바이오인

핵심내용

바이오필름 제거하는 나노복합체 개발
항생제 내성을 가진 슈퍼박테리아 사멸에 활용 기대

□ 항생제와 화학물질 없이 박테리아가 서로 엉겨 붙은 바이오필름을 효과적으로 제거하는 방법이 보고됐다. 최종훈 교수(중앙대학교), 서영민 박사(한국과학기술연구원), 황장선 박사(중앙대학교) 연구팀이 구리나노입자와 탄소나노튜브의 재료 특성만을 극대화해 박테리아와 바이오필름을 제거할 수 있는 나노복합체를 개발했다고 한국연구재단(이사장 노정혜)은 밝혔다.

□ 바이오필름은 박테리아가 음습한 곳에서 활발히 증식하면서 형성한 보호막으로서, 미생물막이라고도 한다. 바이오필름이 생기면 세균에게 서식처를 제공하여 악취와 질병을 일으킨다. 또한 항생제와 화학 물질의 항균효과가 낮아지기 때문에, 물리적으로 제거해야만 한다.

□ 연구팀은 박테리아 뿐만 아니라 박테리아에 의해 형성된 바이오필름까지 제거할 수 있는 나노복합체를 개발했다. 구리이온은 산화반응하는 경향이 강해서 합성이 어렵지만, 1가 구리이온을 이용하여 최적의 조건에서 나노복합체를 합성할 수 있었다.

□ 나노복합체는 1차적으로 박테리아 세포에 직접 접촉해 세포벽을 손상시키고 2차적으로 활성산소를 발생시켜 산화 스트레스를 유발한다. 또한 박테리아의 세포 신호전달을 방해하여, 바이오필름 형성에 필수적인 유전자 발현을 억제한다. 이미 형성된 바이오필름도 효과적으로 제거된 것이 입증되었다.

□ 최종훈 교수는 “이 연구는 재료 자체의 특성을 극대화시켜 다차원의 항바이오필름 나노복합체를 개발한 것”이라며, ”인체에는 무해한 농도에서 박테리아만 선별적으로 사멸할 수 있고, 항생제 내성을 가진 슈퍼박테리아에도 적용할 수 있다. 에어컨 열교환기, 정수기, 의료기기, 화장실 등 박테리아가 잘 서식하는 곳에 활용하면 위생적인 환경을 유지할 수 있을 것이다“라고 연구의 의의를 설명했다.

□ 이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 나노‧소재기술개발사업의 지원으로 수행되었다. 국제학술지 나노스케일(Nanoscale) 7월 2일자 논문으로 게재되었다.

상세내용

 
■ 주요내용 설명

□ 논문명, 저자정보

★ 논문명
Engineering copper nanoparticles synthesized on the surface of carbon nanotubes for anti-microbial and anti-biofilm applications

★ 주저자
최종훈 교수(교신저자, 중앙대학교),
서영민 박사(제1저자, 한국과학기술연구원),
황장선 박사(제1저자, 중앙대학교)

□ 연구의 주요내용

 1. 연구의 필요성
  ○ 바이오필름은 박테리아 세포들이 서로 붙어있는 박테리아 집단이다. 표면에 부착하여 세포 외 중합물질을 자체 생산하며 생산된 세포 외 중합물질을 이용하여 외부 스트레스로부터 스스로를 보호하고 성장시킨다. 특히, 샤워실 또는 자동차와 에어컨의 열 교환기와 같이 항상 수분이 존재하거나 규칙적으로 관리가 힘든 곳에서 더욱 활발히 성장하게 된다. 형성된 바이오필름은 악취를 발생시키며 동물과 사람들에게 질병을 유발한다.
  ○ 일반적으로 바이오필름과 해로운 박테리아를 제거하기 위해 화학물질이나 항생제 화학물질 복합제를 사용하지만 그들의 독성과 항생제 내성 때문에 사회적으로 심각한 문제가 발생되고 있다. 또한 형성된 바이오필름은 물리적 방법 외에는 적절한 제거 방법이 부족하며 항균물질들과 박테리아의 접촉을 방해하여 그들의 항균성을 감소시킨다. 따라서 바이오필름의 형성을 예방하고 해로운 박테리아를 박멸하기 위해 항생제와 화학물질을 대체할 수 있는 새로운 물질 개발의 필요성이 강조되고 있다.

 2. 연구내용
  ○ 구리는 강력한 산화반응에 의해 그 이용성이 제한적이다. 이용성을 증가시키기 위하여 1가 구리이온을 적용하였고 확률기반 시뮬레이션을 통하여 구리나노입자와 탄소나노튜브의 최적 합성조건을 도출함으로서 인체세포에는 무해한 다차원의 항바이오필름 나노복합체를 개발하였다.
  ○ 이 연구의 나노복합체는 세포독성평가와 항균평가를 통해 박테리아 살상 능력이 있음이 증명되었다. 인체세포에는 무해한 나노복합체의 최적 농도를 선정하였으며, 박테리아에 대한 항균기작과 인체에 대한 안전성을 입증하였다.
  ○ 또한, 실험실 환경에서 균일하게 형성시키기 매우 까다로운 바이오필름을 마이크로 칩에 구현하여, 항바이오필름 효능이 있음을 확인하였다.

 3. 연구성과/기대효과
  ○ 이 연구를 통해 개발된 항바이오필름 나노구조체는 구리나노입자를 탄소나노튜브 표면에 고르게 합성시켜 재료특성을 극대화시켰다. 이로써 기존 기술 대비 박테리아의 살상 능력을 향상시켰으며 인체세포에는 무해한 농도에서 박테리아만 선별적으로 사멸시킬 수 있음을 확인하였다. 또한, 물리적인 제거 외에는 적절한 방법이 부족한 바이오필름에 대하여서도 효과적으로 바이오필름 구조를 파괴할 수 있음을 확인하였다.
  ○ 항생제 내성을 가진 박테리아들의 사멸에 활용할 수 있으며 바이오필름들도 효과적으로 제거할 수 있다. 따라서 박테리아가 잘 서식하는 환경(예: 에어컨 열교환기, 정수기, 의료기기, 화장실 등)에 인체 무해한 농도에서 이를 활용하여 효과적으로 인체 건강을 보호하는 데 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

■ 연구 이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
항생제 내성에 의한 슈퍼박테리아의 발생과 가습기살균제 사건 등을 언론을 통해 전해 들으면서 상당히 큰 충격을 받았다. 직접 연구하고 있는 많은 약물들도 지금은 사용이 허가되어 있지만 언젠가는 부작용이 발생될 수 있을 것이라는 우려에 연구를 진행하게 되었다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

1가 구리이온을 이용한 나노복합체 최적합성조건 도출과 항바이오필름 효능평가 부분이 가장 큰 장애요소가 되었다. 구리의 경우 산화반응이 상당히 신속하게 이루어지기 때문에 합성부분에서 많은 연구가 되지 않았고, 바이오필름의 경우 실험실 환경에서 짧은 시간에 형성시키기 어려워 효능평가의 한계가 있었지만 융합연구를 통해 다양한 접근방법을 적용함으로서 극복할 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

사회적으로 문제가 되고 있는 항생제와 화학물질의 사용 없이 재료특성을 극대화시킴으로서 항균, 항바이오필름 효능을 확인했다. 1가 구리이온을 이용하여 구리 이용성을 극대화시킴으로서 기존의 구리 이용성의 한계를 극복할 수 있었으며, 박테리아보다 더욱 문제시 되고 있는 바이오필름의 제거효능을 실시간으로 확인함으로서 다양한 분야로의 활용가능성을 보여주었다. 또한 나노복합체의 항균기작을 증명함으로서 인체에는 무해하며 박테리아와 바이오필름 제거에 효과적이라는 것을 입증하였다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 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 예상되며 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 비약물 기반으로 박테리아 또는 세포의 기능을 조절할 수 있는 플랫폼을 개발하고자 한다.

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