매미의 날개에서 세균이 파괴되는 비밀이 슈퍼컴퓨터로 판명

by Alban_Gogh / https://pixabay.com/ja/photos/%E8%99%AB-%E8%9D%89-%E6%98%86%E8%99%AB%E5%AD%A6-%E7%A8%AE%E6%97%8F-%E7%94%9F%E3%81%8D%E7%89%A9-8139218/

매미의 날개에는 세균을 죽여 버리는 강력한 항균작용이 있습니다. 미국의 스토니 브룩 대학과 오클리지 국립연구소의 연구자들이 슈퍼 ㅣ컴퓨터를 이용하여 매미 날개의 미세 구조의 작용을 밝히고, 세균을 파괴하고 자연스럽게 자기세정하는 메커니즘을 발견했다는 것을 보고했습니다.

Structure-Based Design of Dual Bactericidal and Bacteria-Releasing Nanosurfaces | ACS Applied Materials & Interfaces
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c18121

Scientists use ORNL’s Summit supercomputer to learn how cicada wings kill bacteria | ORNL
https://www.ornl.gov/news/scientists-use-ornls-summit-supercomputer-learn-how-cicada-wings-kill-bacteria

Scientists use ORNL’s Summit supercomputer to learn how cicada wings kill bacteria | ORNL

Cicada Wings Kill Superbugs on Contact, And We May Finally Know How : ScienceAlert
https://www.sciencealert.com/cicada-wings-kill-superbugs-on-contact-and-we-may-finally-know-how

Cicada Wings Kill Superbugs on Contact, And We May Finally Know How

스토니 브룩 대학의 고분자 재료과학자인 고가 타다노리 씨와 엔도 마야 씨가 매미의 날개에 주목한 계기는 2012년에 과학지 'Small'에 게재된 논문입니다. 깃털 표면의 미세 구조가 세균에 구멍을 뚫어 파괴한다는 보고에 착안하여 매미의 날개에 있는 나노사이즈의 주상구조인 '나노 필러'를 자기조직화라는 현상으로 재현하는 연구를 시작했습니다.

고가 씨는 매미의 날개는 실로 아름다운 필러구조를 하고 있기 때문에, 이것을 이용하면서 구조의 최적화도 실시하고 싶다고 생각했습니다. 지금까지 매미의 날개가 세균의 부착을 예방하는 단계까지는 알고 있었지만 그 메커니즘은 알 수 없었습니다. 거기서 기둥의 크기와 높이, 기둥과 기둥 사이의 간격을 변경하여 세균을 죽이는 데 가장 효과적인 구조를 확인하려는 것이 이 프로젝트의 전체 그림”이라고 설명했습니다.

by GeorgeB2 / https://pixabay.com/ja/photos/%E3%82%BB%E3%83%9F-%E6%96%B0%E8%88%88-%E3%83%A9%E3%82%A4%E3%83%95%E3%82%B5%E3%82%A4%E3%82%AF%E3%83%AB-%E8%99%AB-7323447/

나노시료의 작성을 담당한 브룩헤븐 국립연구소의 다니엘 살랏 씨가 포장재 등에서 널리 사용되고 있는 폴리스티렌과 아크릴 수지를 사용한 폴리머로 나노필러를 만들어 세균을 부착시키는 실험에서 세균이 죽을뿐만 아니라 파괴된 균체가 자동으로 제거된다는 것을 알았습니다.

매미의 날개에는 높이와 기둥끼리의 간격이 150나노미터(nm)인 나노필러가 있지만 살랏 씨가 높이 10nm, 폭 50nm의 나노필러를 70nm 간격으로 설치한 결과 대장균을 가장 효과적으로 파괴하고 적어도 36 시간은 세균의 접근을 막는 것으로 나타났습니다.

미세 구조를 사용하여 세균을 죽이는 연구는 지금까지 이루어져 왔지만 죽은 균의 사체가 그대로 남아 있으면 다른 오염이나 다른 균이 부착해 항균효과가 없어져 버리기 때문에 죽은 균의 사체제거는 재료과학자에게 난해한 과제였습니다.

이 획기적인 작용의 발견에 대해 살랏 씨는 “많은 바이오메디컬 재료연구자를 좌절시킨 사체처리 문제는 독성이 있는 화학물질을 사용하지 않고 표면의 쓰레기에 잘 대처할 수 있는 것이 발견되지 않았기 때문”이라고 설명했습니다.

실험에서 나노필러가 균을 죽이는 것이 확인되었지만 파괴된 균이 제거되는 원리는 수수께끼로 남았습니다. 그래서 연구팀은 다음에 오클리지 국립연구소의 나노페이즈 재료과학센터에 근무하는 얀 마이클 카리요 씨에게 의뢰하여 구체적으로 어떠한 메커니즘으로 균이 파괴되는지를 조사했습니다.

카리요 씨가 약 100만 개의 입자를 사용한 분자동역학(MD) 시뮬레이션을 실시한 결과, 균이 나노필러의 표면에 접촉했을 때 지질막이 나노필러와 강한 상호작용을 일으키고 있는 것으로 밝혀졌습니다. 구체적으로는 지질의 막이 나노필러의 표면에 강력하게 흡착되고 막이 필러의 표면이나 모서리에 붙은 후 당겨져 최종적으로 찢긴 균이 파괴되어 버렸다고 합니다.

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또 죽은 균이 나노필러로부터 벗겨진 후에는 파편이 남는데 이것이 물에 노출되면 micelle이라는 미세한 입자가 되어 씻겨져 자기세정작용을 발휘했습니다.

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엔도 씨는 이번 연구결과에 대해 “우리는 당초 높은 나노필러가 세균막에 바늘처럼 구멍을 뚫고 있다고 생각했지만 나노필러가 높아도 짧아도 세균은 죽었다"며 친밀한 소재로 균을 물리적으로 파괴해 표면을 깨끗하게 유지한다는 이번 연구로 의료기기의 표면에서 약제가 효과가 없는 '슈퍼 버그'가 번식하는 것을 막는 코팅 등이 실현될 것으로 기대했습니다.