DNA와 RNA는 어떻게 다른가?

화이자 제약회사가 만든 코비드-19 백신은 RNA 백신이라고 한다. DNA는 교과과정이나 뉴스에서 수시로 접하지만 RNA는 잘 알지 못하고 지내왔다. 그러나 코로나바이러스에 대항하는 RNA 백신이 개발되면서 RNA에 대해 많은 관심을 갖게 되었다.

DNA와 RNA가 하는 역할

혈관 속을 흐르는 적혈구(1개의 핵이 없는 세포)는 인체를 구성하는 모든 세포에 산소를 운반해주는 역할을 한다. 세포들은 산소를 공급받아야만 자신의 기능을 정상으로 할 수 있다. 적혈구의 주성분은 헤모글로빈이라는 단백질이다. 탄수화물을 분해하는 중요한 소화효소 아밀레이스도 단백질이다. 세균으로부터 몸을 방어해주는 항체라는 것도 모두 단백질의 일종이다.

식물이든 동물이든 단세포 세균이든, 모든 생명체의 세포는 다량의 단백질로 구성되어 있으며, 세포 내부에서는 온갖 단백질이 끊임없이 만들어진다. 세포 속에서 형성되는 단백질은 모두 DNA와 RNA의 협력작용이다.

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적혈구를 구성하는 헤모글로빈 단백질에 대해 그림을 통해 알아보자. 적혈구 속에는 헤모글로빈이라는 단백질 분자가 가득한데, 1개의 적혈구는 약 2억 7,000만 개의 그림과 같은 헤모글로빈 분자로 구성되어 있다. 1개 헤모글로빈 분자는 산소(O2) 4개 분자와 결합할 수 있다. 건강한 사람의 혈액 100mL 속에는 12-20g의 헤모글로빈이 들어있다. 헤모글로빈 1g은 산소 1.34mL와 결합할 수 있다. 헤모글로빈(단백질)을 합성할 설계도는 DNA에 있고, 설계도대로 헤모글로빈을 만드는 일은 RNA가 한다.

생명체의 세포는 살아있는 동안 필요한 단백질을 계속 만들어야 한다. 이때 세포는 염색체를 구성하는 DNA(나선상 사다리꼴)에 기록된 정보(설계도)에 따라 단백질을 조합한다. 이때 RNA는 단백질 조합에 필요한 아미노산들을 찾아내어 설계도대로 합성하는 일을 한다.

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염색체(chromosome)는 세포의 핵(nucleus) 속에 있으며, DNA라 부르는 복잡한 구조를 가진 물질이다. DNA의 모습은 매우 긴 사다리가 꽈배기처럼 꼬인 형태로 표현하고 있으며, 사다리 발판의 일정 위치에 각종 유전인자들이 줄지어 배치되어 있다. DNA의 가장 중요한 일은 세포에서 필요한 단백질을 합성하도록 정보를 제공하는 것이다. 이 작업을 할 때 DNA는 일단 RNA부터 만들고, 이어서 함께 단백질을 합성토록 한다.

DNA와 RNA가 협력하여 특정 단백질(예 헤모글로빈)을 합성하는 과정을 그림으로 나타낸다. 헤모글로빈 유전자(DNA)에 기록된 정보 그대로 핵 내부에서 mRNA가 복사(transcription)된다. mRNA는 messenger + RNA를 나타내는데, messenger(심부름꾼)는 message(정보)라는 의미도 담고 있다.

​세포핵 내부에서 만들어진 mRNA는 핵 밖으로 나와 세포질 속에서 단백질의 기본 성분인 아미노산들을 정해진 순서대로 결합하여 단백질을 합성한다. 이를 translation(재생, 번역)이라 한다. 이 과정에 대한 더 자세한 설명(rRNA, tRNA)은 너무 전문적이다.

RNA로 만든 코비드-19 백신

코로나바이러스를 설명하는 영상을 보면, 바이러스 주변에 수많은 스파이크가 돌출해 있다. 이것은 모두 glycoprotein이라 부르는 일명 ‘스파이크 단백질’이다. 이 스파이크 단백질은 인체 세포에 쉽게 접촉하여, 세포 속으로 바이러스의 유전물질이 들어가도록 한다.

동식물과 박테리아 등 거의 모든 생명체의 유전물질은 DNA이지만, 코비드-19의 병원균인 코로나바이러스는 유전물질이 RNA이다. 그래서 제약회사 화이자의 과학자들은 코비드-19를 mRNA로 방어할 생각을 하게 되었다.

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코로나바이러스의 주변에 스파이크가 돌출해 있다. 이것은 glycoprotein이라는 단백질이다. 이 스파이크는 인체의 세포에 잘 접촉하여, 세포 속으로 바이러스의 유전물질이 들어가도록 한다.

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새로 개발된 화이자 제약사의 mRNA 백신은 코비드-19에 감염되기 전에 맞는다. 이 예방주사를 맞으면, 인체는 백신(mRNA)의 영향을 받아 스파이크 단백질을 대량 만들게 된다. 이때 인체는 이들을 침입한 항원(항원 pathogen)이라고 판단하여, 이에 대항할 항체를 대량 만들게 된다. 이렇게 미리 형성된 항체는 코로나바이러스가 침입했을 때, 그들의 돌기 단백질(glycoprotein)을 파괴하여 발병하지 못하도록 한다.

코비드-19, 사스(SARS), 메르스(MERS) 3종의 바이러스는 모두 표면에 돌기 단백질이 붙어 있는 코로나바이러스 무리이다. 지금까지 개발되어온 전통적인 백신은 병원균 자체를 파괴하도록 하는 것이었다. 그러나 이번에 처음 성공한 mRNA 백신은, 항원이 생기도록 한 후에 항체가 형성되게 하는, 새로운 백신 개발 방법으로 발전하게 되었다. – YS

​손동민 기자 (문의 및 제휴 : hello@sciencewave.kr)