- 아르기닌 기반 나노소재로 DNA·단백질·다당류 동시 분해…의료·산업 현장 적용 기대
- '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈' 표지 논문 선정…60회 반복 사용에도 80% 성능 유지
해당 연구 성과는 재료과학 분야 권위지인 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 지난 10월 온라인 게재됐으며, 우수성을 인정받아 2027년 1월호 표지 논문(Inside Back Cover)으로 선정됐다.
바이오필름은 세균이 금속, 플라스틱, 의료기기 등 다양한 표면에 부착해 스스로 형성하는 보호막이다. 세균이 분비하는 DNA, 단백질, 다당류 등 고분자 물질이 얽혀 있어 일반적인 세척이나 살균만으로는 완벽한 제거가 어렵다. 이로 인해 의료기기, 산업설비, 식품 가공시설 등에서 지속적인 오염 문제를 일으키는 핵심 원인으로 꼽힌다.
연구팀은 바이오필름을 효과적으로 제거하기 위해 '촉매 미세환경 공학(Catalytic Microenvironment Engineering)' 기술을 적용했다. 이는 나노소재의 촉매 활성점 주변에 형성되는 구조와 화학적 환경을 조절해 반응 효율을 높이는 기술이다.
특히 연구팀은 지르코늄 기반 금속유기골격체(ZrMOF)에 아미노산 중 하나인 아르기닌(Arginine)을 도입했을 때 가장 높은 촉매 활성이 나타나는 것을 확인했다. 아르기닌의 도입으로 물과 분해 대상 물질이 촉매 활성점에 더 쉽게 접근할 수 있는 최적의 환경이 형성된 결과다.
이렇게 개발된 아르기닌 기반 나노자임(Arg-ZrMOF)은 바이오필름을 구성하는 서로 다른 화학결합을 동시에 분해하는 '다중 가수분해' 활성을 띠며, 복잡한 보호막 자체를 효과적으로 파괴한다.
실제 실험 결과, 나노자임은 대장균과 황색포도상구균은 물론 곰팡이의 일종인 칸디다 알비칸스가 형성한 바이오필름까지 분해하는 데 성공했다. 분무 방식을 활용해 스테인리스강, 플라스틱, 유리 등 다양한 소재 표면의 오염 물질을 제거하는 효과도 입증했다.
내구성과 안정성도 뛰어난 것으로 나타났다. 60회 반복 사용 후에도 초기 촉매 활성의 80% 이상을 유지했으며, 100일 이상 보관한 후에도 성능이 저하되지 않았다.
이번 연구는 김문일 교수 연구실의 반 안 응옥 응우옌(Van Anh Ngoc Nguyen) 석사 연구원이 주도했으며, 한국연구재단 중견연구자지원사업, 대학중점연구소사업, BK21사업의 지원을 받아 진행됐다.
김문일 교수는 "단순히 나노소재의 촉매 활성을 높이는 것을 넘어, 미세환경을 정밀하게 조절해 다양한 생체고분자를 분해할 수 있는 새로운 인공 효소 설계 전략을 제시했다"며 "향후 바이오필름 제어뿐만 아니라 다양한 생체물질의 분해와 진단, 바이오의료 분야로 응용 범위를 확대할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.
bjlee@beyondpost.co.kr
