바이러스는 어떻게 세포 표면을 가로질러 스스로 굴러갈까?
Focus: How a Virus Rolls Itself Across a Cell Surface

세포를 감염시키려면 독감 바이러스가 움직여야 하는데, 새로운 이론은 그것이 어떻게 움직이는지를 제안한다.

독감 바이러스는 기도의 세포를 침범하기 전에 책상 위의 연필처럼 세포 표면을 가로질러 구르는 필라멘트 구조로 늘어난다. 두 명의 이론가가 이제 구름에 대한 새로운 메커니즘을 제안한다. 그들은 바이러스 표면에 있는 두 개의 단백질이 세포막과의 상호작용을 통해 운동을 추진하기 위해 함께 작용한다는 것을 보여준다. 이 과정을 이해하면 감염을 예방하는 방법을 알 수 있다. 그러나 일부 전문가는 더 자세한 모델링 없이는 확신하지 못할 것이다.

독감 바이러스가 구르는 이유는 알려지지 않았다. 한 가지 가능성은 이 움직임이 바이러스가 공격 지점을 찾도록 하는 것과 화학적 연결을 통해 바이러스가 세포막에 단단히 부착된 상태를 유지하는 것 사이에서 좋은 절충안을 달성한다는 것이다. 등산가가 얼음을 건너는 동안 고정 상태를 유지하기 위해 사용하는 아이젠의 스파이크와 같다. 바이러스가 표적으로 삼는 폐 조직에는 섬모라고 하는 작은 부속물이 늘어서 있으며, 이 부속 기관은 먼지와 병원체를 쓸어버리기 위해 활발하게 움직이므로 바이러스가 씻겨 나가지 않도록 잘 잡아야 한다.

단단하게 붙잡는 것은 바이러스 표면에서 돌출되어 세포막 표면의 시알산이라는 화학 그룹에 결합하는 헤마글루티닌(HA)이라는 “스파이크 단백질”에 의해 제공된다. 각 HA가 지속적으로 연결을 끊었다가 새로운 시알산에 다시 연결하기 때문에 결합은 일시적이다. 그럼에도 불구하고 주어진 시간에 이러한 결합이 많으면 바이러스를 제자리에 고정시킬 것이다. 그러나 뉴라미니다제(NA)라고 하는 두 번째 스파이크 단백질이 있어 접촉 영역에서 시알산 그룹을 차단하여 HA에 사용할 수 있는 결합 부위의 수를 점차적으로 감소시킨다. 실험에 따르면 HA가 없으면 바이러스가 부착될 수 없고 NA가 없으면 움직일 수 없다.

그러나 HA와 NA는 결합과 분리 사건의 무질서한 연속이 아니라 조화롭게 구르는 운동을 생성하기 위해 어떻게 함께 작용할까? 이를 설명하기 위해 독일 Heidelberg 대학의 물리학자 Falko Ziebert와 프랑스 Strasbourg의 Charles Sadron Institute의 Igor Kulić가 분자 규모의 운동을 생성하는 다른 생물학적 “모터”를 위해 개발된 아이디어를 적용하는 모델을 고안했다. 그들은 바이러스의 구름이 생물계에서 이전에 확인되지 않은 방식으로 작동한다고 결론지었다.

이론가들은 독감 A 바이러스(IVA)를 HA 및 NA 스파이크 단백질이 무작위로 혼합되어 박힌 긴 원기둥으로 모델링한다. 첫째, 바이러스는 수백 개의 HA-시알산 결합을 통해 막에 달라붙고, 그 다음 NA는 시알산 그룹을 차단하여 바이러스의 접착 강도를 점차 감소시킨다. 바이러스-세포 연결이 약해지면 바이러스가 부착 지점 주변에서 약간 흔들릴 수 있어 접촉 영역의 가장자리 바로 너머에 있는 일부 HA가 새로운 연결을 형성하여 원기둥을 회전시키게 될 가능성이 높아진다.

두 연구원은 모델 계산과 컴퓨터 시늉내기를 모두 사용하여 이 과정이 지속적인 구름 동작을 생성할 수 있음을 발견했다. 계의 대칭이 깨져 바이러스를 특정 방향으로 당기면 HA와 NA의 상호 작용이 바이러스를 계속 굴러가게 하는 돌림힘을 만든다. 때때로, 바이러스 입자는 결합 및 분리 사건의 우연한 변동을 통해 방향을 바꾸고 새로운 방향으로 출발할 수 있다.

Kulić는 “정말 놀라운 것은 구름이 NA 분리 속도와 같은 계의 매개변수에 거의 독립적이라는 것입니다. 바이러스가 막에 붙어 있는 한 사실상 피할 수 없는 것 같습니다.”라고 말한다. 연구원들은 제안된 메커니즘이 아마도 결합 절단 효소가 존재할 때 RNA로 덮인 표면 위로 굴러가는 DNA로 코팅된 실리카 나노입자를 포함하는 최근 보고된 인공 시스템에서 작동하는 것과 유사할 것이라고 말한다.

분자 및 나노 규모 모터 전문가인 미국 Maine 대학의 생물물리학자 Dean Astumian은 “이 결과가 정확하다면 매우 간단한 효소 동력 분자 기계를 구축하는 데 중요한 전망을 열 수 있을 것”이라고 말했다. 그러나 더 자세한 모델이 없는 상황에서 그는 이 메커니즘이 어떻게 바이러스가 대칭을 깨고 한 방향으로 꾸준히 움직이기 시작할 수 있는지 설명하는 데 회의적이다. Kulić는 바이러스가 처음에는 제자리에 고정되어 있다는 데 동의하지만 그 상태는 지속되지 않는다고 말한다.

네덜란드 Utrecht 대학의 바이러스학자인 Erik de Vries는 “IVA의 구름 거동을 분석하고 정량화하기 위한 물리적 모델이나 이론은 매우 가치가 있습니다.”라고 말한다. 그러나 그는 모델을 적절하게 테스트하려면 HA와 NA의 반응 속도에 대한 더 많은 데이터가 필요하다고 말한다.

Kulić는 타미플루와 같은 독감 약물이 NA를 억제하여 구름 동작을 차단하여 바이러스가 씻어내어질 수 있을 때까지 바이러스를 고정시키는 작용을 한다고 지적한다. 일부 코로나 바이러스는 세포 표면에서도 움직이며 HA 및 NA 단백질 버전이 관련되어 있는 것으로 알려져 있지만 운 좋게도 SARS-CoV-2는 움직이지 않는다. 그는 “현재 SARS-CoV-2는 숙주에 잘 적응하지 못하는, 요령이 한 가지뿐인 조랑말인데 이 바이러스가 빨리 독감 바이러스의 구르는 요령을 알아차리지 않기를 바랍니다.”라고 말한다.

How Influenza’s Spike Motor Works, Falko Ziebert and Igor M. Kulić, Phys. Rev. Lett. 126, 218101 (2021), Published May 28, 2021.

모트 측정자
Synopsis: A Mott Meter

흡착에 기반한 새로운 실험 방법은 재료가 모트 절연체인지 일반 절연체인지를 나타낼 수 있다.

모트 절연체는 일반적인 절연체가 아니다. 이 물질은 일반적으로 도체를 만드는 채워지지 않은 오비탈을 가지고 있지만 전자-전자 상호 작용이 전류 흐름을 방해한다. 모트 절연체를 일반 절연체와 구별하는 것은 일반적으로 띠 구조의 이론 계산에 의존한다. 이제 한국 포항공과대학교 염한웅 교수와 동료들은 절연체의 진정한 정체성을 드러낼 수 있는 실험 방법을 개발했다.

모트 절연체는 고온 초전도체 및 양자 스핀 액체에 묶여 있기 때문에 쉽게 만들어진다. 그러나 모트 절연체를 식별하는 것은 간단하지 않다. 한 예로 “다윗의 별” 격자 구조의 층으로 구성된 삼방 황화 탄탈륨(1T-TaS₂)이 있다. 30년 동안 1T-TaS₂는 각 층에 채워지지 않은 오비탈이 존재한다고 가정하여 모트 절연체로 분류되었다. 그러나 최근 실험에 따르면 층이 이중층으로 적층되어 전자 오비탈을 공유하며 채워 1T-TaS₂를 일반 절연체로 격하시킬 수 있음을 의미할 수 있었다.

어떤 종류의 절연체가 적용되는지 결정하기 위해 염한웅 교수와 동료들은 1T-TaS₂ 결정을 쪼개어 두 가지 유형의 표면을 노출시켰다. 하나는 완전한 이중층이고 다른 하나는 이중층의 절반이다. 그들은 칼륨 원자가 두 표면 유형 모두에 흡착되도록 하고 주사 터널링 현미경으로 흡착 패턴을 관찰했다. “완전한” 표면은 “절반” 표면보다 덜 정돈된 패턴을 나타냈다. 이는 완전한 이중층이 칼륨 원자가 결합할 수 있는 채워지지 않은 오비탈 위치를 제공하지 않는다는 증거이다. 연구팀은 위치별 전도도 측정을 통해 이 해석을 확인했다. 연구 결과는 덩어리 1T-TaS₂는 일반 절연체이지만 단층 박막이 만들어질 수 있다면 모트 절연체가 될 것임을 보여준다.

Distinguishing a Mott Insulator from a Trivial Insulator with Atomic Adsorbates, Jinwon Lee, Kyung-Hwan Jin, and Han Woong Yeom, Phys. Rev. Lett. 126, 196405 (2021), Published May 13, 2021.

현실적인 조건에서 양자 통신 시연
Synopsis: Demonstrating Quantum Communication Under Realistic Conditions

연구자들은 428 km의 광섬유를 따라 안전한 “실제” 양자 통신을 달성했는데, 이는 실험실 환경을 벗어난 가장 긴 지상 거리이다.

데이터를 안전하게 전송하는 능력은 오늘날의 디지털 사회에서 매우 중요하다. 양자 물리학의 기본 법칙을 활용하는 유망한 암호화 접근 방식 중 하나는 쌍-마당 양자 키 배포(twin-field QKD)로 알려져 있다. 중국 과학 기술 대학의 Jian-Wei Pan과 Teng-Yun Chen 그리고 중국 Jinan Institute of Quantum Technology의 Xiang-Bin Wang이 이끄는 연구팀은 이제 이 기술을 현재까지 실제 환경에서 가장 먼 거리에서 시연했다. 연구팀은 이 시연이 실험실 외부에서의 기술 타당성을 확인한다고 말한다.

쌍-마당 QKD에서 공간적으로 분리된 두 당사자(“앨리스” 및 “밥”)는 큐빗을 단일 광자로 비밀리에 인코딩하고 제3자 “찰리”를 통해 서로에게 보낸다. 찰리는 단일 광자 간섭 통신 규약을 수행한다. 이 간섭을 통해 찰리는 앨리스와 밥의 비밀 큐빗이 동일한지 또는 다른지(00 또는 11대 01 또는 10) 추론할 수 있지만, 찰리는 절대 값을 결정할 수 없으므로 해킹 방지 체계가 된다. 그들의 시연에서 연구팀은 300 km의 가시거리로 분리된 두 사용자 사이에 428 km의 상용 광섬유를 따라 광자를 보내는 쌍-마당 QKD의 현장 테스트를 수행했다. (앨리스는 중국 지난에, 밥은 칭다오에 있었다. 찰리는 둘의 중간쯤인 린이에 있었다.)

Chen은 쌍-마당 QKD가 더 긴 광섬유를 따라 달성되고 있다고 말한다. 지금까지 기록은 500 km가 넘었다. 그러나 그 경우에는 광섬유가 실험실 내부에서 감겨 있었기 때문에 앨리스와 밥의 물리적 거리는 가까웠다. Chen은 이제 현실 세계에서 장거리 시연을 실현할 때라고 말했다.

Field Test of Twin-Field Quantum Key Distribution through Sending-or-Not-Sending over 428 km, Hui Liu et al., Phys. Rev. Lett. 126, 250502 (2021), Published June 22, 2021.