[POSTECH-UNIST 공동연구팀, 나노구조체의 표면질감 제어한다]

코로나19로 인한 팬데믹 현상은 신종 바이러스나 약물에 내성을 가진 박테리아 등 새로운 병원체에 대한 두려움을 안겨주고 있다. 최근 국내 연구진이 초소형 입자(100nm 이하)인 나노 소재의 표면의 미세구조 제어함으로써 항생제 내성 박테리아를 제거하는 기술을 개발해 주목받고 있다.

화학과 이인수 교수·아미트 쿠마 (Amit Kumar) 연구교수·니티 쿠마리(Nitee Kumari) 박사 연구팀이 UNIST(울산과학기술원) 생명공학과 조윤경 교수·수미트 쿠마(Sumit Kumar) 박사 연구팀과 공동연구를 통해 고효율 자기 촉매 플랫폼으로 혼합된 FeCo-산화물 기반 거친 표면질감 나노구조체(MTex)를 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’를 통해 소개했다.

먼저, 연구팀은 다양한 금속이온이 고분자 외피에 싸여있는 평범한 나노 결정을 합성하고 매우 높은 온도에서 가열했다. 고분자 외피가 타는 동안, 고온 고체상 화학반응은 나노 결정 표면에 다른 금속이온의 혼합을 유도하고, 나노 결정 표면에 여러 개의 작은 가지와 구멍을 만들어낸다. 이때 나타나는 독특한 질감 표면은 박테리아를 죽이는 활성산소를 생성하는 화학촉매반응을 일으키는 것을 발견했다. 또한, 자기장에 대한 높은 인력을 보이는 것을 확인했다. 표면 특징이 없는 평범한 나노 결정이 고기능성 혼합 금속 산화물 나노 결정으로 변환하는 합성 전략을 발견한 것이다.

연구팀은 이 여러 개의 가지와 구멍이 있는 쟁기질된 들판과 같은 질감의 표면을 “MTex”라고 명명했다. MTex의 이러한 독특한 표면 질감 특성은 나노입자의 운동성을 증가시켜서 바이오필름^*1 매트릭스에 효율적으로 침투하도록 하는 동시에 안정한 화합물로부터 박테리아에 치명적인 활성산소를 생성하는 높은 활성을 보여주는 것을 검증했다.

이 시스템은 광범위한 pH 범위에서 활성산소를 생성 할 수 있으며 효과적으로 바이오필름 내부로 확산되어 항생제에 내성을 지니는 박테리아를 죽일 수 있다. 또한, 나노구조체의 자성을 이용하여 바이오필름 잔해를 긁어낼 수 있다.

제1저자인 아미트 쿠마 박사는 “이번에 개발된 MTex는 기존의 스피넬^*2 물질의 안정된 매끄러운 표면과는 구별되는 매우 높은 촉매 활성을 보여준다”며 “이런 특성은 좁은 공간에서도 바이오필름에 침입하여 박테리아를 제거하고 폐기하는 데 매우 유용하다”고 설명했다.

연구를 주도한 이인수 교수는 “이번 연구에서처럼 나노입자의 표면 질감을 자유롭게 만들어낼 수 있다는 것은 활성 부위의 노출을 설계하고 제어할 수 있는 가능성을 열어준 것”이라며 “나노 스케일의 표면 구조체는 나노 바이오 인터페이스에서 새로운 효소와 유사한 특성을 개발하는 데 크게 이바지할 것으로 기대된다”고 덧붙였다.

한편, 한국연구재단 리더연구자지원사업(창의연구), 기초과학연구원의 지원으로 수행됐다.
 

1. 바이오필름
미생물이 응집하여 한 덩어리가 되어, 고체나 생체 표면에 보호막(film)을 형성하는 상태

2. 스피넬(spinel)
알루미늄·마그네슘의 산화물로 등축 정계(等軸晶系) 팔면체의 결정. 빛깔은 무색 또는 적·청·녹·황·갈·흑색 등이며 순수한 것은 보석으로 씀