코로나바이러스 검출을 위한 PCR 검사

최근 미디어를 통해 전해지는 소식은 PCR 검사가 코로나바이러스를 식별하는 가장 신뢰할 만한 방법이라는 것이다. 정확히 어떤 검사일까?

지난 며칠간 코로나19(COVID-19)의 검출 키트는 모든 언론 매체의 입에 오르내리고 있다. 스페인에서는 최근 정부가 신뢰할 수 없는 것으로 판명된 50,000개가 넘는 검사 키트를 구매하여 논란이 생기기도 했다. 이러한 문제는 다른 국가에서도 발생했으며 막대한 재정적 손실이 생겼다. 이로 인해 감염된 환자를 정확히 찾아내는 올바른 방법에 대한 성찰이 대단히 중요해졌다.

그렇다면 PCR 검사란 무엇일까?

아마 ‘PCR은 가장 완벽하고 신뢰할 만한 방법이다’라는 말을 들어봤을 수도 있다. 높은 성공률과 최소한의 거짓 양성 반응으로 인해 세계보건기구(WHO)에서는 PCR을 주된 검출 방법으로 권고하고 있다.

코로나바이러스를 탐지하는 다양한 방법을 여러 차례 다룬 적이 있지만, 오늘은 PCR 검사가 무엇이며 어떻게 작동하는지 자세하게 소개하려고 한다.

적의 배열 순서 밝히기

코로나19(COVID-19)는 단일 가닥의 RNA를 포함하는 바이러스성 물질이다. 차례로 단일 가닥 RNA 양성으로 분류되는데, DNA와 RNA는 유기체가 보여줄 수 있는 가장 신뢰할 만한 ‘지문’이다. 이를 형성하는 뉴클레오티드의 순서는 개체의 정체를 드러내며 종과 유기체에 대한 많은 공통 영역이 있다.

단일 가닥의 정보로 구성되어 있기 때문에, 유기체에 코로나바이러스 RNA가 존재한다는 것은 명백하다. 이것이 환자의 샘플에 존재한다면 이 환자는 바이러스에 감염된 것이다.

따라서 이러한 발견 이후로 바이러스 게놈의 배열 순서를 밝히는 것이 매우 중요해졌다. 다행히도 첫 번째 샘플의 유전자형이 1월 11일에 작성되었으며, 미국 국가생물공학센터의 웹사이트에서 직접 확인할 수 있다.

우리가 볼 수 있는 그 문자의 혼합물은 바이러스의 RNA 사슬의 뉴클레오티드 순서와 일치한다. 각 뉴클레오티드에는 다음과 같은 문자에 해당하는 질소성 염기가 포함되어 있다.

• 아데닌 (a)
• 구아닌 (g)
• 시토닌 (c)
• RNA의 경우, 우라실 (u)
• DNA의 경우, 티민 (t)

RNA에 대해 앞서 언급한 것을 감안할 때, 코로나바이러스의 게놈에서 하나의 우라실(u)도 보지 못한 것에 놀랄지도 모른다. 하지만 이에 대한 이유가 있으며, 뒤에서 자세히 설명할 테니 계속해서 읽어보자.

PCR 검사는 침입자를 감지한다

과학자들이 이 바이러스의 배열 순서를 규명하고 나면, PCR의 효과가 발휘되기 시작한다. 1980년대로 거슬러 올라가 중합 효소 연쇄 반응 검사를 의미하는 이 기술은 샘플에서 DNA를 증폭시키는 것을 목표로 한다.

상상할 수 있듯이, 이는 바이러스의 교활함이 처음으로 발견되는 곳이다. 코로나바이러스에는 DNA가 없으며 RNA가 있다. 따라서 바이러스의 RNA를 DNA로 변형시키는 RT-RCR과 같은 더욱 정교한 기술이 필요하다.

이러한 반응을 수행하려면 역전사 효소라는 효소가 필수적이다. 그 과정은 다음과 같다.

• 환자의 샘플에서 역전사 효소는 바이러스 RNA를 ‘식별’할 수 있다.
• 반응 혼합물에 제공되는 뉴클레오티드를 통해 역전사 효소는 바이러스의 RNA를 보완하는 DNA 가닥을 생성할 수 있을 것이다. 우리는 이 효소를 일꾼으로 간주할 수 있다. 바이러스의 RNA 지도와 이용 가능한 뉴클레오티드를 통해 이 경우에는 DNA의 새로운 가닥을 생성한다.
• 여기에서 효소 폴리메라아제가 작동하기 시작하고 정상적인 PCR이 발생한다. 요컨대, 효소 폴리메라아제는 또 다른 일꾼이다. 이는 이용 가능한 뉴클레오티드와 함께, 변형된 DNA 가닥의 수천 개의 복제본을 생성할 수 있다.
• 과학자들은 이처럼 증폭된 DNA를 다양한 기술에 적용하여, DNA가 코로나바이러스의 유전자형에 일치하는지를 알아낼 수 있다.

정체 공개

DNA가 증폭되면 이를 바이러스나 유기체에 DNA를 할당하는 다양한 기술이 있다. 가장 간단한 기술 중 하나로는 아가로오스 겔 전기 영동이 있다.

DNA 단편은 음전하를 갖는다. 이로 인해, 아가로오스 겔이 있는 상자에 전류를 가하면 각기 다른 단편이 양극에 이끌려 겔을 따라 움직이게 된다. 우리는 이를 하나의 레이스로 볼 수 있다. 더 가벼운 DNA 단편이 먼저 도착하고, 더 큰 DNA 단편은 절반 정도밖에 도달하지 못한다.

바로 이것이 검출의 핵심 요인이다. 겔의 서로 다른 거리에 밴드가 형성된다. 가상의 예시를 들어 보자. 만약 엄마와 아이가 여러 개의 동일한 DNA 단편을 가지고 있다면 2가지의 아가로오스 겔이 같은 패턴을 보여야 하므로, 유전적 관계를 확인해야 한다.

코로나바이러스의 검출 방법이 제시된 예시보다 더 정교하다는 것은 분명하지만, 이 설명이 PCR 검사의 작동 방식과 질병 감지에 있어 필수적인 역할을 이해하는 데 조금이나마 도움이 되기를 바란다.