도핑검사의 원리는 무엇일까

올림픽이나 월드컵과 같은 세계적인 스포츠 대회에서 선수들의 기록 경신만큼이나 대중의 이목을 집중시키는 사건이 있다. 바로 도핑(Doping) 스캔들이다. 스포츠 정신의 근간인 공정성을 훼손하는 도핑은 약물을 이용해 신체 능력을 인위적으로 향상시키는 행위를 말한다. 현대 스포츠에서 도핑 기술은 점점 교묘해지고 있으며, 이를 적발해내기 위한 안티 도핑(Anti-Doping) 기술 역시 첨단 과학을 동원하여 끊임없이 진화하고 있다. 그렇다면 선수의 소변이나 혈액 몇 방울만으로 어떻게 그 안에 숨겨진 극미량의 약물 성분을 찾아낼 수 있는 것일까? 그 해답은 현대 분석 화학의 꽃이라 불리는 크로마토그래피(Chromatography)와 질량 분석법(Mass Spectrometry)에 있다. 이 두 가지 기술의 결합은 물질을 분자 수준에서 쪼개고 분리하여 그 정체를 정확하게 밝혀내는 강력한 도구다. 금지 약물의 분자 구조가 아무리 복잡하고 그 양이 수영장에 잉크 한 방울을 떨어뜨린 수준으로 적다 하더라도, 첨단 기기의 감시망을 피해 가기는 매우 어렵다. 선수의 몸을 빠져나온 약물의 흔적은 실험실의 정밀한 장비 안에서 고스란히 그 민낯을 드러내게 된다.

크로마토그래피, 섞인 물질을 나누다

도핑 검사의 첫 번째 단계는 선수의 시료 안에 섞여 있는 수많은 물질 중에서 금지 약물 성분만을 분리해 내는 것이다. 소변이나 혈액 시료에는 단백질, 미네랄, 노폐물 등 셀 수 없이 많은 화합물이 혼합되어 있기 때문에, 이들을 먼저 종류별로 나누는 작업이 필수적이다. 이때 사용되는 기술이 크로마토그래피다. 크로마토그래피의 원리는 물질마다 특정 환경에서 이동하는 속도가 다르다는 점을 이용한다. 종이에 수성 사인펜을 점 찍고 물에 담그면 색소들이 번져 올라가는 속도 차이로 인해 여러 색깔로 분리되는 것과 같은 원리다. 도핑 검사에서는 주로 가스 크로마토그래피(GC)나 액체 크로마토그래피(LC)를 사용한다. 가스 크로마토그래피는 시료를 기화시켜 얇고 긴 관(칼럼)을 통과하게 만든다. 관 내부에 발라진 특수 코팅 물질(정지상)과 시료 속 성분들이 상호작용하는 정도에 따라 관을 빠져나오는 속도가 달라진다. 관의 벽에 잘 달라붙는 성분은 늦게 빠져나오고, 그렇지 않은 성분은 일찍 빠져나오게 된다. 이 과정에서 혼합물은 성분별로 완벽하게 분리되어 다음 분석 장치로 차례차례 전달된다. 복잡한 혼합물을 단일 성분으로 쪼개는 이 과정은 도핑 검사의 핵심이다.

질량 분석기, 분자의 지문을 찍다

크로마토그래피를 통해 분리된 물질들은 곧바로 질량 분석기(MS)로 들어간다. 질량 분석기는 분리된 물질이 정확히 어떤 화합물인지 그 정체를 밝혀내는 역할을 한다. 질량 분석기 내부로 들어온 분자들은 강한 전자 빔을 맞거나 고전압을 통해 이온화된다. 이 과정에서 분자들은 전자를 잃고 양전하를 띠게 되며, 덩치가 큰 분자의 경우 여러 개의 작은 조각으로 쪼개지기도 한다. 이렇게 만들어진 이온화된 조각들은 전기장이나 자기장이 걸린 진공관을 통과하게 된다. 이때 이온들은 각자의 질량과 전하량의 비율(m/z)에 따라 날아가는 궤적이 달라진다. 가벼운 이온은 자기장에 의해 경로가 크게 휘어지고, 무거운 이온은 덜 휘어지는 식이다. 검출기는 날아온 이온들을 순서대로 기록하여 질량 스펙트럼(Mass Spectrum)이라는 고유한 그래프를 생성한다. 이 스펙트럼은 분자가 쪼개진 조각들의 무게 분포를 보여주는데, 모든 화합물은 자신만의 독특한 질량 스펙트럼 패턴을 가진다. 마치 사람의 지문과도 같아서, 이 스펙트럼을 기분석된 금지 약물의 데이터베이스와 대조해 보면 시료에 어떤 약물이 포함되어 있는지 정확히 식별할 수 있다.

교묘해지는 도핑 수법들

분석 기술이 발달함에 따라 도핑 수법 역시 검사를 피하기 위해 고도로 지능화되었다. 과거에는 단순한 흥분제나 근육 강화 스테로이드를 복용했다면, 최근에는 선수의 몸에서 원래 생성되는 호르몬과 똑같은 구조를 가진 약물을 투여하여 외부 주입 여부를 구별하기 어렵게 만든다. 대표적인 예가 적혈구 생성 촉진 호르몬인 에포(EPO)다. 인공적으로 합성된 에포는 자연적인 에포와 화학식은 같지만, 호르몬에 붙어 있는 탄수화물 사슬의 미세한 구조 차이가 있다. 이를 구별하기 위해 과학자들은 등전점 전기영동이라는 특수한 분리 기술을 도입하여 검사 효율을 높였다. 또한 선수의 피를 미리 뽑아 두었다가 경기 직전에 다시 수혈하여 적혈구 수치를 높이는 자가 수혈 도핑이나, 도핑 성분을 희석하기 위해 이뇨제를 복용하는 은폐(Masking) 수법도 등장했다. 이뇨제 자체는 경기력 향상에 도움이 되지 않지만, 다른 약물의 흔적을 소변으로 빠르게 배출시켜 농도를 낮추기 때문에 금지 약물 목록에 엄격하게 포함되어 있다. 도핑 검사관들은 이러한 회피 시도까지 모두 잡아내기 위해 분석 기기의 민감도를 극한으로 끌어올리고 있다.

생물학적 여권의 도입

기술의 발전에도 불구하고 신종 디자이너 드럭(Designer Drug)처럼 데이터베이스에 아예 등록되어 있지 않은 새로운 화학 구조의 약물은 기존의 분석 방법으로 적발하기 까다롭다.