첫 번째 델타(delta), 그 다음 오미크론(omicron). 최근 몇 달 사이에 코로나 바이러스 변종이 전세계로 들불처럼 퍼지면서 많은 과학자들이 다음 변종이 언제 나타날지 궁금해하고 있다. 이제, 과학자들은 그러한 결정을 내리는데 한 걸음 더 가까워졌을지도 모른다.

미국 미주리대학교(University of Missouri ;  MU) 분자미생물학 및 면역학 교수인 마크 존슨(Marc Johnson) 바이러스학자를 포함한 여러 기관 연구팀이 뉴욕시의 공공 하수구의 하수 샘플에서 ‘코로나19(COVID-19)’를 일으키는 코로나 바이러스(SARS-CoV-2)의 최소 4가지 ‘암호체(cryptic)’ 변종을 검출했다. 그들이 발견한 연구내용은 최근 네이처 저널(journal of Nature)인 『네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)』에 게재됐다.

이 연구는 ‘코로나19’를 일으키는 바이러스의 새로운 돌연변이가 다음 변종 관심사가 어디에서 발생할 수 있는지를 식별하는 데 도움이 될 수 있음을 시사한다.

미국 질병통제예방센터(CDC ; Centers for Disease Control and Prevention)에 따르면, SARS-CoV-2와 같은 바이러스는 돌연변이를 얻음으로써 지속적으로 진화할 수 있다. 델타(delta)나 오미크론(omicron)과 같은 변종들은 바이러스 서열 내에 코로나 바이러스(SARS-CoV-2)의 다른 변종들과 구별되는 데 도움이 되는 하나 이상의 돌연변이를 포함할 수 있다.

이 연구의 공동저자인 마크 존슨(Marc Johnson) 박사는 그 결과가 그들이 뉴욕에서 식별한 ‘암호(cryptic)’ 돌연변이가 가능한 동물의 기원과 관련이 있을 수 있음을 시사한다고 믿는다. 이러한 기원(매개체)은 아직 검증되지 않았지만, 그는 한 가지 가능한 원천이 뉴욕시의 하수구 시스템에 자주 등장하는 쥐(rats) 일 수 있다고 믿고 있다.

존슨은“예를 들어, 우리는 여전히 오미크론(omicron) 변종이 어디에서 왔는지 모르지만, 그것은 어딘가에서 왔을 것이다”라면서 “이러한 변종들은 오미크론을 포함하여 도처에서 거품이 일고 있는데, 이는 결국 일반 대중들에게 퍼졌고 대혼란을 초래했다. 우리는 이러한 이상한 혈통이 코로나19의 다음 변종 관심사가 될 수 있다고 생각한다”라고 말했다.

바이러스 돌연변이 사냥(Hunting for virus mutations)

이 프로젝트에 대한 아이디어는 2020년 3월 뉴욕시립대학교 퀸즈 칼리지(Queens College)의 바이러스학자이자 생물학 교수인 존 데네히(John Dennehy)가 코로나19 대유행의 영향을 분석하기 위한 다양한 방법을 찾기 시작한 이후 시작되었다. 

뉴욕시립대학교 퀸즈버러 커뮤니티 칼리지(Queensborough Community College)의 모니카 트루히요(Monica Trujillo) 부교수는 호주의 존 데네히(John Dennehy) 교수와 함께 하수를 이용해 코로나 바이러스의 확산을 추적하는 연구를 공유했다. 이는 트루히요 부교수가 뉴욕시 환경보호국 관계자에게 질문하도록 영감을 주었다. 뉴욕시 환경보호국은 유사한 작업을 수행하기 위해 모니카 트루히요 부교수의 하수 샘플을 보냈다.

2020년 여름, 데네히(Dennehy)와 트루히요(Trujillo) 교수는 이 연구의 주요 저자인 다비다 스미스(Davida Smyth)와 팀을 이루었다. 현재 텍사스 A&M 대학 샌안토니오(Texas A&M University-San Antonio)의 부교수인 스미스(Smyth)는 당시 뉴욕의 뉴 스쿨(New School)에 있었다. 그들은 연구원 팀을 구성하여 뉴욕시의 하수를 통한 코로나 바이러스의 확산을 추적하기 시작했다.

그 이후로, 그 연구의 공동 저자인 데네히(Dennehy) 교수는 몇 가지 흥미로운 결과를 발견했다. 존슨은 2021년 3월 빈센트 라카니엘로(Vincent Racaniello)의 팟캐스트 ‘바이러지 속 이번 주(This Week in Virology)’에서 바이러스학자들이 전국을 누비고 있는 팟캐스트 중 특이한 결과를 공유했을 때 우연히 듣고 있었다.

데네히 교수는 “우리가 표본에서 관찰하고 있던 돌연변이는 그 당시 돌고 있던 알려진 염기서열 중 전형적인 것이 아니었다”고 말했다.

아이러니하게도 존슨은 세인트루이스에서 채취한 샘플에서 하수를 분석한 특이한 결과를 관찰한 후 하수로 유사한 연구를 하고 있는 미국 전역의 다양한 연구자들에게 동시에 연락을 취했다.  

팟캐스트에서 그는 데네히(Dennehy) 교수가 미주리주에서 SARS-CoV-2에 대한 하수 샘플을 테스트하는 데 미주리대학교가 사용한 것과 동일한 방법을 사용하는 목표 접근 방식에 대해 설명하는 것을 들었지만 한 가지 중요한 차이점은 미주리대가 가능한 돌연변이에 대한 바이러스 게놈(genome)이었다. 일주일 이내에 마크 존슨(Marc Johnson) 박사는 추가 분석을 위해 미주리대에 뉴욕시 하수 샘플을 전달했다.

마크 존슨(Marc Johnson) 박사는 “처음 뉴욕에서 채취한 샘플로 시작했을 때, 저는 제가 세인트루이스에서 채취한 샘플에서 본 것과 같은 바이러스 서열을 가지고 있는지 알아보고 있었다”고 말했다. 

그는 이어 “그들은 달랐지만, 그들 모두는 바이러스의 특정 위치인 Q498에서 비슷한 돌연변이를 가지고 있었다. 놀라운 것은 Q498의 대부분의 샘플에서 Q498이 Y로 변했다는 것이다. 즉, 글루타민(glutamine)이 티로신(tyrosine)으로 변했다는 것이다. 데이터베이스를 살펴본다면, 그러한 돌연변이를 가진 인간 환자는 없었고 앞으로도 없을 것이다”라고 덧붙였다.

데네히(Dennehy) 교수는 가능한 설명이 수렴 진화라고 불리는 생물학적 과정이 될 수 있다고 믿는다.

데네히 교수는 “미주리의 한 동물이 뉴욕시에서 같은 종류의 동물과 섞이지 않을 것이다”라면서 “따라서, 각 지역에서 바이러스의 진화는 서로 독립적이지만, 동일한 동물이기 때문에 바이러스는 두 곳에서 모두 동일하게 보인다. 예를 들어, 우리는 오미크론 변종을 발생시킨 남아프리카의 조건들이 우리의 암호화된 변종을 발생시킨 뉴욕시의 조건과 같다고 생각한다. 생물학자로서 나는 델타 확산이 위협적이라고 생각했지만, 오미크론이 뉴욕시를 점령하는 속도는 차원이 다르다”라고 강조했다.

더 광범위한 영향 이해(Understanding the broader impact)

스미스(Smyth) 부교수는 실험실에서 과학을 가져와 더 넓은 현실 세계의 영향을 통해 어떻게 그것이 적용될 수 있는지를 보여주려는 그녀의 열정 때문에 부분적으로 그 연구팀에 합류했다. 아일랜드 이민자인 스미스 부교수는 경력 초기에 생물학의 기초를 공부하던 것에서 이제는 항생제 내성, 하수 속의 코로나 바이러스 추적과 같은 실제 건강 문제에 학생들을 참여시킴으로써 그녀의 열정을 추구하는 방향으로 전환했다.

국립 과학 및 시민참여센터(National Center for Science and Civic Engagement)의 부국장이기도 한 스미스(Smyth) 부교수는 “나는 우리가 알고 있는 것을 가장 필요한 현실 세계에 적용하는 방법에 관심이 있다. 하수 감시는 결정, 관행 및 개입이 시행될 수 있는 수준에서 건강 정보를 전달할 수 있는 능력이 있는 커뮤니티 기반의 공중 보건 조치의 맥락에서 정말 중요하다”라면서 “하수 감시는 빠르고 저렴하며 편견이 없기 때문에 다양한 상황, 특히 낮은 테스트 및 백신 가용성과 같이 자원이 제한된 지역에서 자원 가용성에 따라 시행할 수 있는 능력이 있다”고 말했다.

‘뉴욕시 하수에서 검출된 암호화된 SARS-CoV-2 계통 추적’은 『네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)』에 게재되었다. 기금은 뉴욕시 환경보호국(New York City Department of Environmental Protection), 린다 마르켈로프 자선기금(Linda Markeloff Charitable Fund), 국립보건원(National Institutes of Health ; U01DA053893-01)의 보조금에 의해 부분적으로 제공되었다.

공동 저자로는 미주리대학교(University of Missouri)에서는 데본 그레고리(Devon Gregory), 메디 그레이엄(Maddie Graham), 유관(Yue Guan), 케이틀린 굴덴펜니그(Caitlyn Guldenpfennig), 테리 리든(Terry Lyddon), 클레이튼 러쉬포드(Clayton Rushford), 라이니어 수아레스(Reinier Suarez), 엠마 테이세이루(Emma Teixeiro), 마크 다니엘스(Mark Daniels) 등이 참여했다. 

또 텍사스 A&M 대학 샌안토니오(Texas A&M University-San Antonio)의 데이비드 스미스(Davida Smyth)와 기나 솜파냐(Geena Sompanya), 뉴욕시립대 퀸즈버러 커뮤니티 컬리지(Queensborough Community College)의 모니카 트루히요(Monica Trujillo), 뉴욕시립대학교(City University of New York)의 크리스틴 청(Kristen Cheung), 안나 가오(Anna Gao), 아이린 홉시(Irene Hoxie), 셰린 칸노리(Sherin Kannoly), 쿠보타 나나미(Nanami Kubota), 미셸 마크먼(Michelle Markman), 카웅 미아트 산(Kaung Myat San) 등과 롱아일랜드대학교(Long Island University)의 파브리치오 스파뇰로(Fabrizio Spagnolo) 등이 참여했다.

하수구 감시 프로젝트(The Sewershed Surveillance Project)

2020년 5월, 미주리대학교는 미주리 보건 및 노인 서비스부(DHS ; Missouri Department of Health and Senior Services) 및 미주리 천연자원부(Missouri Department of Natural Resources)와 협력하여 미주리 주 공무원들에게 시민들이 배출한 폐기물을 사용하여 ‘코로나19(COVID-19)’를 추적하는 작업을 지원하기 시작했다.

존슨(Johnson)과 린(Lin)은 크리스토퍼 S. 본드 생명과학 센터(Christopher S. Bond Life Sciences Center)에 있는 존슨 연구소와 농식품천연자원대학의 협력자 린청호(Chung-Ho Lin)의 연구실을 결합하여 미주리 전역에 있는 150개 이상의 지역사회 물 시스템에서 수천 개의 하수 샘플을 채취하여 실험했다. 그들의 연구 방법은 미주리에서 델타 변종(delta variant)의 초기 집단 확산과 미주리에서도 오미크론 변종(omicron varian)의 초기 집단 확산의 움직임을 감지할 수 있었다.

게다가, 그들의 연구는 뉴욕시와 같은 미주리주 외곽 지역에서 사용되었는데, 뉴욕시 환경보호국이 미국 질병통제예방센터(CDC) 이환율 및 사망률 주간 보고서(Morbidity and Mortality Weekly Report)에 언급된 뉴욕시에서 최초의 오미크론(omicron) 사례를 발견하는 것을 도왔다.

[원문보기]

Scientist helps detect novel SARS-CoV-2 variants in NYC wastewater

Study suggests these novel mutations of the virus that causes COVID-19 could help identify where the next variant of concern could originate.

First delta, then omicron. The latest Covid variants have spread like wildfire across the globe in recent months, leading many scientists to wonder when the next variant will appear. Now, scientists may be one step closer to making that determination.

A multi-institutional team of researchers, including virologist Marc Johnson, a professor of molecular microbiology and immunology at the University of Missouri, has detected at least four “cryptic” variants of SARS-CoV-2, the virus that causes COVID-19, in samples of wastewater from New York City’s public sewer system. Their findings were recently published in Nature Communications, a journal of Nature.

According to the Centers for Disease Control and Prevention (CDC), viruses such as SARS-CoV-2 can continually evolve by acquiring mutations. Variants, such as delta or omicron, may contain one or more mutations within their viral sequence that help to distinguish themselves from other variants of SARS-CoV-2.

Johnson, a co-corresponding author on the study, believes the results suggest the “cryptic” mutations they identified in New York City could be linked to possible animal origins. While these origins have not been verified yet, he believes one possible source could be the rats that frequent New York City’s sewer system.

“For instance, we still don’t know where the omicron variant came from, but it had to come from somewhere,” Johnson said. “These variants are bubbling up everywhere, including omicron, which eventually spilled into the general population and wreaked havoc. We think these weird lineages could be where the next variant of concern for COVID-19 comes from.”

Hunting for virus mutations

The idea for this project started in March 2020 after John Dennehy, a virologist and professor of biology at Queens College, City University of New York, began looking for different ways to analyze the impact of the COVID-19 pandemic. 

Monica Trujillo, an associate professor at Queensborough Community College, City University of New York, shared with Dennehy a study from Australia that described using wastewater to track the spread of a coronavirus, and it inspired Trujillo to ask officials from the New York City Department of Environmental Protection to send her wastewater samples in order to conduct similar work.

In the summer of 2020, Dennehy and Trujillo teamed up with Davida Smyth, the lead author on the study. Smyth, now an associate professor at Texas A&M University-San Antonio, was at The New School, New York at the time. They put together a team of researchers to begin tracking the spread of coronavirus via New York City’s wastewater. 

Since then, Dennehy, a co-corresponding author on the study, found some interesting results. When he shared some of the more unusual results during a March 2021 episode of Vincent Racaniello’s podcast “This Week in Virology,” a popular podcast with virologists nationwide, Johnson happened to be listening.

“The mutations that we were observing in our sample weren’t typical among any of the known sequences circulating at that time,” Dennehy said.

Ironically, Johnson was simultaneously reaching out to various researchers across the United States who were doing similar work with wastewater after he observed some unusual results from his analysis of wastewater in some of his samples from the greater St. Louis area. On the podcast, he heard Dennehy describe their targeted approach, which happened to be the same method MU was using to test samples of wastewater for SARS-CoV-2 in Missouri, but with one key difference ? MU was analyzing a larger region of the virus genome for possible mutations. Within a week, Johnson had samples of NYC wastewater delivered to MU for further analysis.

“When we first started with the samples from New York City, I was looking to see if they had the same virus sequences that I saw in some of my samples from St. Louis,” Johnson said. “They were different, but all of them had similar mutations in common at one particular location on the virus - Q498. What’s amazing is that in most of the samples from New York City, the Q in Q498 had turned into a Y, or glutamine into tyrosine. If you look at the database, there was not, and continues to not be, a human patient who has had that mutation.”

Dennehy believes a possible explanation could be a biological process called convergent evolution.

“An animal in Missouri is not going to mix with the same type of animal in New York City,” Dennehy said. “Therefore, the evolution of the virus in each geographic area is independent of each other, but because it’s the same animal, the virus looks the same in both places. For instance, we think conditions in South Africa that gave rise to the omicron variant are the same conditions in New York City that gave rise to our cryptic variants. As a biologist, I thought the spread of delta was menacing, but the speed in which omicron took over New York City is on another level.”

Understanding the broader impact

Smyth joined the research team in part due to her passion for taking science from inside a laboratory to showing how it can be applied through a broader, real-world impact. A proud Irish immigrant, she transitioned from studying the basics of biology early in her career to now pursuing her passion by engaging her students in real-world health issues, such as antibiotic resistance, and tracking coronavirus in wastewater.

“I’m interested in how we can take what we know and apply it to the real world where it is needed the most,” said Smyth, who is also the deputy director for the National Center for Science and Civic Engagement. 

“Wastewater surveillance is really important in the context of community-based, public health measures where we have the ability to communicate health information at a level where decisions, practices and interventions can be implemented. Wastewater surveillance is fast, inexpensive and unbiased, and for that reason it has the ability to be implemented depending on resource availability in a variety of contexts, especially in areas with limited resources such as low testing and vaccine availability.”

“Tracking cryptic SARS-CoV-2 lineages detected in NYC wastewater,” was published in Nature Communications. Funding was provided in part by the New York City Department of Environmental Protection, a donation from the Linda Markeloff Charitable Fund, and a grant from the National Institutes of Health (U01DA053893-01).

Co-authors include Devon Gregory, Maddie Graham, Yue Guan, Caitlyn Guldenpfennig, Terry Lyddon, Clayton Rushford, Reinier Suarez, Emma Teixeiro and Mark Daniels at MU; Davida Smyth and Geena Sompanya at Texas A&M University-San Antonio.

 Monica Trujillo at Queensborough Community College, City University of New York; Kristen Cheung, Anna Gao, Irene Hoxie, Sherin Kannoly, Nanami Kubota, Michelle Markman, and Kaung Myat San at the City University of New York; and Fabrizio Spagnolo at Long Island University.

The Sewershed Surveillance Project

In May 2020, MU began working with the Missouri Department of Health and Senior Services (DHSS) and the Missouri Department of Natural Resources to assist Missouri officials with statewide tracking of COVID-19 using human waste.

Using the combined resources of Johnson’s lab in the Christopher S. Bond Life Sciences Center and the lab of collaborator Chung-Ho Lin in the College of Agriculture, Food and Natural Resources, Johnson and Lin have tested thousands of wastewater samples from more than 150 participating community water systems across Missouri.

 Their research method was able to detect the initial wave of community spread of the delta variant in Missouri, and subsequently the initial wave of community spread of the omicron variant in Missouri as well.

In addition, their work has been used outside of Missouri in places like New York City, where they assisted the New York City Department of Environmental Protection with detecting the first omicron case in New York City that is noted in this Centers for Disease Control and Prevention (CDC) Morbidity and Mortality Weekly Report.

[출처=미주리대학교(MU scientist helps detect novel SARS-CoV-2 variants in NYC wastewater // Show Me Mizzou // University of Missouri) / 2022년 2월 2일자 보도자료]