울산과학기술원(UNIST)은 세균처럼 미세하지만 스스로 이동할 수 있는 입자들의 통계 분포 원리를 세계 최초로 밝혀냈다고 13일 밝혔다.

일반적으로 물과 기름처럼 섞이지 않는 두 액체 사이에서 미세 입자들은 에너지가 낮은 쪽으로 모이는 분포 법칙을 따른다. 그러나 이번 연구를 통해 세균만큼 작더라도 자체 운동성이 있다면 이런 통계 법칙을 벗어날 수 있다는 사실이 입증됐다.

정준우 UNIST 물리학과 교수, 로버트 미첼 생명과학과 교수, 쇼 타카토리 미국 스탠퍼드 대학 교수 공동 연구팀의 이번 성과는 물리학 권위지인 피지컬 리뷰 레터스에 9월 16일 온라인 게재됐다.

연구팀은 살아있는 세균의 분포를 결정짓는 핵심 요소로 운동성과 특정 액체상에 대한 선호도를 꼽았다. 세균이 특정 액상에 끌리는 힘은 해당 액상에 가두려 하고, 세균의 운동성은 빠져나오게 하는 경쟁 관계를 이룬다.

이 두 힘을 정량적으로 분석해 세균 분포를 설명하는 이론 모델이 만들어졌다. 광학집게 기술로 측정한 결과, 세균이 특정 액상에 끌리는 힘은 1피코뉴턴(1pN) 수준이었다. 이는 머리카락 한 올이 받는 중력의 1000만분의 1에 해당한다.

반면 세균의 추진력은 10피코뉴턴 수준으로, 자체 운동력으로 특정 액상에 가두는 힘을 충분히 극복할 수 있는 것으로 나타났다.

실험은 청국장 발효균인 고초균을 덱스트란과 폴리에틸렌글리콜 수용액으로 구성된 수계 2상 시스템에 투입하는 방식으로 진행됐다.

물에 덱스트란과 폴리에틸렌글리콜을 녹이면 서로 섞이지 않아 분리된 두 액체상이 형성된다. 고초균 표면은 당 성분으로 둘러싸여 있어 본래 덱스트란 수용액상에 끌리지만, 표면 처리를 통해 선호도를 바꿔 폴리에틸렌글리콜상에 끌리게 할 수도 있다.

실험 결과 움직이지 않는 고초균은 선호하는 한쪽 상에만 집중된 반면, 살아있는 고초균은 양쪽 상에 균등하게 분포했다. 이는 기존 입자 분포를 지배하던 열적 요동만으로는 설명할 수 없는 현상이다.

천지용 물리학 박사와 최규환 박사후 연구원이 제1저자로 참여한 이번 연구에 대해 연구팀은 "물리, 화학공학, 미생물학을 넘나드는 협업을 통해 비평형 상태 콜로이드 입자 분포 법칙에 작용하는 힘을 최초로 정량화했다"고 설명했다.

정준우 교수는 "세균이 체내 특정 조직에 자리 잡는 원리를 이해하는 실마리를 제공할 뿐 아니라 단백질 정제, 바이오칩 설계, 미세 로봇 제어 개발 등에도 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단, 미국 국립보건원, 미국 국립과학재단, 미국 공군연구소, 미국 팩커드 펠로우십의 지원을 받았다.