[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 박테리아가 서로 엉겨 붙은 바이오필름은 물론이고 항생제 내성을 가진 수퍼박테리아까지 인체에 무해하게 항생제와 화학물질 없이 효과적으로 제거하는 방법이 국내에서 개발됐다. 

16일 한국연구재단에 따르면 중앙대 융합공학과 최종훈 교수·KIST 의공학연구소 서영민 박사 연구팀은 구리 나노입자와 탄소나노튜브의 재료 특성만을 극대화해 박테리아와 바이오필름을 제거할 수 있는 나노복합체를 개발하는 데 성공했다. 

바이오필름은 박테리아가 음습한 곳에서 활발히 증식하면서 형성한 보호막으로서 미생물막이라고도 한다. 바이오필름이 생기면 세균에게 서식처를 제공해 악취와 질병을 일으킨다. 또 항생제와 화학 물질의 항균효과가 낮아져 물리적으로 제거해야 한다. 

(그림1) 나노복합체 제조과정 모식도 : Avogadro 소프트웨어 프로그램을 이용하여 산처리된 탄소나노튜브 표면에 구리나노입자가 실제로 결합되어 있는 화학구조를 예측한 모식도 [자료=한국연구재단]

연구팀은 문제해결을 위해 박테리아뿐만 아니라 박테리아가 형성한 바이오필름까지 제거할 수 있는 나노복합체를 개발했다. 구리이온은 산화반응하는 경향이 강해서 합성이 어렵지만, 1가 구리이온을 이용해 최적의 조건에서 나노복합체를 합성할 수 있었다고 연구진은 설명했다. 

나노복합체는 1차적으로 박테리아 세포에 직접 접촉해 세포벽을 손상시키고 2차적으로 활성산소를 발생시켜 산화 스트레스를 유발한다. 

또한 박테리아의 세포 신호전달을 방해, 바이오필름 형성에 필수적인 유전자 발현을 억제한다. 이미 형성된 바이오필름도 효과적으로 제거한 것으로 입증됐다. 

(그림2) 시간대별 나노복합체의 항바이오필름 효능 : 박테리아를 사멸시킬 수 있는 항생제와   '항생제+화학물질'은 형성된 바이오필름을 제거하지 못하는 반면에 개발된 나노복합체는 형성된 바이오필름을 효과적으로 제거시키는 모습 [자료=한국연구재단]

최 교수는 “이번 연구는 재료 자체의 특성을 극대화시켜 다차원의 항바이오필름 나노복합체를 개발한 것”이라며 “인체에는 무해한 농도에서 박테리아만 선별적으로 사멸할 수 있고 항생제 내성을 가진 수퍼박테리아에도 적용할 수 있다”고 연구의의를 밝혔다. 

따라서 이번에 개발된 나노복합체가 에어컨 열교환기, 정수기, 의료기기, 화장실 등 박테리아가 잘 서식하는 곳에 활용하면 위생적인 환경을 유지하는 데 도움을 줄 것으로 기대된다. 

과학기술정보통신부와 한국연구재단 나노‧소재기술개발사업의 지원을 받은 이번 연구 결과는 국제학술지 나노스케일(Nanoscale) 7월2일자에 실렸다.

◆논문 저자들이 직접 전하는 연구 이야기

중앙대 융합공학과 최종훈(왼쪽) 교수와 KIST 의공학연구소 서영민(오른쪽) 박사 [자료=한국연구재단]

- 연구를 시작한 계기나 배경은?

▲항생제 내성에 의한 수퍼박테리아의 발생과 가습기 살균제 사건 등을 언론을 통해 전해들으면서 상당히 큰 충격을 받았다. 직접 연구하고 있는 많은 약물들도 지금은 사용이 허가돼 있지만 언젠가는 부작용이 발생할 수 있을 것이라는 우려에 연구를 진행하게 됐다.

- 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는? 어떻게 극복했는지?

▲1가 구리이온을 이용한 나노복합체 최적 합성조건 도출과 항바이오필름 효능평가 부분이 가장 큰 장애요소가 됐다. 구리의 경우 산화반응이 상당히 신속하게 이뤄지기 때문에 합성 부분에서 많은 연구가 되지 않았다. 바이오필름의 경우 실험실 환경에서 짧은 시간에 형성시키기 어려워 효능평가의 한계가 있었다. 하지만 융합연구를 통해 다양한 접근방법을 적용함으로써 극복할 수 있었다.

- 이번 성과, 무엇이 다른가?

▲사회적으로 문제가 되고 있는 항생제와 화학물질의 사용 없이 재료 특성을 극대화시킴으로써 항균, 항바이오필름 효능을 확인했다. 1가 구리이온을 이용해 구리 이용성을 극대화함으로써 기존의 구리 이용성에 대한 한계를 극복할 수 있었다. 또한 박테리아보다 더욱 문제시되고 있는 바이오필름의 제거 효능을 실시간으로 확인함으로써 다양한 분야로의 활용 가능성을 보여줬다. 아울러 나노복합체의 항균기작을 증명함으로써 인체에는 무해하며 박테리아와 바이오필름 제거에 효과적이라는 것을 입증했다.

- 실용화한다면 어떻게 활용할 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

▲바이오필름은 에어컨 열교환기, 정수기, 의료기기등 항상 수분이 존재하며 관리가 어려운 곳에서 발생되기 쉽기 때문에 바이오필름이 발생될 수 있는 다양한 표면에 적용 가능할 것으로 예상된다. 특히 항생제 내성을 가진 박테리아들의 사멸에 적극 활용되어 효과적으로 인체건강을 보호하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

- 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

▲위험성이 잘 알려져 있는 비브리오 패혈증은 비브리오균에 의해 형성된 바이오필름 때문에 약물들이 침투하지 못해 뚜렷한 효능을 나타내는 치료방법이 아직까지 없는 실정이다. 따라서 환자의 생명을 위협하는 다양한 병원균의 바이오필름에 대한 연구를 진행하고자 하며 나아가 비(非)약물 기반으로 박테리아 또는 세포의 기능을 조절할 수 있는 플랫폼을 개발하고자 한다.

kimys@newspim.com