 사용하는 백신과 같은 원리다.

인류 최초의 백신은 제너가 만든 천연두 예방 백신이다. ⓒ윤상석

 

백신의 원리

우리 몸에 세균이나 바이러스 등이 침입했을 때 일어나는 방어 시스템을 면역 체계라고 한다. 그 면역 체계는 크게 선천 면역과 획득 면역으로 나눈다.

선천 면역은 백혈구들이 외부에서 들어온 바이러스나 세균 등과 직접 싸우며 우리 몸을 방어하는 체계이다.

반면에 획득 면역은 외부에서 들어온 이물질을 항원으로 인식하고 이 항원을 막기 위한 항체를 만들어 우리 몸을 방어하는 체계이다. 획득 면역은 선천 면역보다 느리게 반응하지만, 한번 걸렸던 감염병을 기억하는 장점이 있다. 그래서 그 감염병에 다시 걸리지 않거나 걸린다고 해도 비교적 가벼운 증상만 나타난다. 이것은 획득 면역을 일으키는 면역 세포가 다음의 적 침입을 대비해 ‘기억 세포’로 오랫동안 몸속에 살아남아 있기 때문이다. 이것을 이용한 감염병 예방법이 바로 백신이다.

감염병을 일으키는 세균이나 바이러스를 인공적으로 처리하여 병을 일으키지 않으면서 우리 몸의 획득 면역계가 항원으로 인식하게 만든 것을 백신이라고 한다.

예를 들어 영양분이 부족하여 약해진 세균이나 조각난 바이러스가 백신이 될 수 있다. 이 백신을 우리 몸에 집어넣으면 우리 몸은 그 세균이나 바이러스가 일으키는 감염병에 걸리지 않으면서 획득 면역계가 그에 맞는 항체를 만들고 기억 세포를 남길 수 있다. 그러면 그 세균이나 바이러스가 우리 몸에 침입하더라도 그 기억 세포의 재빠른 활동으로 많은 항체를 만들어 초기에 방어할 수 있다.

백신은 우리 몸의 면역 체계 중 하나인 획득 면역계를 이용한 감염병 예방법이다. ⓒ윤상석

 

백신을 만드는 방법

백신은 크게 ‘생백신’과 ‘불활성화 백신(사백신)’ 두 종류로 나눌 수 있다.

생백신은 살아있는 세균이나 바이러스를 배양한 후 병의 원인이 되는 성질을 아주 약하게 만든 백신이다. 제조 비용이 싸고 면역 효과도 좋지만 부작용이 많다. 반면에 불활성화 백신은 포르말린 등의 약품으로 세균이나 바이러스를 파괴하거나 그 일부 구조만을 꺼내 만든 백신이다. 이 백신은 안정성이 높아 부작용이 적지만 생산비가 많이 들고 면역 지속 기간이 생백신보다 짧다는 단점이 있다.

백신을 만들기 위해서는 우선 세균이나 바이러스를 증식해야 한다. 세균은 스스로 증식할 수 있지만, 바이러스를 증식하려면 살아있는 세포가 필요하다.

예를 들어 독감 예방 백신을 만들기 위해서는 살아있는 세포인 유정란이 필요하다. 유정란이란 수정된 알로 병아리가 될 수 있는 알이다. 유정란을 11일 정도 따뜻하게 하여 알 안에 배아를 키운다. 그다음에 알 안에 독감을 일으키는 인플루엔자 바이러스를 주입하여 48~72시간 배양한다. 이렇게 배양한 바이러스를 알에서 꺼낸 다음 불순물을 제거하고 농축한다. 이후 약품 처리를 통해 바이러스를 분해하여 병의 원인이 되는 성질을 없앤다. 이것을 정제하여 병에 담으면 독감 예방 백신이 완성된다.

독감 예방 백신의 주성분은 조각난 바이러스 표면 단백질이다. ⓒ윤상석

그런데 화이자와 모더나의 코로나바이러스감염증-19 백신은 새로운 개념의 백신이다.

바이러스의 유전정보가 든 RNA를 백신으로 이용하는 방법이다. 이 RNA가 우리 몸 세포 안으로 들어오면 세포가 이 RNA의 유전정보에 따라 바이러스의 단백질을 만들고, 우리 몸이 이 단백질을 항원으로 인식하여 항체를 만든다.

이 방법은 바이러스를 배양할 필요가 없고 바이러스의 RNA 유전정보만 알면 만들 수 있어 개발 기간이 기존 백신보다 무척 짧다는 장점이 있다.

하지만 RNA의 구조가 매우 불안정하여 보관이 어렵다는 단점이 있다. 특히 일정 온도 이상에서는 변형되기 쉬우므로 화이자에서 개발한 백신의 경우는 영하 70도의 초저온에서 보관해야 한다.