가천대 김문일 교수 연구팀, 세균 보호막 바이오필름 분해하는 다기능 나노자임 개발

가천대학교 바이오나노학과 김문일 교수.ⓒ가천대학교 제공

가천대학교는 바이오나노학과 김문일 교수 연구팀이 아미노산을 활용해 세균의 보호막인 바이오필름을 효과적으로 분해하는 다기능 나노자임(nanozyme)을 개발했다고 13일 밝혔다.

이번 연구에서 개발된 나노자임은 서로 다른 화학적 특성을 가진 바이오필름의 주요 구성 성분을 동시에 분해할 수 있으며, 다양한 소재 표면에 형성된 바이오필름을 제거할 수 있다는 점에서 주목된다.

바이오필름은 세균이 금속, 플라스틱, 의료기기 등 다양한 표면에 부착해 형성하는 보호막이다. 세균이 분비하는 DNA, 단백질, 다당류 등의 고분자 물질이 복잡하게 얽혀 있어 외부 환경으로부터 세균을 보호하고, 일반적인 세척이나 살균만으로는 제거하기 어렵다. 이 때문에 의료기기와 산업설비, 식품 가공시설 등에서 지속적인 오염 문제를 일으키는 원인이 된다.

연구팀은 바이오필름을 효과적으로 제거하기 위해 '촉매 미세환경 공학(Catalytic Microenvironment Engineering)'을 적용했다. 이는 나노소재의 촉매 활성점 주변에 형성되는 구조와 화학적 환경을 조절해 반응 효율을 높이는 기술이다.

연구팀은 지르코늄 기반 금속유기골격체(ZrMOF)에 여러 종류의 아미노산을 도입해 촉매 성능을 비교했다. 그 결과 아미노산 중 하나인 아르기닌(Arginine)을 적용했을 때 가장 높은 촉매 활성을 나타냈다. 아르기닌의 도입으로 나노소재의 국소적인 구조와 표면 특성이 변화하면서 물과 분해 대상 물질이 촉매 활성점에 더 쉽게 접근할 수 있는 환경이 형성된 것이다.

이렇게 개발한 아르기닌 기반 나노자임(Arg-ZrMOF)은 DNA, 단백질, 다당류를 구성하는 서로 다른 화학결합을 분해하는 다중 가수분해 활성을 갖는다. 바이오필름을 구성하는 여러 성분을 동시에 분해할 수 있어 보호막 자체를 효과적으로 제거할 수 있다.

실험에서는 대장균과 황색포도상구균이 형성한 바이오필름의 제거 효과를 확인했으며, 곰팡이의 일종인 칸디다 알비칸스의 바이오필름에서도 분해 효과를 확인했다. 또한 60회 반복 사용 후에도 초기 촉매 활성의 80% 이상을 유지했으며, 100일 이상 보관한 후에도 우수한 안정성을 나타냈다.

나아가 나노자임을 분무하는 방식으로 스테인리스강, 플라스틱, 유리 표면에 형성된 바이오필름을 제거하는 실험도 진행했다. 이를 통해 실험실 수준의 분해 효과를 넘어 다양한 소재의 표면에 적용할 수 있는 바이오필름 제어 기술로의 발전 가능성을 제시했다.

이번 연구는 재료과학 분야 국제학술지 'Advanced Functional Materials'(IF 19.9)에 지난 10월 온라인 게재됐으며, 연구성과를 시각화한 이미지가 2027년 1월 발행 예정인 제37권 제3호의 Inside Back Cover로 선정됐다. 이번 연구는 김문일 교수 연구실에서 석사학위를 취득한 반 안 응옥 응우옌(Van Anh Ngoc Nguyen) 연구원이 주도적으로 수행했다.

김문일 교수는 “이번 연구는 단순히 나노소재의 촉매 활성을 높이는 것을 넘어, 촉매 활성점 주변의 미세환경을 정밀하게 조절해 다양한 생체고분자를 분해할 수 있는 새로운 인공 효소 설계 전략을 제시했다는 점에서 의미가 있다”며 “향후 바이오필름 제어뿐 아니라 다양한 생체물질의 분해와 진단, 바이오의료 분야로 응용 범위를 확대할 수 있을 것으로 기대한다.”고 말했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업과 대학중점연구소사업, BK21사업의 지원을 받아 수행됐다.