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세균 가진 수컷, 암컷 번식 차단
[SPECIAL REPORT] 모기와의 전쟁- ① 미생물 살충제
[115호] 2019년 11월 01일 (금) 양루이 economyinsight@hani.co.kr
사계절 내내 집 안팎에서 성가시게 구는 모기는 그저 귀찮은 벌레가 아니다. 인류 역사에서 모기 때문에 죽은 사람이 전체 사망자의 절반으로 추산될 만큼 모기가 옮기는 질병은 치명적이다. 갖가지 방법을 동원했으나 ‘모기와의 전쟁’은 여전히 현재진행형이다. 마침내 중국 과학자들은 ‘모기로 모기를 다스리는’ 방법을 고안했다. 특정한 균에 감염된 수컷 모기를 ‘대량생산’해 사람 피를 빠는 암컷의 번식을 차단하는 것이다. 실험실 바깥에서도 큰 효과가 나타났지만 상용화는 간단하지 않다. 미생물을 활용한 모기 박멸 대책을 자세히 알아본다.  _편집자
 
양루이 楊睿 <차이신주간> 기자
 
   
▲ 수컷 모기를 미생물 살충제로 활용해 암컷 모기의 번식을 막는 방법을 개발한 시즈융 미국 미시간주립대 자연과학대학 교수. 차이신주간 누리집
“모기가 모든 것을 바꿨다.” 역사학자 티모시 와인가드는 저서 <모기: 최후 포식자의 인류 문명사>에서 인류 역사의 일부 전쟁과 종족 멸망 사건을 모기와 연결했다. 와인가드는 인류 역사에서 여러 사망 원인 가운데 모기로 죽은 사람이 가장 많다고 주장하며 520억 명으로 추산했다. 지구에 존재한 인구 1080억 명 중 절반에 해당하는 수치다.
 
화학 살충제 이후
모기가 사람에게 치명적인 이유는 말라리아, 지카바이러스, 뎅기열, 황열병을 포함한 전염병을 옮기기 때문이다. 근현대 의학 발전으로 이런 질병의 사망률이 낮아졌지만 오늘날에도 지구 곳곳에서 모기는 여전히 치명적인 질병을 옮기는 매개체다. 마이크로소프트 창업자이자 자선사업가인 빌 게이츠는 2016년 10월 개인 블로그에서 자료를 종합해보니 2015년에 모기 때문에 죽은 사람이 83만 명이나 됐다고 했다. 두 번째로 많은 사망 원인은 인간이 인간을 죽인 경우로 58만 명이었다. 호랑이·늑대·상어 같은 동물 때문에 죽은 사람은 각각 50명, 10명, 6명에 그쳤다. 게이츠는 “지금도 1분마다 어린이 한 명이 말라리아에 걸려 죽는다”고 말했다.
물론 모든 모기가 ‘흡혈귀’는 아니다. 모기는 곤충강 쌍시목 모깃과에 속한다. 자연계에 3500여 종이 있다. 대부분 ‘채식주의자’다. 혈액을 먹고 사는 모기 가운데 200여 종만 사람 피를 빨아먹는다. 전염병을 옮기는 개체는 주로 얼룩날개모기, 집모기, 숲모기다. 중국에 널리 퍼져 있는 흰줄숲모기 수컷은 평소 벌꿀, 이슬, 식물 즙을 먹고 암컷만 피를 빨아먹는다. 암컷은 짧은 일생(보통 한 달 미만)에서 수컷 모기와 한 번 교배한다. 이후 산란할 때마다 피를 먹어 영양분을 얻고 난소에 영양을 공급한다. 수컷은 교배 뒤 곧 생을 마감한다. 암컷 한 마리가 수백 마리를 낳을 수 있다. 
이렇게 번식력이 강한 모기를 없애기 위해 인류는 온갖 방법을 동원했다. 한때 화학 살충제가 주로 쓰였다. 하지만 화학제품 자체가 환경에 해를 끼치고, 모기는 내성이 생겼다. 세계보건기구(WHO) 통계에 따르면 2010~2017년 68개국에서 말라리아를 옮기는 모기가 살충제 5종에 내성을 가졌다. 
최근에는 생명과학 기술에 기대가 모아졌다. 볼바키아(Wolbachia)균을 이용한 미생물 살충제, 방사선을 이용한 곤충불임화(SIT), 유전자편집 모기의 방사 등의 방법을 시도했다. 2019년 7월 미국 미시간주립대 자연과학대학 시즈융 교수가 이끄는 연구진이 국제과학잡지 <네이처>에 ‘모기로 모기를 다스리는’ 연구를 소개했다. 연구진은 2015년부터 중국 광저우의 작은 섬 두 곳에 흰줄숲모기 수억 마리를 연속 방사했다. ‘생식조종목마’라고 하는 볼바키아를 가진 수컷 모기였다.
간단히 설명하면, 볼바키아는 모계로 유전되는 숙주의 생식 행위를 조종하는 세포 내 공생균이다. 자연계에서 약 65%의 곤충이 태어나면서 이 공생균을 갖고 있다. 보통 숙주의 생식계통(암컷 난소 또는 수컷 정낭)에 가장 많이 있다. 이 균에 감염된 수컷 모기가 야생 암컷 모기와 교배하면 암컷 모기는 새끼를 낳을 수 없다. 이 현상을 ‘세포질 불일치’라고 한다. 
이 균에 감염된 암컷 모기와 교배하면 새끼를 낳을 순 있지만, 새끼 모기는 같은 균을 갖고 태어난다. 균에 감염된 수컷 모기를 반복적으로 방사하면 해당 지역 모기 밀도를 낮출 수 있다. 또 몸속에 볼바키아균이 있는 모기는  에 저항력이 생겨 인간에게 질병을 전파하지 못한다. 
 
   
▲ 중국 윈난성 누장리수족자치주 마을에서 어린아이가 모기장을 갖고 놀고 있다. REUTERS
잔인한 과제 
검증 결과 이 방법은 타당성이 있었다. 시즈융 교수 연구진은 이 방법으로 두 섬에 있던 흰줄숲모기를 거의 ‘박멸’했다. 2016~2017년 두 곳에서 부화한 야생 흰줄숲모기 유충 수가 연평균 94% 이상 줄었고, 암컷 성충 수도 해마다 평균 83~94% 줄었다. 연구진은 회사를 설립해 ‘모기공장’에서 볼바키아균에 감염된 수컷 모기를 대량생산했다. 이 사업의 잠재 고객은 평가를 기다리고 있다.
1960년대 미얀마의 한 마을에서 열대집모기로 몸살을 앓았다. 열대집모기는 사상충증을 옮기는 매개체다. 1967년 독일 마인츠대학 유전학연구소 라벤이 유럽에서 다른 집모기를 찾았다. 이 집모기가 가진 볼바키아균은 미얀마 현지 집모기에 있는 균과 달랐다. 이 둘을 교배하자 자손이 생기지 않았다.
라벤은 이 집모기를 유럽에서 미얀마로 가져와 12주 만에 열대집모기를 없앴다. 인류 역사에서 처음으로 세포질 불일치 기술을 이용해 특정 모기 종을 억제한 사례다. “라벤은 자연의 신비를 이용했지만 과학자들은 자연에서 행운을 찾는 것에 만족하지 않았다. 말라리아나 뎅기열을 전파하는 모기는 균을 가지고 있지 않아 자연적으로 균을 가진 모기를 찾아낼 수 없었다.” 시즈융 교수는 과학자들이 실험실에서 모기를 대상으로 기나긴 ‘형질감염’ 연구를 시작한 배경을 이렇게 설명했다. 
2001년 광저우 중산의과대학(현 중산대 의대)에서 리케치아 쓰쓰가무시를 연구하던 시즈융은 미국 켄터키대학으로 건너가 박사학위 과정에 들어갔다. 스티븐 돕슨 곤충학 교수가 지도교수였다. 그는 이 대학에서 처음 볼바키아균 연구를 접했다. 볼바키아균을 이집트숲모기에 주입해 안정적으로 유전되도록 만드는 임무를 맡았다. “지도교수가 아주 잔인한 과제를 내 앞에 쫙 펼쳐놓은 것을 나중에 알게 됐다.”
지난 10여 년 동안 과학계는 볼바키아균을 이용해 말라리아 매개 모기를 통제할 수 있다고 기대했다. 돕슨 박사가 예일대 박사후과정에 있을 때 지도교수 스콧 오닐은 모기를 이용해 말라리아를 억제하는 방법을 구상했고, 미국 국립보건원연구원재단의 지원을 받았다. 10년 넘게 수없이 시도했지만 성공하지 못했다. 시즈융은 “이 연구가 터무니없는 거짓말이라고 말하는 사람까지 생겼다”며 “모기의 종 사이 전이를 통해 인위적으로 볼바키아가 공생하도록 하는 것은 가능하지 않았다”고 말했다.
시즈융이 이 연구에 참여하기 전 박사과정에 있던 한 학생이 돕슨 교수 실험실을 떠나기로 했다. 1년 넘게 성과가 없자 인내심이 바닥났던 것이다. 그는 “이 과제가 잔인한 이유는 성공하면 대박이지만 실패하면 아무 보상도 얻을 수 없어서”라며 “오랜 시간 실험에 몰두해도 성과가 없어 논문도 못 쓰고 박사과정도 졸업하지 못할 수 있었다”고 말했다.
 
유레카!
시즈융도 박사과정을 시작한 뒤 2년 동안 성과를 얻지 못했다. 켄터키대학 박사지도교수위원회에서는 이 연구가 박사 논문 주제로 적합하지 않아 학생이 졸업하지 못할 수 있다는 의견까지 나왔다. 상황이 이렇게 되자 돕슨 교수는 시즈융이 졸업할 수 있는 주제를 선택했다. 하지만 볼바키아 연구도 계속했다. “왜 성공하지 못했을까? 정말 이상했다.” 시즈융은 온갖 지혜를 짜냈지만 문제를 해결하지 못했다고 회상했다. “볼바키아균을 주사하면 1세대 모기는 균을 갖고 있지만 2세대부터 없었다. 유전이 불가능하다면 이는 공생관계를 만든 것이 아니라 일시적 감염에 불과하다.”
시즈융은 볼바키아균을 모기 성충이나 유충에 주사하면 효과가 없고 모기 알에 주사해야 한다는 점을 발견했다. “이 균은 수평 전파력이 떨어진다. 한 개체에서 다른 개체로 전파하기 어렵다. 세대 간 수직 전파만 가능했다.” 그렇지만 볼바키아균을 알에 주사하는 일은 쉽지 않았다. 모기 알은 사실상 세포 덩어리다. 모기의 소화계와 신경계, 생식계, 면역계로 분화되기 전 상태다.
선인들 연구 결과에서 깨달음을 얻었다. “실험이 실패해 계속 문헌을 찾아봤다. 그러나 1970년대에 일부 과학자가 초파리 알의 머리 부분 세포질을 다른 초파리 알의 꼬리 부분에 주사한 뒤 머리가 두 개 자라난 것을 알게 됐다.” 시즈융은 프린스턴대학에서 초파리 배아 발육을 연구해 1995년 노벨 생리의학상을 받은 에릭 위샤우스 교수의 영향을 가장 많이 받았다고 했다.
“위샤우스 교수는 초파리 알의 각 부분이 자라서 무엇이 되는지 명확하게 알아냈다. 모기 알도 마찬가지다. 위치마다 발육되는 기관이 고정돼 있다. 꼬리 부분이 생식기관으로 자랐다.” 깨달음을 얻은 시즈융은 모기 알에서 생식기관으로 자라날 위치에 볼바키아균을 정확하게 주입하는 방법을 시도했다.
주사할 시기도 정확하게 맞아떨어져야 했다. 그는 모기 알이 발육하기 전 60~90분 안에 주사해야 한다는 점을 알아냈다. 이때는 모기 알이 회색에서 검은색으로 변하는 과도기다. “알이 세포질 덩어리일 때 균을 주사하면 세포가 끊임없이 분열한다. 그보다 어린 흰색일 때 주사하면 알이 살아남지 못한다. 발육 후기까지 기다리면 생식세포와 면역세포가 형성된 다음이어서 주사하기 어렵다.”
 
   
▲ 2016년 8월 첫 지카바이러스 감염 환자가 확인된 홍콩에서 위생 당국 직원들이 모기를 박멸하기 위해 공사현장 주변에 살충제를 뿌리고 있다. REUTERS
실험실의 ‘예술’
모기 알에 주사하려면 아주 정밀한 과정을 거쳐야 한다. 스콧 오닐 교수는 미국 과학잡지 <사이언티픽 아메리칸>에 기고한 글에서 볼바키아균을 모기 알에 주입하는 상황을 풍선에 바늘을 찌른 뒤 빼도 풍선이 터지지 않는 상황에 비유했다. 2019년 8월 하순, 광저우에 있는 시즈융 연구진의 현미배아주사실에서 본 석영 주삿바늘은 머리카락보다 가늘었다. 직경 약 1㎜의 석영 막대를 천천히 갈아서 만든 것이다. 
“흰줄숲모기는 주사 전에 알을 조금 말려 수분을 줄여야 한다. 세포 내압을 약간 낮춰야 주사할 때 세포 내부 물질이 터져나오지 않기 때문이다.” 시즈융은 숙련된 연구원이 주사해도 생존율이 10~15%에 그친고 말했다. 모기 알 100개 가운데 10~15개만 살아남는다는 뜻이다. “신참이 주입을 시도한다면 모기 알이 모두 죽을 것이다.” 
제이슨 래스콘 미국 펜실베이니아주립대 교수는 국제과학잡지 <사이언스>에서 “배아의 현미주사는 예술에 가깝다”며 “시즈융은 이 세상에서 가장 실력이 출중한 사람”이라고 평가했다. 박사학위를 마치기 직전 2년 동안 시즈융과 동료들은 이 기술로 논문 네 편을 발표했고, 한 편은 <사이언스>에 등재됐다. 시즈융은 현미배아주사 기술로 모기에 볼바키아균을 이식하는 최고 권위자가 됐다.
50살 즈음으로 보이는 시즈융 교수는 손목에 염주를 차고 있었다. 그는 자신이 실험실에서 나온 결과는 지도교수 격려 덕분이었다고 말했다. 10년 전쯤 볼바키아 관련 국제학술회의에서 오닐 교수는 시즈융에게 “현장에 관심이 있나?”라고 물었다. 연구자에게 현장이란 실험실 밖으로 나와 야외에서 실험한다는 뜻이다. 
그때 오닐 교수는 빌게이츠 재단의 도움으로 모기를 이용한 뎅기열 억제 사업을 벌이고 있었다. 합류를 제안받은 시즈융은 난처했다. 야외에 나가면 생태환경이 복잡하고 온도도 일정하지 않다. 다양한 생물이 있고, 실험실에서 일어나지 않았던 급박한 상황이 생길 수도 있었다. 시즈융은 ‘지금까지 실험실에만 있던 사람이라 현장에 나가기 위한 훈련을 받지 못했다. 나이 들어 퇴직할 때가 되면 다시 생각해보자’고 다짐했다. 오닐 교수는 그의 속마음을 듣고 “괜찮네, 우리가 도와줄 수 있어”라고 위로했다.
공교롭게 그때 리멍펑 중산대 부총장이 이 사업이 연구 가치와 사업 가치를 두루 갖춘 것으로 평가했다. 광저우시도 참여 의사를 밝혔다. 광저우는 중국에서 뎅기열 전파율이 가장 높은 지역이다. 특이하게도 흰줄숲모기가 유일한 뎅기열 전파 매개체였다. 세계 다른 지역에서는 이집트숲모기가 뎅기열을 전파한다. 시즈융이 2005년 <사이언스>에 발표한 논문 연구 대상도 이집트숲모기였다. 
2011년 9월 중산대-미시간주립대 열대병 전파 모기 억제 공동연구센터가 설립됐고 시즈융이 센터장 겸 코디네이터를 맡았다. 실험실에서 다시 모든 단계를 반복해야 했다. 균에 감염된 최적의 모기 균주를 만드는 것이 관건이었다. 모기를 방사한 뒤 생식을 100% 억제해야 하고, 모기 자체도 질병 저항력이 강해야 하며, 교배 경쟁력도 있어야 한다는 의미다. 연구진은 몇 가지 모기 균주를 만들었고, 최종적으로 세 가지 균을 보유한 흰줄숲모기를 선택했다.
 
작은 섬의 ‘실전’
광저우 흰줄숲모기는 원래 볼바키아균 wAlbA와 wAlbB를 갖고 있었다. 연구원은 지하집모기에서 나온 또 다른 볼바키아균 wPip를 흰줄숲모기의 초기 배아로 옮겼다. 수작업으로 배아에 주사해 세 가지 볼바키아균을 가진 흰줄숲모기 균주(HC)를 얻었다. HC 암컷 모기의 뎅기열바이러스와 지카바이러스의 평행·수직 전파력이 현저하게 약해졌다. 흰줄숲모기 HC 균주를 모기 방제에 안정적으로 쓸 수 있다는 뜻이었다.
2015년 3월 중국 농업부 허가를 받아 광저우 난샤구 샤즈다오와 판위구 다다오샤다오에서 볼바키아균에 감염된 흰줄숲모기 수컷을 방사했다. 그는 당시 기술이 완벽하지 않아 독립적이고 통제하기에 편한 장소를 선택했다고 설명했다. 연구진은 샤즈다오에서 2015년 3~11월 HC 모기를 단독 방사했다. 2016년과 2017년에는 세포질 불일치 기술과 방사선을 이용한 곤충 불임화 기술을 동시에 적용하는 실험을 두 차례 진행했다. 전체 방사된 HC 모기는 1억4500만 마리였다. 다다오샤다오에서는 두 기술의 공동실험만 두 차례 진행해 5100만 마리를 방사했다.
시즈융은 “연구진이 균에 감염된 수컷 모기를 연속 방사하자 야생 암컷 모기보다 개체 수가 압도적으로 많아졌고, 대다수 야생 암컷 모기가 감염된 수컷 모기와 교배했다”고 소개했다. 이들 모기의 자손이 생기지 않는다는 뜻이다. 지속해서 억제함으로써 모기 수가 줄었고, 특정 지역에서는 모기를 철저하게 없앴다. 수학 모형에 따르면, 감염된 수컷 모기와 야생 암컷 모기 수가 5 대 1이 되도록 유지해야 한다.
이 방법으로 목표한 모기 종을 거의 없앴다. 시험 결과 2016~2017년 두 지역에서 부화한 흰줄숲모기 유충 수가 연평균 94% 넘게 줄었고, 13주 뒤에는 부화한 알이 전혀 없었다. 또 야생형 암컷 모기 성충 수도 연평균 83~94% 줄었다. 6주 넘게 암컷 모기가 발견되지 않았다. 실험 구역에서 흰줄숲모기를 거의 ‘박멸’했다는 뜻이다.
시즈융은 현재 “두 섬 가운데 한 곳에선 모기 방사를 중단했고 다른 섬에서는 새 과제를 하고 있다”고 밝혔다. 목표했던 개체군 억제에 도달한 뒤 해마다 얼마큼 모기를 방사해야 성과를 유지하는지 조사하는 과제였다. 방사를 중단한 섬에서도 방사를 중단한 뒤 모기 개체 수 회복 상황을 평가했다. 그는 “첫해 50% 회복했고 이듬해 100% 회복했다”고 전했다.  
 
ⓒ 財新週刊 2019년 제35호
讓蚊子絕後

번역 유인영 위원 

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