박테리아성 미생물막은 표면을 덮고 질병을 유발할 수 있다. 그리고 일단 형성되면 제거하기가 매우 어렵다. 이에 한 연구팀이 항체나 염료 같은 라벨을 추가하지 않고도 미생물막의 역동성을 실시간으로 관찰할 수 있는 새로운 '바이오필름 온 칩(biofilm-on-chip)'을 개발했다. 이 방법을 사용하면 미생물막을 제거할 수 있는 새로운 제제 개발의 속도를 높일 수 있다. 그리고 고관절 대체물 같은 수술용 임플란트에 생리활성 유리 코팅을 사용해 치료보다 예방의 효과를 높일 수 있다. 그 외 새로운 연구에 따르면, 식용 등급의 오일로 만든 간단한 코팅으로 스테인리스 스틸에 형성되는 미생물막을 예방할 수 있다.

미생물막은 제거하기 어렵다

미생물막은 서로 달라붙는 미생물 집단으로써 주로 물체의 표면에 생기는 것이다. 미생물막을 붙게 만드는 미생물이 만들어낸 점액은 세포외 중합체물질(EPS)로 구성되어 있다. 그리고 이 EPS는 다당류, 단백질, 지질 및 DNA로 구성되어 있다.

미생물막은 자연적이든 인공적이든 혹은 병원 환경에 있는 생물 또는 무생물 표면에 형성된다. 이 미생물막이 치아에 생기면 치석이 된다. 일반적으로, 미생물막 내부에 박테리아가 존재할 때 그 생물학은 자유생활형과는 다른 양상을 띤다.

표면에 있는 대상이 박테리아와 결합하거나 미생물막 형성 신호를 받는 등 특정한 신호가 전달되면 미생물막이 형성되기 시작할 수 있다. 영양소가 제공된다거나 일부의 경우 치명적이지 않은 항생제에 노출돼도 미생물막이 만들어질 수 있다. 미생물막은 물 속에서 몇 배나 되는 건조무게를 가지고 있기 때문에 생물학적인 수소라고 볼 수 있다.

미생물막은 박테리아와 점액이 수동적으로 쌓인 것이 아니라, 미생물들이 미생물막을 유지하기 위해 여러 개의 커뮤니티를 적극적으로 구성 및 조절하고 있는 것이다. 미생물막은 단일 유형의 미생물로 구성될 수도 있지만, 보통 여러 개의 유형으로 구성돼 있다.

이런 미생물들은 미생물막 형성으로 인해 여러 대사 능력을 가진 다양한 박테리아가 공생하면서 영양소를 배분하고 있으며 항생제 같은 해로운 주위 환경으로부터 자체적으로 보호할 수 있다는 장점을 취하고 있다. 그리고 미생물막은 히드로겔이기 때문에 박테리아는 건조한 환경으로부터 보호할 수 있다.

하지만 사람들에게 이 미생물막은 유익한 존재가 아니다. 미생물막은 의료용 임플란트나 기기에 형성될 수 있으며 치아에 치석을 만들고 음식을 준비하는 표면을 오염시키기도 한다. 그리고 미생물막이 만들어지면 제거하기가 어렵다.

'바이오필름 온 칩'으로 실시간 분석 가능

원치 않는 미생물막을 제거할 수 있는 방법을 개발하기 위해 새로운 실험 모델이 필요했다. 오키나와과학기술대학원협회의 에이미 센 박사가 이끄는 학제간 연구팀은 '바이오필름 온 칩' 기기를 개발했다.

'바이오필름 온 칩'을 사용하면 항체나 염료 같은 라벨을 사용하지 않고도 미생물막의 역동성을 실시간으로 관찰할 수 있다.

이 유리칩은 40나노미터 높이의 돌출부로 덮여있어 연구진들은 이것을 '버섯' 같이 생겼다고 표현했다. 버섯의 줄기부는 이산화규소로 구성돼 있으며 머리 부분은 금으로 만들었다. 이 칩은 국소표면 플라스몬 공명(localized surface plasmon resonance, LSPR)이라는 칩의 특별한 속성을 사용해 대장균으로 된 미생물막을 라벨 표시 없이 실시간으로 관찰하기 위해 고안됐다.

LSPR은 광원이 '바이오필름 온 칩'을 통과할 때 특정한 주파수에서 빛을 흡수하고 센서를 사용해 탐지할 수 있다. 대장균 박테리아를 금으로 된 캡 위에 올려두면 성장하면서 LSPR의 주파수를 변경하고 그 결과 대장균의 성장을 전자적으로 관찰하고 컴퓨터 소프트웨어를 통해 데이터를 수집할 수 있다.

'바이오필름 온 칩'을 사용하면 기존에 사용하던 수동 방법 보다 많은 데이터를 수집할 수 있게 됐다. 연구팀은 이 방법을 사용하면 새로운 항생제 개발에 매우 유용할 것이라고 전망했다.

생리활성 유리로 미생물막 형성 방지

수술용 이식 기기에 미생물막이 형성되면 심각한 문제를 유발할 수 있다. 미생물막은 임상 미생물 감염의 80% 이상을 차지한다. 그리고 인공관절수술의 2.5%에서는 감염으로 인한 합병증이 발생하고 있다.

의료 기기에 미생물막 형성을 방지하는 한 가지 방법은 생리활성 붕산염 유리 같은 항균 물질로 기기를 코팅하는 것이다. 생리활성 붕산염 유리는 MRSA 및 대장균을 포함해 광범위한 박테리아에 대항하는 기능을 한다.

이 유리는 부분적으로 pH 수치가 높아 박테리아 성장을 막으며 표면에는 박테리아가 부착할 수 있는 여지가 없어 미생물막을 형성하지 못한다. 따라서 어떤 박테리아도 생리활성 유리의 항균 효과에 내성이 생길 수 없다.

이온과 나노입자는 항생제와는 다르게 작용한다. 이들은 박테리아의 유전학과는 관계 없이 박테리아 세포벽을 공격한다. 따라서 박테리아가 내성이 생기기 어렵다.

식용 등급 오일 코팅으로 스테인리스 스틸에 미생물막 형성 방지

캐나다 토론토대학 소재과학과 벤자민 해튼 박사가 이끄는 연구팀에 따르면, 산업용 식품 가공 공장의 스테인리스 스틸 표면에 식용 등급의 오일로 윤활층을 만들면 미생물막 형성을 줄일 수 있다.

일반적으로 이런 표면에 작은 흠이라도 생기면 빠른 속도로 제거하기 어려운 미생물막이 생긴다. 그리고 그 결과, 식품 안전성이 위험에 처하게 된다. 이 때, 오일은 균열 틈을 채워서 미생물막 형성을 방지한다.

연구팀은 오일과 스테인리스 스틸 표면을 기능적으로 연결할 수 있도록 화학물질 기법을 사용했다. 이는 산업용 식품 가공 시 미생물막 형성을 방지할 수 있는 비용 대비 효과적인 방법이다.

[researchpaper 리서치페이퍼=심현영 기자]