한여름 밤 나무에 매달린 매미를 보면 누구나 “번쩍거리는 투명 날개”를 떠올린다. 그런데 그 작은 날개 속엔 대장균 같은 세균을 찌르고 죽이는 비밀 병기가 숨겨져 있다. 매미 날개 표면을 고배율 현미경으로 들여다보면 촘촘하게 정렬된 나노미터 크기의 돌기(스파이크)들이 빽빽이 돋아 있다. 이 돌기는 두께가 사람 머리카락의 만 이천 분의 일쯤(약 50~200nm)에 불과하지만, 박테리아가 날개에 접촉할 때마다 마치 풍선을 바늘로 찌르듯 막을 뜯어버린다. 실제 실험에서 말매미나 참매미 날개 모양을 본뜬 인공 필름 위에 대장균 현탁액을 부으니 10~20분 만에 세포막이 터지며 대장균이 대량으로 사멸했다.

이 놀라운 항균 효과는 약품 없이도 일어나는 순수한 물리적 살균이다. 미국·호주 연구진은 세균을 죽이는 과정이 화학 작용이 아니라 날개의 구조 덕분임을 확인했다. 세균의 지질막이 돌기 끝에 걸려 위로 끌려오르면, 점점 풍선처럼 늘어나다가 결국 한계점에서 파열되는 원리다. 마치 풍선을 세게 당겨 터뜨리는 것과 비슷하다. 이러한 물리 살균 방식은 항생제 내성균도 무용지물로 만드는 장점이 있다. 실제로 날개를 본뜬 실리콘 혹은 플라스틱 나노기둥을 만들고 대장균을 떨어뜨리자 기둥에 닿은 박테리아가 세포벽이 찢겨 죽었다. 특히 약제 코팅을 더하면 다양한 병원성 세균(예: 리스테리아)까지 함께 제거할 수 있다는 보고도 있다. ‘암살자이자 청소부’가 따로 없는 셈이다.

매미 날개의 이런 ‘스파이크 구조’는 물도 튕겨내는 첨단 방수면 기능까지 함께 갖추고 있다. 물방울이 굴러 떨어지는 효과도 자연스럽게 따라오기 때문에 별도의 코팅 없이 자연 세정 기능을 발휘한다. 다시 말해, 미생물을 죽이고 나면 죽은 세균 잔해마저 표면에 남기지 않는다. 미국 에너지부 연구팀도 똑같이 인공 나노기둥을 만들고 36시간 동안 대장균과 리스테리아를 담은 액체에 담갔다. 그 결과 평평한 플라스틱 판에서는 아무 일도 없던 반면, 나노기둥이 세워진 표면에서는 박테리아가 완전히 제거되는 성과를 얻었다.

인공 나노기술로 확장되는 매미의 비밀

자연의 비밀을 푼 과학자들은 이제 이 구조를 일상에 응용하려 애쓴다. 일본 간사이대의 이토 다케시 교수 연구진은 2018년 이런 돌기 구조를 인공 제작해 살균 효과를 검증했다. 이들은 매미 날개와 똑같은 간격의 나노스파이크가 박힌 실리콘 시트를 만들었고, 대장균과 접촉시키자 순식간에 세균이 사멸했다. 이어서 이토 교수팀은 실리콘 대신 플라스틱 소재로 나노스파이크를 대량 생산하는 연구를 진행 중이다. 약보다 가볍고 큰 면적에도 적용 가능한 플라스틱 기둥 형태로 공장용 필터나 의료용 기구를 만드는 것이 목표다.

국내에서도 한국기계연구원의 나노바이오공학팀 등에서 매미 날개 구조를 모방한 기술을 개발 중이다. 가령 유리나 플라스틱 표면에 연잎이나 나방 눈 구조와 함께 매미 날개형 돌기를 뚫어 항균·방수 표면을 만든다. 이런 표면은 세균이 달라붙기 어려워 주방용품, 병원 기구, 스마트폰 화면 등 위생이 중요한 곳에 적용할 수 있다. 또 다른 응용으로는 세포 포획 기술이 있다. 미세한 돌기 사이에 특정 세포가 걸쳐붙도록 응용하면, 혈액 속 떠도는 암세포를 걸러내는 데 활용할 수 있다. 실제로 연구실 시험에서, 항체 처리된 나노기둥 표면은 암세포를 효과적으로 잡아내면서 정상 백혈구는 밀어내는 결과를 보였다. 매미 날개 디자인 그대로가 아니더라도, 비슷한 나노 구조는 향후 암세포 탐지·연구 기술에도 쓰일 전망이다.

잠깐의 짧은 생을 사는 매미지만, 그 날개가 우리에게 들려주는 과학 이야기는 결코 짧지 않다. 세상 곳곳의 기술자들이 이 매미 날개의 ‘나노 가시밭’에서 아이디어를 얻어 살아 있는 미생물과 싸우는 무기를 만드는 중이다. 어찌 보면, 열흘 남짓 지상에서 우는 작은 매미 한 마리가 우리 삶을 더 깨끗하게 하는 큰 울림을 남기는 셈이다.

참고자료: 매미 날개와 항균 나노구조에 관한 연구 논문 및 기사.