세균과 바이러스는 질병을 일으키는 대표적인 병원체이다. 그런데 이 둘은 병을 유발한다는 공통점 말고는 달라도 너무나 다르다.
바이러스와 세균은 크기부터 다르다. 바이러스가 세균보다 훨씬 작다. 바이러스의 크기는 대개 30~300nm(나노미터·10억분의1 미터)다. 하지만, 세균의 크기는 1~5㎛(마이크로미터·100만분의1 미터)다. 그리고 세균과 바이러스는 구조에도 차이가 있다. 세균은 하나의 독립된, 세포로 이뤄진 생물이다. 세포막과 세포벽, 세포벽, 핵, 단백질 등으로 구성돼 있다. 바이러스의 구조는 보다 단순하다. 중간에는 유전정보가 들어있는 핵이 있으며, 이를 단백질이 둘러싸고 있는 게 전부다. 바이러스는 세포라고 할 수 없다. 증식 방법도 다르다. 세균은 공기 중이나 사람의 몸 속 등 먹이가 있는 곳이라면 어디에서든 증식할 수 있다. 반면 바이러스는 반드시 살아있는 생물체의 세포를 숙주로 삼아야만 번식할 수 있다.
그리고 세균과 바이러스에 감염됐을 때, 해야 할 대처법도 다르다. 바이러스는 백신이나 항바이러스제로 예방하거나 치료할 수 있다. 백신은 바이러스를 약하게 만들거나 죽여서 몸 속에 일부러 미량 주입하는 방법인데, 이를 통해 우리 몸은 바이러스를 기억해 이에 대한 항체를 미리 만들어두기 때문에 나중에 진짜 바이러스가 들어오더라도 여기에 대항할 수 있는 힘이 생긴다. 항바이러스제는 몸에 침입한 바이러스의 증식을 억제하거나 바이러스 자체를 없애는 역할을 한다. 2009년 세계적으로 유행해 많은 사망자를 냈던 신종플루(인플루엔자A)의 치료제인 타미플루가 항바이러스제다.
반면에 세균은 항생제로 치료한다. 항생제는 세균의 세포벽을 약하게 만들어 감염된 세포를 죽인다. 최초의 항생제는 페니실린인데, 그 이후로도 활발한 항생제 연구와 개발이 이뤄졌고 수많은 항생제가 개발돼 왔다.
“강력해지고 있는 항생제 내성균에 감염되면 치료가 불가능해질 것이다. 항생제가 개발되기 이전처럼, 세균·바이러스에 대항할 방법이 머지 않아 사라질지도 모른다.” 마거릿 챈 세계보건기구(WHO) 사무총장이 2012년 덴마크에서 열린 유럽연합(EU) 이사회에서 한 발언이다. 인류가 결핵, 폐렴, 에이즈, 장염 등 수많은 감염질환을 일으키는 세균·바이러스와의 싸움에서 사실상 패배했음을 인정하는 말이다. 과연 세균과 바이러스는 무엇이 다르고 우리를 끊임없이 괴롭히는 내성이란 무엇일까.
Part 1. ‘바이러스·세균’과의 치열한 전쟁사
1943년 페니실린이 상용화된 이후 전 세계에서 수백여 종의 항생제·항바이러스제가 개발됐다. 질병 하나를 잡기 위해 5~10년에 걸쳐 8000억~1조원이 투입된 연구개발이 이뤄졌다. 하지만 현재까지 확인된 수천여 종의 감염질환 중 완전퇴치에 근접한 것은 천연두, 소아마비 등 극히 일부다.
세균·바이러스가 유전자 변이를 통해 기존 항생제에도 견딜 수 있는 내성을 갖게 됐기 때문이다. 이제는 강력한 내성균, 신종 바이러스·세균의 등장과 급속한 전파 등으로 인해 새로운 항생제를 개발한다고 해도 감염질환을 정복하기에는 역부족이 된 것이다. 약을 개발해도 세균·바이러스의 변이·확산 속도를 따라잡을 수 없다.
대표적인 세균 질환이 결핵이다. 질병관리본부에 따르면, 1960년대 국내 결핵 환자는 연평균 17만 명이었다. 이후 조기검진, 예방접종 등 국가 차원의 퇴치사업 덕분에 환자수는 1970년 대 14만 명, 1980년대 8만 명, 1990년대 3만7000명, 2000년대 3만2000명으로 줄었다. 하지만 기대와 달리 결핵은 퇴치되지 않고 다시 늘어나 2012년 환자는 3만9545명을 기록했다. 최성호 교수는 “1970년대 이후 효과 있는 결핵치료제가 개발되지 않아 점점 늘어나는 슈퍼 결핵균(내성균)을 없애지 못하기 때문”이라고 말했다.
에이즈(AIDS)도 인간면역결핍바이러스(HIV)의 증식을 막는 치료제가 지난 10여 년간 여러 개 나왔지만, 정복되지 않고 있다. 국내 에이즈 환자 수는 1985년 2명이 처음 신고된 이후 1995년 114명, 2005년 734명, 2012년 953명으로 환자가 매년 늘고 있다. 바이러스가 계속 퍼지고 있는데다 바이러스를 박멸할 수 있는 치료제가 나오지 않았기 때문이다. 최평균 교수는 “인구증가, 고령화, 아프리카·남미의 밀림 개발, 활발한 국가 간 이동 등으로 내성균과 신종 세균·바이러스로 인한 감염질환이 줄지 않는 추세”라고 말했다.
Part 2. 바이러스·세균 바로 알기
우리 몸에서 감염질환을 일으키고, 우리와 함께 살아가고 있다는 점에서 바이러스와 세균은 비슷해 보인다. 하지만 이 둘은 분명 그 정체가 다르고 대응책도 다르다. 그 둘의 차이에 대해 알아보자.
◇ ‘만병의 원인은 세균’ 인식 깬 바이러스
바이러스의 정체가 발견된 건 19세기가 지나서다. 19세기 이전 사람들은 모든 병원체가 세균이라고 믿었다. 바이러스를 인지한 사람은 네덜란드의 한 과학자였다. 담뱃잎에 생기는 병인 ‘담배모자이크병’을 연구하던 과학자 베이에 링크는 병의 원인이 당연히 세균이라고 생각했다. 그래서 모자이크병에 감염된 담뱃잎 추출물을 세균을 제거하는 여과지에 통과시켰다. 하지만 여과지를 통과한 뒤에도 감염성은 그대로였다. 그래서 그는 담배모자이크병을 유발하는 것이 세균이 아닌 이보다 더 작고 새로운 형태의 생물이라고 생각했고, 이를 ‘바이러스’라고 이름 붙였다.
※ 우리 몸에 유익한 세균도 있다
유익한 세균은 생존에 필수적이다. 해를 끼치지 않고 우리 몸과 공생하는 세균은 ‘상재균’ 혹은 ‘정상세균’총이라 부른다. 정상세균총은 좋지 않은 세균이 우리몸에 들어오면 경쟁을 통해 해로운 세균을 죽인다. 정상세균총을 소멸시킨 쥐는 보통 쥐에 비해 새로운 균에 감염될 확률이 훨씬 높다는 연구 결과도 있다. 몸에 좋다고 알려진 유산균 역시 정상세균총의 일종이다.
“감염질환을 일으킨다는 점에서는 똑같지만, 세균과 바이러스는 완전히 다르다. 구조와 크기가 다른 것은 물론 대처법도 다르다.
항생제는 세균에 감염된 경우에만, 항바이러스제는 바이러스 감염 시에만 효과가 있다.“
◇ 바이러스과 세균의 차이점
바이러스와 세균은 크기부터 다르다. 바이러스의 크기는 대개 30~300nm(나노미터, 10억분의 1m)다. 하지만 세균의 크기는 1~5㎛(마이크로미터,100만분의 1m)다. 바이러스가 세균보다 훨씬 작다는 것을 보여 준다.
구조에도 차이가 있다. 세균은 하나의 독립된 세포로 이뤄진 생물이다. 세포막과 세포벽, 세포벽, 핵, 단백질 등으로 구성돼 있다. 바이러스의 구조는 좀더 단순하다. 중간에는 유전정보가 들어 있는 핵이 있으며, 이를 단백질이 둘러싸고 있는 게 전부다. 바이러스는 세포라고 할 수 없다. 증식 방법도 다르다. 세균은 공기 중이나 사람의 몸속 등 먹이가 있는 곳이라면 어디에서든 증식할 수 있다. 반면 바이러스는 반드시 살아 있는 생물체의 세포를 숙주로 삼아야만 번식할 수 있다.
대처법도 다르다. 바이러스는 백신이나 항바이러스제로 예방하거나 치료할 수 있다. 백신은 바이러스를 약하게 만들거나 죽여서 몸속에 일부러 미량 주입하는 방법인데, 이를 통해 우리 몸은 바이러스를 기억해 이에 대한 항체를 미리 만들어 두기 때문에 나중에 진짜 바이러스가 들어오더라도 여기에 대항할 수 있는 힘이 생긴다.
항바이러스제는 몸에 침입한 바이러스의 증식을 억제하거나 바이러스 자체를 없애는 역할을 한다. 2009년 세계적으로 유행해 많은 사망자를 냈던 신종플루(인플루엔자A) 치료제인 타미플루가 항바이러스제다. 세균은 항생제로 치료한다. 항생제는 세균의 세포벽을 약하게 만들어 감염된 세포를 죽인다. 최초의 항생제는 페니실린인데, 그 이후로도 활발한 항생제 연구와 개발이 이뤄졌고 수많은 항생제가 개발돼 왔다.
Part 3 바이러스·세균과의 전면전 선포
기존 항생제와 전혀 다른 항생제 나온다
최초의 항생제 페니실린은 1928년에 개발됐고, 1940년 대부터 널리 사용되기 시작했다. 그 후 70여 년 동안 널리 사용돼온 여러 종류의 항생제는 포도상구균 감염,연쇄상구균 감염, 임질, 매독, 결핵 등 과거에는 치료가 불가능했던 질환을 치료할 수 있게 만들어 인류의 생명을 구했다. 또 항진균제, 항바이러스제, 항원충제의 개발로 이어져 감염질환을 정복 가능한 질병처럼 보이게 만들었다.
하지만 페니실린이 개발된 이후 감염질환을 정복하기 위해 150가지 이상의 항생제가 개발됐음에도 불구하고, 항생제에 내성을 지닌 세균이 꾸준히 다시 출현했다. 내성 세균에 대한 항생제가 새롭게 개발돼도 또 다른 내성 세균이 생겨났다. 최근에 카바페넴 내성 장내세균, 다약제 내성 아시네토박터균 등이 세계적으로 확산되는 일이 발생했다.
항생제 내성균의 확산이 더욱 심각한 이유는 과거에는 항생제 내성균의 확산이 주로 병원에서만 문제가 된다고 생각됐으나, 최근에는 병원 밖 지역 사회에서 내성균의 확산이 증가되고 있기 때문이다. 새로운 내성세균은 끊임없이 출현하고 있고, 항생제가 새로 개발된 이후 내성 세균이 출현하기까지 소요되는 시간은 계속 짧아지고 있다.
이런 항생제 내성의 출현과 확산은 치료 실패로 인한 사망률을 높이고, 내성 세균에 의한 감염에 더 이상 사용할 약이 없어지게 만든다. 심해질 경우 아주 단순한 감염질환을 다스릴 항생제도 구할 수 없게 될 수 있다. 그래서 세계보건기구(WHO)에서는 항생제 내성 억제를 위한 다양한 전략을 세우고 있다. 항생제를 너무 많이 사용하지 말고, 내성 세균에 대한 감염 관리를 강화하라는 것이 주 내용이다. 이러한 통제방법 외에 최근에 다양한 항생제 내성 극복 연구가 진행되고 있다.
첫째, 내성 세균 백신 개발을 위해 노력하고 있다. 폐구균 감염에 효과적인 백신이 보급되면서 페니실린 내성 폐구균에 의한 질병도 함께 줄어들었다는 보고가 있다. 메티실린 내성 포도알균이나 녹농균같이 중한 질병을 유발하고 항생제 내성률이 높은 세균에 대한 백신도 개발 중이다.
두 번째, 항생제 내성 검사법이 빨라지고 있다. 전통적인 배양과 항생제 감수성 검사를 통해 내성 세균 감염을 진단하는 데는 2~3일이 소요되는데, 최근 개발보급되고 있는 검사법으로는 하루 만에 항생제 내성 세균 감염을 진단할 수 있다. 진단이 빠르고 정확하면 감염 관리와 항생제 치료가 신속하게 이뤄지고, 이는 항생제 내성 세균의 감소로 이어질 수 있다.
항생제가 아닌 새로운 세균 치료법이 나오고 있다. 현재 대표적인 것이 미생물로 미생물을 치료하는 방법이 있다. 예를 들어 박테리오파지는 각종 세균을 잡아 먹는 바이러스다. 박테리오파지를 이용해 각종 세균 감염에 대한 우월한 치료 효과를 증명한 연구가 과거부터 있었고, 메티실린 내성 포도알균 등의 항생제 내성 세균에 대해 치료 효과를 입증한 예가 있었다. 박테리오파지는 특정 세균을 효과적으로 죽이지만, 인체에는 해가 없어서 항생제 내성 시대에 항생제를 대체할 수 있는 새로운 수단으로 주목을 받고 있다.
기존 항생제와 전혀 다른, 새로운 기전을 가진 항생제개발도 성과를 거둘 것으로 기대된다. 특히 항생제 내성 세균의 전체 유전자 염기 서열을 분석할 수 있는 방법이 개발돼 내성 세균의 전체 유전자를 파악할 수 있게 됐고, 생물 정보학의 발전으로 내성 유전자의 특성과 기능을 자세히 분석할수있게 되었다. 전혀새로운 항생제가 개발될 수 있을 것으로 기대한다.
바이러스와 숙주의 상호작용
‘감염성 질환’은 기본적으로 병인, 숙주, 환경적 요인의 평형이 깨지면서 발생한다. 병원체는 수많은 경로를 통해 몸에 침입하고 인체 내에서 확산, 파종된다. 이때 숙주는 병원체에 의한 여러 가지 반응을 겪고, 결과적으로 숙주 손상 등 다양한 증상, 질환이 생기게 된다. ‘COVID-19’를 포함한 감염성 질환의 일반원리를 이해하고, 우리가 어떻게 행동하는 것이 좋은지 고민해보자.
1. 감염성 질환의 기본 인자
질병 발생과 유행에 영향을 주는 역학의 기본 요인으로 ‘병인’ ‘숙주’ ‘환경’ 세 가지가 있다. 이들은 항상성을 유지하며 인체 내 균형을 이루면서 건강한 상태를 유지한다. 하지만 어느 한 가지 요인이라도 변화가 생기면 그 균형이 깨지면서 질병 발생, 유행이 나타나는 것이다.
병인은 생물학적(세균, 바이러스, 진균, 기생충), 물리-화학적(대기, 수질, 계절, 기상 그리고 유독성 물질), 사회적(스트레스와 긴장 그리고 습관) 요인 등으로 세분할 수 있고, 이들은 질병 발생의 변수로 작용한다.
숙주는 숙주의 생물학적(성별, 나이), 사회적(직업, 계급, 결혼 및 가족 상태), 체질적(면역, 영양 상태, 선천적) 요인 등으로 세분할 수 있고, 인간이 가지고 있는 면역력과 감수성 등이 질병 발생의 변수로 작용한다.
환경은 생물학적(매개 곤충, 기생충의 중간숙주), 물리-화학적(실내외 환경, 계절), 사회적(사회풍습, 직업, 인구밀도) 요인 등으로 세분할 수 있고, 환경적 요인들은 질병 발생, 특히 유행에 큰 변수로 작용한다. (레버 이론; Gordon’s Lever theory)
2. 병원체의 침입 경로
병원체가 질병을 일으키기 위해서는 ‘미생물에 대한 노출’이 필요하다. 일반적인 침입 경로는 ‘호흡기, 위장관, 피부, 비뇨생식기’이다. 각각의 경로에는 국소방어 체계가 있지만, 방어가 실패하면 감염된다.
수많은 미생물이 호흡기로 흡입된다. 큰 입자들은 상부 호흡기의 점액에 의해 목 위와 뒤로 이동되고 삼켜서 제거된다. 작은 입자들은 폐포 내부로 운반되고 상주하고 있던 대식세포와 호중구에 의해 잡아 먹힌다.
위장관을 통해 들어온 병원체는 분변에 오염된 음식과 물에 의한 경우가 많다. 산성 위액, 위장관 점막, 이자액과 담즙 등 다양한 소화액, 연동운동 등이 위장관 방어 체계로 작동한다.
피부는 강력한 기계적 방어막 역할을 하고 항-미생물 물질도 생성한다. 무좀균 같은 곰팡이(dermatophyte)는 피부 방어막을 뚫고 감염을 일으킬 수 있지만, 대부분 표피의 기계적인 손상으로 시작된다.
요로(urinary tract)는 주기적인 소변 배출로 보호받는다. 여성의 경우 요도의 길이가 짧아서(약 5㎝) 병원체(E. coli)들이 잘 유입되고, 방광염 같은 질환이 많이 발생한다.
3. 숙주와의 상호작용
병원체의 ‘감염 능력’과 숙주의 ‘방어기전 능력’에 따라 감염의 결과는 달라진다. 숙주는 이미 신체적 장벽과 면역체계 같은 방어기전을 가지고 있지만, 병원체는 숙주의 방어 작용을 회피하고 질병을 일으키는 다양한 방법을 가지고 있다.
‘항원 변이(antigen variation)’는 숙주의 항체(무기)를 회피하는 방법이다. 돌연변이를 통해 숙주의 항체가 병원체의 항원을 인식하지 못하게 한다.
‘탄수화물 피막’을 형성하거나 ‘단백질 C’를 생산하여 호중구와 대식세포의 포식작용을 회피하고, 숙주 면역세포의 활성을 줄이고 이동을 방해하기도 한다.
‘잠복감염(latent infection)’을 유지해 소량의 바이러스로 생존하는 경우도 있다.
‘COVID-19’를 예로 들어, 감염성 질환의 일반원리를 살펴보자!
* 병인 : 중국 우한지역에서 처음 발생한 ‘SARS-CoV-2’ (바이러스 이름)
* 숙주 : 면역과 감수성이 떨어지는 ‘기저질환 환자와 노인’에서 사망률이 높다.
만성질환이 있는 노인들은 더욱 조심하자.
* 환경 : 밀폐된 공간, 요양병원 등의 ‘한정된 공간’에서 유행되고 있다.
사람이 많이 모이는 밀폐된 공간은 피하는 것이 좋다.
* 침입 : 주로 ‘호흡기와 위장관’을 통해서 침입.
감기 증상이 있는 사람은 꼭 마스크를 착용하고, 바깥 활동은 피하는 것이 좋다.
외출 후에는 충분한 시간 동안(40초 이상) 손을 씻는다.
침을 통해 침입할 수 있으므로 증상이 있는 사람과는 따로 식사하는 것이 좋다.
* 상호작용 : 항원 변이, 면역억제.
잘 먹고, 잘 자고, 적절한 운동을 하고 스트레스가 없으면 면역(방어)이 좋아진다.
또한, 종합비타민 등의 영양제도 도움이 된다.
* 숙주손상 – ‘폐렴, 폐 섬유화’ 등의 손상이 발생한다.
Bacterial and viral infections have many things in common. Both types of infections are caused by microbes -- bacteria and viruses, respectively -- and spread by things such as:
Coughing and sneezing.
Contact with infected people, especially through kissing and sex.
Contact with contaminated surfaces, food, and water.
Contact with infected creatures, including pets, livestock, and insects such as fleas and ticks.
Microbes can also cause:
Acute infections, which are short-lived.
Chronic infections, which can last for weeks, months, or a lifetime.
Latent infections, which may not cause symptoms at first but can reactivate over a period of months and years.
Most importantly, bacterial and viral infections, can cause mild, moderate, and severe diseases.
Throughout history, millions of people have died of diseases such as bubonic plague or the Black Death, which is caused by Yersinia pestis bacteria, and smallpox, which is caused by the variola virus. In recent times, viral infections have been responsible for two major pandemics: the 1918-1919 “Spanish flu” epidemic that killed 20-40 million people, the ongoing HIV/AIDS epidemic that has killed almost 33 million people (as of 2019), and the Covid novel coronavirus pandemic, which has killed 3 million people as of April 2021.
Bacterial and viral infections can cause similar symptoms such as coughing and sneezing, fever, inflammation, vomiting, diarrhea, fatigue, and cramping -- all of which are ways the immune system tries to rid the body of infectious organisms. But bacterial and viral infections are dissimilar in many other important respects, most of them due to the organisms' structural differences and the way they respond to medications.
The Differences Between Bacteria and Viruses
Although bacteria and viruses are both too small to be seen without a microscope, they're as different as giraffes and goldfish.
Bacteria are relatively complex, single-celled creatures, many with a rigid wall, and a thin, rubbery membrane surrounding the fluid inside the cell. They can reproduce on their own. Fossilized records show that bacteria have existed for about 3.5 billion years, and bacteria can survive in different environments, including extreme heat and cold, radioactive waste, and the human body.
Most bacteria are harmless, and some actually help by digesting food, destroying disease-causing microbes, fighting cancer cells, and providing essential nutrients. Fewer than 1% of bacteria cause diseases in people.
Viruses are tinier: the largest of them are smaller than the smallest bacteria. All they have is a protein coat and a core of genetic material, either RNA or DNA. Unlike bacteria, viruses can't survive without a host. They can only reproduce by attaching themselves to cells. In most cases, they reprogram the cells to make new viruses until the cells burst and die. In other cases, they turn normal cells into malignant or cancerous cells.
Also unlike bacteria, most viruses do cause disease, and they're quite specific about the cells they attack. For example, certain viruses attack cells in the liver, respiratory system, or blood. In some cases, viruses target bacteria.
Diagnosis of Bacterial and Viral Infections
You should consult your doctor if you think you have a bacterial or viral infection. Exceptions include the common cold, which is usually not life-threatening.
In some cases, it's difficult to determine whether an illness is viral or bacterial because many ailments -- including pneumonia, meningitis, and diarrhea -- can be caused by either. But your doctor may be able to determine the cause by listening to your medical history and doing a physical exam.
If necessary, they also can order a blood or urine test to help confirm a diagnosis, or a "culture test" of tissue to identify bacteria or viruses. Occasionally, a biopsy of affected tissue may be required.
Treatment of Bacterial and Viral Infections
The discovery of antibiotics for bacterial infections is considered one of the most important breakthroughs in medical history. Unfortunately, bacteria are very adaptable, and the overuse of antibiotics has made many of them resistant to antibiotics. This has created serious problems, especially in hospital settings.
Antibiotics are not effective against viruses, and many leading organizations now recommend against using antibiotics unless there is clear evidence of a bacterial infection.
Since the beginning of the 20th century, vaccines have been developed. Vaccines have drastically reduced the number of new cases of viral diseases such as polio, measles, and chickenpox. In addition, vaccines can prevent such infections such as the flu, hepatitis A, hepatitis B, human papillomavirus (HPV), and others.
But the treatment of viral infections has proved more challenging, primarily because viruses are relatively tiny and reproduce inside cells. For some viral diseases, such as herpes simplex virus infections, HIV/AIDS, and influenza, antiviral medications have become available. But the use of antiviral medications has been associated with the development of drug-resistant microbes.