스위스와 일본의 과학 연구팀은 최근 인플루엔자 바이러스가 살아있는 인간 세포 표면을 이동하고 세포 안으로 들어가는 전 과정을 높은 공간적, 시간적 해상도로 처음으로 기록해 바이러스 감염의 초기 단계를 밝히는 전례 없는 상세한 시각을 제공했다. 연구에 따르면 숙주 세포는 수동적인 표적이 아니라 바이러스가 접근할 때 적극적으로 늘리고 밀고 당기는 것으로 나타났습니다. 바이러스와 세포의 관계는 정밀하게 조율된 '침략의 춤'에 가깝습니다.

인플루엔자 감염은 일반적으로 바이러스가 포함된 비말이 인체에 들어갈 때 시작됩니다. 바이러스는 호흡기 상피 등 세포 표면에 부착해 침입을 완료한다. 연구팀은 배양된 인간 세포를 모델로 하여 확대된 시야에서 세포 표면의 미세구조 역학을 지속적으로 관찰할 수 있는 특수 현미경 이미징 기술을 개발했으며, 이를 통해 인플루엔자 바이러스가 살아있는 세포에 들어가는 전체 과정을 최초로 '생중계'했습니다. 이 프로젝트는 ETH Zurich의 분자 의학 교수인 Yohei Yamauchi가 주도했습니다. 그는 바이러스 침입을 "바이러스와 세포 사이의 춤과 같다"고 묘사했습니다. 세포는 바이러스의 방향으로 적극적으로 "손을 뻗어" 바이러스가 포위되고 세포내이입되는 전체 과정에 참여합니다.

연구 결과에 따르면 이 과정은 바이러스가 감염을 완료하는 데 도움이 될 뿐이지만 실제로 바이러스는 호르몬, 콜레스테롤, 철분과 같은 필수 분자를 섭취하기 위해 세포가 사용하는 정상적인 세포내이입 경로를 가로채는 것으로 나타났습니다. 인플루엔자 바이러스는 먼저 세포 표면의 특정 분자에 결합한 다음 세포막을 따라 "미끄러져" 표면 수용체 농도가 높은 영역을 찾을 때까지 막 표면의 한 위치에서 다른 위치로 이동해야 하며, 이것이 가장 효과적인 "침입 입구"가 됩니다. 수용체가 바이러스를 인식하고 응집을 완료하면 세포막은 점차적으로 움푹 들어간 구덩이를 형성합니다. 클라트린이라는 구조 단백질이 바이러스를 형성하고 지지하는 데 참여하여 구덩이를 깊게 만들고 결국 바이러스를 주머니처럼 감싸서 소포를 형성합니다. 그 후, 이 소포는 세포 안으로 끌려들어가며 표면 코팅이 점차 분해되어 바이러스가 세포 내에서 방출되어 복제 과정의 다음 단계가 시작됩니다.

과거에 연구자들은 전자현미경을 사용하여 이 핵심 연결고리를 포착하려고 시도했지만 이러한 기술을 사용하려면 세포를 고정하고 파괴해야 하며 정적 "스냅샷"만 얻을 수 있어 동적 프로세스를 복원하기가 어렵습니다. 형광현미경은 살아있는 세포의 영상을 촬영할 수 있지만 공간 분해능에 의해 제한되며 세포막 함몰 및 단백질 응집과 같은 미세한 구조적 세부 사항을 밝힐 수 없습니다. 이러한 병목 현상을 해결하기 위해 팀은 원자간력 현미경(AFM)과 공초점 형광 현미경을 결합한 "Virus Visible Dual-Mode Confocus-Atomic Force Microscopy"(ViViD-AFM)라는 새로운 방법을 개발했습니다. 한편, 이 기술은 원자력 현미경을 사용하여 나노미터 규모로 세포의 표면 형태를 기술합니다. 반면에 형광 신호를 사용하여 바이러스 및 관련 단백질의 위치를 ​​표시하여 구조와 기능을 동시에 추적합니다.

ViViD-AFM의 도움으로 연구자들은 세포가 침입을 완료하기 위해 여러 수준에서 바이러스와 적극적으로 "협력"한다는 것을 관찰했습니다. 예를 들어, 세포는 정확하게 클라트린을 바이러스 위치로 모집하고 바이러스를 캡슐화하는 막 소포 형성을 돕습니다. 바이러스가 세포 표면에서 약간 멀어지면 세포막이 위쪽으로 "들어올려" 명백한 변형과 ​​역동적인 움직임을 일으켜 바이러스에 다시 접근하여 바이러스를 포착합니다. 이러한 움직임은 바이러스가 약간 벗어날 때 더욱 강렬해집니다. 이는 인플루엔자 바이러스가 세포 자체의 고도로 조절된 물질 흡수 시스템을 상당 부분 빌려 감염 경로로서 생명 유지 활동에 원래 사용된 메커니즘을 "역전"시키는 것을 보여줍니다.

연구팀은 이번 새로운 이미징 플랫폼은 살아있는 세포 시스템에서 바이러스 침입의 각 단계에 대한 후보 약물의 구체적인 효과를 실시간으로 관찰할 수 있어 보다 표적화된 스크리닝과 억제 전략의 최적화가 가능하다는 점에서 항바이러스제 개발에 큰 의미가 있다고 지적했다. 또한 ViViD-AFM은 인플루엔자 바이러스에만 국한되지 않습니다. 미래에는 다른 바이러스, 심지어 백신 입자와 세포 사이의 상호작용을 연구하는 데에도 사용될 수 있습니다. 감염 초기 단계에서 보다 포괄적인 물리적, 생물학적 단서를 제공하고, 새로운 항바이러스 치료법 및 예방 방법 설계를 위한 실험적 기반을 제공할 것으로 기대된다.