국내 융합연구진, 박테리아와 바이러스에 치명적인 은나노복합체 개발
- 영국 왕립화학회가 출판하는 세계적 국제학술지에 표지 논문으로 발표
한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 분자인식연구센터 우경자 박사팀과 서울대학교 보건대학원 고광표 교수팀이 공동으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부(장관 최문기)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 나노·소재 기술개발사업 및 KIST 기관고유사업의 일환으로 수행되었으며, 영국 왕립화학회가 출판하는 세계적 국제학술지인‘Journal of Materials Chemistry B’ 제1권 21호의 표지 (front cover) 논문으로 선정(5월 8일 온라인 게재)되었고 6월 7일 출판 예정이다. 논문명은 ‘Magnetic hybrid colloids decorated with Ag nanoparticles bite away bacteria and chemisorb viruses’이다.
SARS와 조류 독감, 집단 식중독 등 각종 바이러스에 의한 발병이 급증하면서 나노소재를 유해 미생물 제거에 이용하는 기술에 대한 관심이 높아지고 있다.
은 나노입자는 유해 미생물에 대해 우수한 효용을 나타내지만, 외부로 유실되면 생명체에 독성을 나타낼 수 있다. 은 나노입자는 작을수록 독성이 심하며, 입자와 이온이 모두 효용을 나타낸다.
따라서 은 나노입자를 이용한 유해 미생물 제거 연구는 20 nm 이하의 단위 나노입자에 집중되어 있고, 단위 나노입자를 사용하는 한 외부로의 유실 문제를 근본적으로 해결할 수 없다.
핵심 돌파구는 자성 마이크론소재에 은 나노입자를 견고하게 결합하여 회수와 분산성을 확보함으로써 환경오염은 줄이고, 노출된 나노입자 표면이 유해 미생물에 직접 작용하게 하는 것이다.
우경자 박사와 고광표 교수 공동 연구팀은 자성이 있는 마이크론 크기의 구형 소재 위에 핵과 핵을 떠받치는 기둥을 함께 감싸는 견고한 3차원 구조로 고정된 은나노복합체 소재를 개발하고, 유해 미생물 제거 효과 및 그 메커니즘을 밝혀냈다.
연구팀은 자성 마이크론소재 표면에 많은 팔들을 만들고, 팔 끝에 은으로 된 핵(1~3 nm)을 매단 후, 이 핵들을 적정 크기로 뭉쳐서 간격을 재배치하였다.
이후 재배치된 핵과 팔을 함께 감싸는 은 나노입자를 고정시켜 견고한 3차원 구조의 은나노복합체 소재를 완성하였다. 복합체 표면은 은 나노입자와 이온이 상보적으로 덮고 있는 독특한 구조이며 항균, 항바이러스 작용에 시너지 효과를 줄 것으로 예측하였다.
개발된 소재를 박테리아(E. coli CN13: 그람-음성 박테리아로 직경×길이가 1㎛×2㎛ 크기의 막대 모양임)와 바이러스( Bacteriophage MS2: 식물성 RNA 바이러스의 일종으로 직경 27.5 nm의 구형 모양임) 제거 실험에 적용하여 각각 99.9999%와 99% 이상의 제거율을 기록했다.
복합체 위에 고정된 은 나노입자가 이빨과 같은 역할을 하여 접촉하는 박테리아를 물어뜯고, 표면의 은 나노입자와 이온이 바이러스를 흡착하여 치명적 효과를 주는 것을 전자현미경으로 관찰하였다.
KIST 우경자 박사는“이번 연구를 통해 새로운 구조의 나노복합 소재를 개발해 원천기술 확보와 그린환경 구축, 삶의 질 향상의 토대를 마련했다”고 연구의의를 밝혔다.
[연구결과 개요]
1. 연구배경
최근 들어 각종 바이러스에 의한 발병이 급증하면서 미생물에 대한 관심이 높아지고 있다. 예를 들면, 2009년부터 발생한 신종 인플루엔자 바이러스 A는 전 세계적으로 13만 명 이상의 감염자와 800명 이상의 사망자를 발생시켰고, 이 외에도 SARS, 조류 독감, 돼지 독감 등의 발병이 있었으며, 감기와 집단 식중독 등의 발병은 인구 밀도가 높은 도시 생활과 관련하여 발병율과 전염속도가 매우 빠르다. 이러한 사회적 배경과 맞물려, 나노소재기술을 이용하여 그린환경을 확보하려는 연구가 진행되어 왔다. 그러나, 기존의 연구는 주로 표면보호제가 함유된 20 nm 이하의 은 나노입자를 단위소재로 사용하거나 폴리머 필터 내에 담지하여 사용하였으므로 단위 나노입자로서의 성능만을 이용한 것이었으며, 환경으로 유출되는 문제를 해결하기 어려웠다.
2. 연구내용
마이크론 크기의 입자들은 나노 크기의 입자들에 비해 응집현상이 훨씬 적어서 표면보호제가 없어도 회수와 분산이 용이하다. 자성을 갖는 마이크론 크기의 구형 물질 위에 은 나노입자들을 적정 간격으로 고정해서 3차원 구조물을 만든다면 자성을 이용한 회수와 분산이 용이하고 은 나노입자 표면이 그대로 노출되므로 유해 미생물에 직접적인 독성을 나타낼 것으로 기대하였다.
은 나노입자들을 적정 간격으로 고정해서 만든 마이크론 크기의 3차원 복합체 콜로이드는 당해 연구팀이 지난 3월 20일 Nature 자매지인 Scientific Report에 게재한 논문의 내용대로 합성한 작은 것 2종(7 nm와 15 nm) 및 방법을 변형하여 합성한 큰 것 1종(30 nm 입자)을 포함하고 있다.
30 nm 크기의 입자가 고정된 은나노복합체는 Scientific Report에 게재한 방식대로는 합성되지 않아서 새로운 방법을 고안한 것인데 그림 2의 B와 같이 1 내지 3 nm 크기의 은 씨드를 정전기적 힘에 의해 자성실리카 구 위에 배치하고 은 이온을 추가하여 성장시켰다. 반면에, 작은 크기의 나노입자가 고정된 은나노복합체는 1 내지 2 nm 크기의 금 씨드를 배위결합*에 의해 자성실리카 구 위에 배치하고 은 이온을 추가하여 성장시켰다.
연구 대상 바이러스의 크기가 약 30 nm였기 때문에 비슷한 크기의 은 나노입자를 고정해서 비교했던 것이었는데, 의외로 30 nm 크기의 은 나노입자가 고정된 복합체가 가장 우수한 항균, 항바이러스 작용을 나타냈다.
은나노복합체를 이용하여 대장균(E. coli CN13)*과 바이러스(Bacteriophage MS2)*에 대해 효능을 조사해 본 결과 99.9999% 및 99% 이상의 놀라운 제거 효율을 보였다. 이 외에도 바실러스 균과 기타 바이러스에 대해서 비슷하게 우수한 제거 효율을 보였으며 후속 논문을 준비 중이다.
은나노복합체의 표면에서 은 나노입자가 고정되지 않은 평평한 부분은 은 이온이 덮고 있도록 설계하였으며, 이러한 독특한 구조가 항균, 항바이러스 작용에 시너지 효과를 주는 것을 확인하였다.
은나노복합체가 박테리아와 바이러스를 제거하는 메커니즘을 밝혀냈는데 복합체 위에 고정된 은 나노입자가 이빨과 같은 역할을 하여 박테리아와 접촉하면 박테리아를 물어뜯어 박테리아 몸체가 찢어지는 효과를 주는 것을 전자현미경으로 관찰하였다. 바이러스는 복합체 위에 고정된 은 나노입자와 은 이온에 화학적으로 흡착되는 것으로 관찰되었다. 이러한 현상은 은 나노입자가 박테리아 몸체를 구성하고 지지하는 막 성분 중에서 칼슘 또는 마그네슘 이온을 흡착하고 또 박테리아나 바이러스 막을 구성하는 시스테인 부분의 싸이올 그룹과 강한 결합을 만들기 때문에 일어나는 현상으로 해석되었다.
3. 기대효과
은나노복합체를 이용하여 유해 박테리아와 바이러스를 효과적으로 제거할 수 있으므로 그린환경을 구축하고 삶의 질 향상에 기여함은 물론 은나노복합체를 이용하는 파생 산업 및 경제를 활성화 할 수 있다.
4. 용 어 설 명
Journal of Materials Chemistry B이란
영국 왕립화학회 (Royal Society of Chemistry)에서 출판하는 생물 및 의약과 관련이 있는 재료화학 분야 국제학술지(피인용지수: 5.968, 2011년 Journal of Materials Chemistry 기준, 2012년까지 Journal of Materials Chemistry라는 명칭으로 재료화학 분야 국제학술지로 출판하다가 논문의 선호도와 투고 건수가 급격히 증가함에 따라 2013년부터 에너지와 지속가능 재료는 A, 생물과 의약 관련 재료는 B, 광전소자용 재료는 C로 세분하였음.)
웹사이트: http://www.msit.go.kr/web/main/main.do
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미래창조과학부
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2022년 12월 15일 18:00