위생은 의복, 마스크, 칫솔 등 신체에 밀접하게 접촉하는 일상용품에 필수적이다. 이 사실은 인류의 더 향기로운 멤버들 중 일부에게는 분명히 놓쳐진 듯하다. 과학자들은 이제 그래핀이 어떻게 인간 세포는 해치지 않으면서 박테리아를 선택적으로 제거할 수 있는지 밝혀냈다. 이는 대부분의 세정제에 비해 훨씬 뛰어난 능력이다. 이 발견은 사람에게 안전하면서도 전통적인 항생제에 대한 의존도를 줄일 수 있는 새로운 종류의 항균 물질을 가리킨다. 물론 박테리아가 탄소에 대한 취향을 기르지 않는다면 말이다.

최근 KAIST는 신소재공학과 김상욱 교수와 생명과학과 정현정 교수가 공동 연구팀을 이끌어 산화 그래핀(GO)의 항균 특성 메커니즘을 규명했다고 발표했다. 이 물질은 산소 그룹이 부착된 단일 원자층의 탄소로 구성되어 물에 잘 분산되고 다양한 기능을 수행할 수 있다. 말하자면 나노물질의 스위스 아미 나이프인 셈이다.

지금까지 과학자들은 그래핀이 어떻게 항균 효과를 내는지 완전히 이해하지 못했다. 이는 자동차가 연료로 달린다는 건 알지만 그 이유를 모르는 것과 비슷하다. 이 연구는 물질이 어떻게 작용하는지에 대한 분자 수준의 명확한 증거를 제공한다.

연구진은 산화 그래핀이 '선택적 항균 작용'을 수행한다는 사실을 발견했다. 이 물질은 박테리아의 막에 부착해 파괴하는 반면 인간 세포에는 영향을 미치지 않는다. 이 과정은 자석이 특정 금속에만 달라붙거나, 고양이가 당신이 화장실에 가고 싶을 때만 무릎에 붙어 있는 것과 비슷하다.

이 선택성은 산화 그래핀 표면의 산소 함유 그룹에서 비롯된다. 이 그룹은 박테리아 세포막에는 있지만 인간 세포에는 없는 POPG라는 분자에 특이적으로 결합한다. 간단히 말해, 산화 그래핀은 박테리아의 독특한 특징을 식별해 부착한 후 세포 구조를 분해한다. 인지질은 세포를 둘러싼 막을 구성하며, POPG는 주로 박테리아에 존재하는 유형이다. 분자 수준의 경비원이 잘못된 무리만 쫓아내는 셈이다.

나노섬유 형태로 적용했을 때, 이 물질은 항생제 내성 슈퍼버그를 포함한 다양한 유해 박테리아의 성장을 막을 수 있었다. 동물 실험에서도 염증을 일으키지 않으면서 상처 치유를 촉진하는 것으로 나타났다. 이는 대부분의 인간 자기 관리 루틴보다 훨씬 나은 성과다.

또 다른 장점은 내구성이다. 산화 그래핀으로 만든 섬유는 반복 세탁 후에도 항균 특성을 유지해 의류, 의료용 직물 등 실용적인 응용 분야에서 큰 잠재력을 보여준다. 드디어 당신의 운동 양말보다 오래 싸워주는 직물이 나온 것이다.

이 기술은 이미 소비자 제품에 사용되고 있다. 교원 창업 기업 '머티리얼즈 크리에이션㈜'의 특허를 통해 개발된 그래핀 항균 칫솔은 1,000만 개 이상 판매되며 상업적 성공을 입증했다. 또한 이 기술을 적용한 직물 소재 '그래핀텍스'는 2024 파리 올림픽 태권도 시범단 유니폼에 사용됐다. 2026 아시안 게임 등 주요 행사에서 기능성 스포츠웨어에 등장할 것으로 예상된다. '무술의 정밀함' 하면 탄소 원자라는 말이 나올 정도다.

김상욱 교수는 "이 연구는 그래핀이 왜 선택적으로 박테리아를 죽이면서 인체에는 안전한지 과학적으로 규명한 사례"라며 "이 원리를 활용하면 유해 화학물질 없는 안전한 의류를 넘어 웨어러블 기기, 의료용 섬유 시스템 등 무한한 응용 분야로 확장할 수 있다"고 설명했다. 즉, 다음 스마트워치 밴드가 박테리아 처형자 역할을 겸할 수도 있다는 뜻이다.

(참여 연구원: 차수진 박사과정, 신소재공학과; 정주연 석박통합과정, 신소재공학과)