COVID19 팬더믹, 항균 금속으로 잡는다

2차 감염 방지 제품 수요↑, 선제 개발 필수

구리·백금 등 항균·항바이러스 금속 소재 각광

■기술의 정의 및 분류

균(박테리아) 및 바이러스와 같은 병원체는 인체에 치명상을 입히며, 이들이 광범위로 확산될 경우, 사회적·경제적으로 큰 손실을 야기한다. 현재까지 균과 바이러스를 제거하는 것은 의·약학의 범주에서 해결할 문제로 여겨졌지만, 오래전부터 알려진 금속의 항균성을 이용해서도 바이러스 제거가 가능하다는 것이 근래에 세계 여러 연구기관에서 보고되고 있다.

일반적인 화학약품으로 균 및 바이러스를 제거하는 것은 그 효과가 매우 크지만, 일시적이라는 단점이 있다. 또한, 무수히 돌연변이를 일으켜 인체의 면역체계를 교란하는 바이러스의 경우, 백신 및 치료제의 개발이 늦어져 이미 많은 인명이 희생되고 사회적·경제적 손실이 야기된 후에 해결되는 경우가 일반적이다.

그러므로 일반적인 환경에서 예방을 시행하는 것이 더 효과적이라고 할 수 있다. 백신, 항생제, 그리고 바이러스 치료제와 같은 의약품에 의한 적극적인 대처법 외에도 주변 환경에서 균 및 바이러스를 제거하는 것은 간접적이지만 광범위하고 효과적인 대처법이라고 할 수 있다.

주변에서 흔히 볼 수 있는 금속, 즉 일반인들이 흔하게 접촉할 수 있는 금속으로는 철강, 구리 그리고 알루미늄이 있고, 은이나 금과 같은 귀금속도 우리가 흔하게 접하는 합금이다. 이러한 금속 중에서 살균 효과가 오래전부터 검증된 금속으로는 구리, 은 그리고 백금이 있다.

특히 구리는 다른 금속 대비 광범위한 살균력과 저렴한 가격이 큰 매력이라 할 수 있다. 이러한 점을 이용하여 영국, 미국 그리고 일본에서 구리와 다른 금속 등의 항균 효과에 대한 연구가 오랫동안 이루어졌으며, 항균성에 대한 정확한 메커니즘을 규명하고자 노력해왔다. 현재 전 세계적인 COVID-19 팬더믹(pandemic) 상태에서 구리가 코로나바이러스 및 인플루엔자 H1N1 바이러스, 메르스 바이러스를 불활성화시킨다는 증거가 지속적으로 보고되고 있다.

이러한 점을 근거로 의약품에 의한 적극적인 살균, 살바이러스 전략이 아닌 예방의 일환으로 구리를 포함한 은, 비정질 합금에서 항균, 항바이러스 효과가 어떠한 메커니즘을 통해 발생하는지 다각적으로 연구가 진행되고 있다.

현재 경제성을 지닌 구리를 이용한 항균 필름, 항균 마스크 그리고 기타 제품이 이미 생산되고 있지만, 구리는 철과 알루미늄 대비 가격이 비싼 편이고 쉽게 산화하는 것이 단점이다. 또한, 중요한 것은 현재 유행하고 있는 제품들의 항균 및 항바이러스 효과에 대한 구체적인 데이터와 검증이 아직 부족한 형편이다.

따라서 금속제품이 어떠한 이유로 병원체 제거능력이 있는지, 그리고 어떠한 형태로 적용될 수 있는지 구체적으로 알아볼 필요가 있다. 본 글은 항균 및 항바이러스성이 규명된 금속과 그것을 제조하는 기술에 대하여 설명하고자 한다.

■기술의 원리

현재 항균성이 체계적으로 검증된 금속은 구리가 거의 유일하다. 질병 치료제로서의 구리가 기록으로 보고된 것은 역사상 가장 오래된 파피루스로 된 의학 자료(Edwin Smith Papyrus)이며, 이 문서는 기원전 약 1700년경 이집트의 의사가 작성한 것으로 알려져 있다. 이 문서에 의하면 기원전 3200년대에 구리는 영생에 관계되는 물질로 인식되었으며, 이집트인들은 상형문자로 구리를 나타내기 위해 영생을 뜻하는 기호(ankh symbol)를 지정한 것으로 보인다.

또한, 기원전 1600년 고대 중국에서는 심장과 위 그리고 방광의 고통을 진정시키기 위해 구리 동전을 사용했다고 전해지며, 고대 페니키아인들은 전투로 인한 상처의 감염을 막기 위해 청동 검의 부스러기를 상처에 넣었다고 한다.

이외에도 수천 년 동안 고대국가의 여성들은 아이들이 구리 용기를 이용하여 물을 마셨을 때 자주 설사를 하지 않았음을 알아내고, 이러한 지식을 다음 세대에 전수하기도 했다. 은과 금을 포함한 중금속 또한 항균성이 있지만, 구리 원자는 타 금속 원자보다 병원체에 대한 추가적인 살상능력을 발휘한다. 간단하게 설명하면 구리 원자의 최외각 전자는 병원체 내외부의 산화-환원 반응에 쉽게 참여하는 경향이 있고, 따라서 구리 원자는 활성산소 수류탄(molecular oxygen grenade)을 만드는 역할을 한다.

이러한 경향은 구리 다음에 은과 금 순서로 감소하는 경향이 있다. 감각적으로는 구리가 살균 효과가 있다는 것이 여러 문헌과 정보에 의해 잘 알려져 있으나, 구리 및 구리족원소인 은과 금이 어떻게 살균 효과를 일으키는지에 대해 더 정확하게 알아볼 필요가 있다.

살균 또는 항균 효과를 논하기 전에 균(bacteria)이란 무엇인가를 언급하고자 한다. 균은 일반적으로 단세포 생물이다. 균도 생명체이므로 생장과 물질대사를 한다. 이러한 균이 인체에 외부 물질(독)을 도입해 대단위 세포 파괴를 일으키거나 우리 몸 세포의 대사를 방해할 경우 질병의 원인이 된다. 세상에는 너무나 많은 종류의 균이 있다.

그런데 다행히 균은 크게 두 종류로 구분할 수 있다. 하나는 그람 양성균(Gram-positive bacteria) 그리고 다른 하나는 그람 음성균(Gram-negative bacteria)이다. 그람 염색시 감청색에서 보라색으로 염색이 되는 균 그룹은 그람 양성균, 염색이 유지되지 않는 균 그룹은 그람 음성균으로 지칭된다.

그람 양성균의 대표 종으로는 황색포도상구균, 폐렴구균, 나병균, 디프테리아, 파상풍 그리고 탄저균 등이 있으며, 그람 음성균의 대표종은 대장균, 녹농균, 임질균, 살모넬라, 이질, 티푸스, 콜레라, 페스트, 수막염 그리고 백일해 등이 있다. 염색이 되고 안되고를 근거로 균종을 구별하는 것은 언뜻 단순해 보일 수도 있지만, 화학반응과 결합의 관점에서 보면 매우 중요한 근거를 제시한다.

염색시약과 반응하고 그것이 유지되거나 변한다는 것은 화학결합의 세기가 이에 관여하기 때문이다. 세균학의 관점에서는 이외에도 구조적 그리고 화학적 분류가 매우 중요하지만, 세세한 분류와 정보는 매우 복잡하므로 자세한 내용은 본 글에서는 생략한다.

두 종의 균이 대표적인 공통점이 있으므로 외부의 물리적, 화학적 반응에는 각각이 유사한 경향을 보일 것으로 예측할 수 있다. 구리를 포함한 중금속의 항균성을 연구하는 데 있어서 웬만한 실험대상은 그람 양성균과 그람 음성균을 기준으로 나뉘는데, 이는 화학반응과 기전이 각각의 그룹에서 유사하기 때문이다.

다음의 <표 1>에 구리 이온의 그람 양성균 살균 메커니즘을 나타내었다. 구리 이온은 그람 양성균 세포를 구성하는 각 영역을 통과하면서 생체반응을 통하여 HO·, HO-·, ·OOH, O2 그리고 O2- 등 활성 산소종을 발생시키는 것으로 알려졌다. 구체적으로 구리 이온이 그람 양성균 내부의 물질과 반응하여 세포를 변화 또는 사멸시키는 과정은 다음과 같다.

1) 황, 질소, 산소 등 전자밀도가 높은 관능기(funtional group)와 결합하여 염, 구리 complex를 생성한다.

2) 구리 이온은 호흡계 효소군인 효소와 결합하여 산소활성을 저하시키며, 단백질의 SH기와 결합하여 세포의 부상을 초래한다.

3) 구리 이온의 높은 친화성으로 세포 내 단백질을 구리 이온 결합 단백질로 변화시켜 정상 단백질의 생성을 방해한다.

4) 앞서 언급하였듯이 세포 내 각 부분에서 각종 효소와 결합하여 활성산소군을 생성하여 균 내부를 공격한다.

5) 세포질과 결합하여 구리-단백질을 형성하며, 대사기능과 균의 생존에 필요한 단백질 합성을 방해한다. 또한, 구리 이온은 DNA와 결합하여 DNA에도 손상을 가한다.

6) RNA 폴리머라제(polymerase)와 결합하여 RNA 전사개시 반응을 저해하여 세포분열을 방해한다.

이처럼 구리 이온이 그람 양성균에 미치는 메커니즘은 다양하며, 어떤 기전이 더 적극적이고 지배적인지에 대해서는 아직도 연구가 진행 중이다.

구리 이온의 그람 음성균에서의 살균 효과에 대해서는 다음의 <표 2>에 나타내었다. 그람 양성균에 대해서 작용한 것과 마찬가지로 구리 이온은 각 세포 외부를 투과하면서 활성산소종을 생성시킨다. 구체적으로 작용하는 메커니즘은 그람 양성균에서 설명한 내용과 매우 유사하다.

여기서 알 수 있는 사실은 구리가 균의 종류에 상관없이 살균력을 발휘할 수 있다는 사실이다. 물론, 균 또한 종류에 따라 세포벽의 견고함이나, 구성하고 있는 물질의 원자 또는 분자 간 결합력이 다를 것이다. 하지만 현재까지 살균 효과를 가진 대표적인 물질인 항생제의 역할과는 다르기 때문에 즉각적이지는 않지만 어떠한 균에도 살균 효과가 있을 것으로 예상된다.

2020년 초, 신종 코로나바이러스 감염증(코로나 19, COVID-19)에 대하여 세계적인 전염병 대유행(pandemic)이 선언되고, 바이러스 감염에 대한 우려가 심각한 수준으로 확대되었다.

2020년 11월 전 세계 감염자가 3천 5백만명, 사망자가 125만명에 이를 정도로 코로나바이러스가 기승을 부리고 있다. 이러한 현상에 즈음하여 미국, 영국 그리고 중국 등을 기점으로 백신과 치료제 개발에 박차를 가하고 있다.

앞서 박테리아에 대하여는 적극적인 치료법 이외에 예방차원의 금속제품의 이용과 그 살균 메커니즘을 언급하였는데, 바이러스의 경우는 그 메커니즘이 현재까지 정확하게 규명되지 않았지만 여러 권위 있는 의학저널에서 활발하게 다뤄지고 있다.

바이러스는 생물 또는 무생물인지에 대한 논란이 아직도 진행 중이라고 할 수 있다. 바이러스가 스스로 에너지를 생성할 수 있는가와 단독으로 단백질을 생산할 수 없다는 점에서 생물과 다르기 때문이다. 바이러스 입자인 비리온(virion)은 숙주 세포 속에 들어있는 바이러스와 달리 완전한 외피를 갖춘 입자로서, 숙주 세포 밖으로 나가 다른 장기나 개체를 감염시킬 능력을 갖춘 바이러스 형태이다. 다음의 그림에서 바이러스의 다양한 형태를 알 수 있다.

바이러스의 구조를 한 마디로 설명하면 단백질로 둘러싸인 핵산이라고 할 수 있다. 바이러스의 형태는 복합구조(Complex structure), 입방대칭(Cubic symmetry) 그리고 나선대칭(Helical symmetry)을 가지고 있다.

바이러스 구조를 간단하게 나타내면 <그림 3>과 같이 바이러스의 최내부는 핵산(Nucleic acid)으로 구성되어 있고, 핵산을 보호하기 위한 외각 단백질인 캡시드(Capsid)가 있다. 핵산과 캡시드가 결합한 형태는 뉴클레오캡시드(Nucleocapsid)라고 부르며, 이는 바이러스의 기본 구조라고 할 수 있다. 바이러스가 좀 더 복잡하게 진화된 경우 외피(Envelope)를 가진 경우가 있는데, 이 외피의 경우 일반적으로 지질 이중막(Lipid bilayer)을 구성하고 있다.

외피의 유무에 따라 바이러스는 외피 보유 바이러스(enveloped virus), 외피 비보유 바이러스(non-enveloped virus or naked virus)라고 칭해진다. 바이러스 외피의 비활성화가 감염력의 소실을 의미한다는 점에서 이러한 구조에 대한 이해가 중요하다.

앞서 언급한 것처럼 감염력이 있는 완전한 바이러스 입자를 비리온(Virion)이라고 하는데, 외피 보유 바이러스의 경우 외피가 소실 또는 손상될 경우 감염력이 상실된다. 외피 비보유 바이러스의 경우 뉴클레오캡시드가 비리온이 되는데, 감염력을 상실시키기 위해서는 유전자인 핵산을 손상시켜야 한다.

금속을 이용한 살바이러스 효과를 연구한 예는 살균 분야에서와 달리 다른 금속원소에 비해 구리에 한정되어 보고되어 있다. 이는 바이러스를 이용해 실험할 수 있는 환경이 세계적으로 적게 구축되어 있고, 직접적으로 미세한 바이러스를 연구하기 힘들기 때문이다.

순 구리와 황동 표면에 외피 비보유 바이러스(non-enveloped virus or naked virus)를 접촉시켜 바이러스의 비활성화를 연구한 바가 있다. Sarah L. Warnes, C. William Keevil, PLOS ONE| www.plosone.org, September 2013, Volume 8, Issue 9

외피 비보유 바이러스인 노로바이러스(Noro-Virus) 비리온의 뉴클레오캡시드가 구리 이온, 특히 Cu(I) 이온에 의해 손상되는 것과 노로바이서스의 전체적인 RNA 유전자(핵산)가 파괴되는 것이 확인되었다. 또한, 외피 보유 바이러스(enveloped virus)인 Human Coronavirus 229E에 대하여 구리, 스테인리스 합금의 접촉실험을 한 결과도 보고된 바 있다.

외피 비보유 바이러스(non-enveloped virus or naked virus)에서 연구한 바와 마찬가지로 살바이러스 효과가 스테인리스 합금에 비해 구리 표면에서 매우 크다는 것을 보여 주었다. 활성화 산소종이 구리표면에서 생성되어 외피 비보유 바이러스에서 보다 빠른 바이러스 비활성화를 나타내었다.

역시 Cu(I) 및 Cu(II) 이온이 비활성화의 원인으로 작용하였고 구리 및 황동에 있어서 바이러스의 접촉은 유전자를 파괴시키는 것 이외에도 바이러스의 구조를 손상시키고 외피(Envelope)와 세포와 반응하는 스파이크(spike)도 손상시키는 결과를 보여 주었다.

이 두 가지 대표적인 바이러스에 구리 및 구리 합금을 접촉시켰을 경우, 바이러스가 비활성화 되는 것은 구리 및 구리합금이 항균성 및 항바이러스성을 나타내는 충분한 증거라고 할 수 있다. 이에 대한 구체적인 사항은 다음에 소개하고자 한다.

■사회·경제적 관점에서 기술의 중요성 및 전망

신종 코로나 19 바이러스 확산에 대한 의식변화가 새로운 수요를 만들어 내고 있다. 바이러스 2차 감염을 피하기 위한 항균, 제균 그리고 살바이러스 제품에 대한 수요가 눈에 띄게 증가한 것이다.

2020년, 코로나 팬데믹 사태 이후, 국내적으로는 사회적 거리두기(Social Distancing), 국제적으로는 국가 간 거리두기가 강화되고 있다. 국경을 넘나드는 무역과 인적교류가 급격히 감소함으로써 경제에도 심각한 타격을 초래하고 있다.

또한, 배타적 민족주의, 작게는 지역주의가 힘을 얻어 정서적으로도 자신의 울타리 안에 있는 사람들 이외는 배척하려고 하는 삭막한 사회가 되어가고 있다. 물론 국가간 협력 또는 경쟁을 통해 효과적인 백신 및 치료제 개발이 활발하게 진행되어 현재의 위기는 조만간 극복될 것이라고 믿어진다.

현재 일어나고 있는 COVID-19에 의한 세계적인 위기를 극복하더라도 향후 다른 바이러스 및 균에 위한 전 세계적인 위기가 다시 도래할 가능성이 있다. 지금 개발되고 있는 백신과 치료제는 현재의 바이러스에 국한되기 때문에, 다른 바이러스 및 균등 병원체의 출현은 현재의 노력과 비용 그리고 시간만큼 다시 투자되어야만 한다는 것이 전문가들의 의견이다.

물론 의학, 약학 그리고 생화학분야에서 바이러스 및 병원체를 퇴치할 직접적인 방법을 개발하는 것은 전 세계 인류의 사회적·경제적 번영을 위하여 매우 필요한 일이다. 그런데, 간접적인 방법인 바이러스 및 병균의 예방책은 불필요한 시간, 노력 그리고 비용을 감소시킬 수 있고 사회의 고립화와 지역 간의 배척을 줄일 수 있다.

현재의 예방책으로는 국가 차원의 캠페인을 통한 행동습관의 변화, 화학약품을 이용한 단시간적인 방재 등이 이용되고 있다. 그런데, 비교적 장시간 효과가 있는 항균·항바이러스 제품의 개발은 현재 일어나고 있거나 향후 또 발생할 수 있는 생물학적 재해(Biological Hazard)를 예방하는 대책이 될 수 있다.

실제로 예로부터 항균성이 있다고 알려진 구리합금을 응용한 제품이 병원과 일상제품에 사용되고 있다. 현재 사회적 분위기에 편승해 이러한 제품이 항바이러스 효과도 있을 것이라는 예측으로 제품화되고 있다.

하지만 병균(bacteria)과 바이러스는 그 구조와 특성이 매우 다르므로 적절한 검증이 이루어져야 한다. 항균 또는 항바이러스 효과와 원인이 과학적으로 밝혀졌을 경우, 이후 항균, 항바이러스 금속 소재를 이용한 제품은 그 신뢰성과 내구성을 향상시키는 방향으로 발전되어야 할 것이다.

▲ 구리 이온의 그람 음성균에 대한 미세 살균 기전

▲ 그람 양성균과 그람 음성균의 세포벽 구조

▲ 구리 이온의 그람 양성균에 대한 미세 살균 기전

▲ 다양한 형태를 가진 바이러스의 개요도

▲ 대표적인 바이러스의 구조