친환경 기능성 소재로 다제내성균 잡는다

구형 아연-실리카 나노물질의 이중 항균 메커니즘 규명
아연 이온 방출·활성산소 생성 시너지로 다제내성균 99.9% 억제

최근 항생제 내성균 확산이 전 세계적으로 심각한 보건 문제로 대두되면서 기존 항생제를 대체할 수 있는 새로운 항균 소재 개발의 필요성이 커지고 있다. 이러한 가운데 국내 연구진이 계면활성제나 추가 첨가제 없이 상온(15℃~25℃)에서 합성 가능한 구형 아연-실리카 나노물질을 개발하고, 이를 이용해 다제내성균*을 최대 99.9%까지 억제하는 데 성공했다.

한국기초과학지원연구원(원장 양성광, 이하 KBSI)은 영남권센터 정예슬 책임연구원, 소재연구본부 이현욱 책임연구원·김혜란 연구원, 호남권센터 정혜종 책임연구원으로 구성된 KBSI 융합연구팀이 ㈜나노제네시스 이순창 박사와의 공동연구를 통해 친환경 공정*으로 합성 가능한 구형 아연-실리카 나노 항균소재 물질*을 개발하고 다제내성균에 대한 이중 항균 메커니즘*을 규명했다고 12일 밝혔다.

연구팀은 첨가제·계면활성제·템플릿 없이 상온·상압의 단순 공정만으로 직경 약 300nm의 균일한 구형 아연-실리카 나노물질을 대량 합성하는 기술을 개발했다. 기존 나노소재 합성법이 고온 공정과 복잡한 합성 과정, 높은 비용에 의존했던 것과 달리, 이번 기술은 친환경 공정을 기반으로 대량 생산이 가능해 산업적 활용 가능성이 높은 공정 기술로 평가된다.

이번 연구의 핵심은 KBSI가 보유한 첨단 분석 인프라를 활용해 해당 나노물질의 항균 작용 원리를 체계적으로 규명한 데 있다. 분석 결과, 구형 아연-실리카 나노물질에서는 아연 이온의 지속적인 용출과 광촉매 반응에 따른 활성산소종(ROS) 생성이 동시에 발생하는 이중 항균 메커니즘이 확인됐다. 방출된 아연 이온은 세균 세포막과 상호작용해 막 투과성 변화와 효소 기능 저해 등을 유도하며, 동시에 광촉매 반응으로 생성된 활성산소종은 세포막 지질, 단백질, 핵산 등에 산화적 손상을 일으켜 세균 기능을 비가역적으로 저해하는 것으로 나타났다. 이러한 이온 독성과 산화 손상의 복합 작용은 기존 항생제에 내성을 보이는 다제내성균에 대해서도 높은 억제 효과를 보였다.

연구팀은 다양한 정밀 분석기술을 활용해 이러한 항균 작용을 실험적으로 검증했다. 분석 결과, 유도결합 플라즈마 분광분석(ICP-AES)을 통해 나노구체 표면에서 아연 이온이 24시간 동안 약 9.2 mg/L 수준까지 안정적으로 방출되는 용출 특성을 확인했다. 또한, 전자상자성공명(EPR) 분석을 통해 광촉매 반응 과정에서 생성되는 히드록실 라디칼(·OH)을 직접 검출함으로써 활성산소종생성 경로를 실험적으로 입증했다. 아연 함량 변화에 따른 표면 아연 농도와 항균 활성 간의 상관관계를 분석한 결과, 표면 아연 농도가 증가할수록 아연 이온 용출량과 활성산소종 생성 활성도 함께 증가하며 항균 효과 역시 향상되는 것으로 나타났다.

항균 성능 검증은 임상적으로 중요한 다제내성균 4종을 대상으로 수행됐다. 그 결과, 카바페넴 내성 장내세균(CRE)인 대장균(E. coli)와 폐렴간균(K. pneumoniae), 메티실린 내성 황색포도알균(MRSA) 황색포도상구균(S. aureus), 반코마이신 내성 장알균(VRE) 장구균(E. faecium) 등 모든 균주에서 농도 의존적이며 통계적으로 유의한(p < 0.001) 항균 활성을 확인했다. 특히 아연 함량이 가장 높은 나노물질에서 가장 우수한 항균 성능을 보였고, BET 분석* 결과 비표면적이 순수 실리카 대비 약 4배 이상 증가해 활성 반응 부위 접근성이 크게 향상된 것으로 나타났다.

KBSI 이현욱 책임연구원은 “친환경 공정으로 대량 합성 가능한 나노 항균 물질이 다제내성균에 대해 높은 효능을 보였다는 점에서 학술적·산업적 의미가 크며, 의료·감염관리·수처리 분야에 적용 가능한 항균 소재 플랫폼을 제시했다”고 밝혔다. 이어 “향후 생체적합성 평가와 실제 적용 환경에서의 장기 안정성 검증을 통해 실용화를 추진할 계획”이라고 말했다.

KBSI 정혜종 책임연구원은 “본 연구에서는 임상적으로 중요한 다제내성균에 대한 항균 효능을 정량적으로 평가할 수 있는 실험 체계를 구축하고, 구형 아연-실리카 나노물질의 농도 의존적 항균 활성을 체계적으로 검증하였다”라며, “특히 CRE, MRSA, VRE 등 고위험 병원성 균주에 대해 CFU 기반 생존율 분석*과 통계적 검증을 통해 소재의 실제 항균 성능을 실험적으로 입증했다는 점에서 의미가 있다”라고 밝혔다. 이어 “향후 다양한 감염 환경을 모사한 조건에서의 항균 효과와 생체 적용 가능성을 추가적으로 평가하여, 의료 및 감염관리 분야에서 활용 가능한 실용적 항균 소재로 발전시키고자 한다”라고 덧붙였다.

본 연구결과는 KBSI 주요사업, 중소벤처기업부, 과학기술정보통신부 및 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 성과로, 화학공학 분야 최상위 학술지인 Chemical Engineering Journal誌에 3월 4일 온라인판으로 게재되었다.

허미정 기자 hmj07@hankyung.com