나노미터란 1미터를 10억 개로 나눈 길이에 해당한다. 2002년 독일 연방교육연구부(BMBF)에서 발간된 자료는 ”나노기술(nanotechnology)이란 1000nm 이하의 미세 기능적 구조들을 생산, 연구, 응용하는 것“이라고 정의했다. 나노기술은 미래 사회에서 인류 문명을 근본적으로 변화시킬 새로운 패러다임으로 정보, 재료, 에너지, 환경, 의학, 생명공학 등 각종 분야에서 활발히 응용되고 있다. 하지만 최근 몇 년 간 나노기술이 인간과 환경에 야기할 수 있는 위험성이 제기되면서 나노기술의 개발이 사회적 논란의 대상이 되고 있다.
특히 의료 분야에 적용될 나노물질이 생체 시스템과 어떻게 상호작용하는지를 이해하는 것은 매우 중요하다. 규명된 기전을 통하여 최소의 독성을 얻기 위해 나노물질의 표면 성질을 어떻게 합리적으로 변화시킬 것인지, 나노입자 기반의 약물 전달 시스템을 어떻게 고안할지 등이 결정되어야 한다.(GTB2007030942)
성장하는 신체에 대한 연구들이 나노입자(nanoparticle)가 여러 가지 유형의 세포로 쉽게 침투될 수 있다는 사실을 보여주었지만, 입자 단독으로 세포 내에서 문제를 야기하는 것은 아니라고 추정되고 있다. ES&T`s Research ASAP 웹사이트에 4월 25일 발표된 연구는 나노입자를 함유하고 있는 유해 중금속(harmful metal)이 독성(toxicity)을 증가시킨다고 제안했다.
스위스 취리히에 위치한 연방공과대(ETH, Swiss Federal Institute of Technology)와 스위스 연방 재료연구소(EMPA; Swiss Federal Laboratories for Materials) 연구진은 인간 폐의 상피 세포에 금속을 함유한 나노입자를 노출시켜 활성산소(ROS; reactive oxygen species) 수준을 측정했다. 과도한 반응성 분자는 산소성 스트레스(oxidative stress)와 세포의 손상을 초래하기 때문에 독성학자들은 ROS 생성을 이용하여 나노입자 독성의 메커니즘을 규명했다.
30ppm의 산화코발트(cobalt oxide) 및 산화망간(manganese oxide) 나노입자에 노출된 세포에서 동량의 코발트염 또는 망간염에 노출된 제어 세포에 비교하여 ROS는 8배 더 많이 생성됐다.
기능성 물질 연구소(Functional Materials Laboratory) 책임자이며 이 연구의 저자인 Wendelin Stark은 세포막이 이온에 대하여 선택적 방어벽(selective barrier)을 제공하여 해리된 금속염의 침투를 방해한다고 설명했다. 그러나 일단 금속을 함유한 나노입자가 세포로 침투하면 각 금속 이온은 입자로부터 스며 나와 세포 내부에서 ROS를 생성시키며, 이러한 기전을 트로이 목마(Trojan horse) 메커니즘이라 명명한다고 Stark은 밝혔다.
미국 듀크대학(Duke University) 환경시스템공학과 교수인 Mark Wiesner는 세포에 ROS가 초래하는 효과와 생성되는 ROS의 유형에 대한 더 세부적인 정보가 요구된다고 지적했다.
순수한 금속 산화물 연구에 덧붙여 Stark과 연구진은 20~75나노미터(nm, nanometer) 크기의 실리카 나노입자를 함유한 0.5wt %, 1.6wt %의 티타늄, 철, 코발츠, 망간 등을 처리한 실험을 수행하여 이러한 전이 금속(transition metal)이 종종 산화환원반응(redox reaction)에 이용된다는 것을 확인했다. 연구진은 촉매 반응에서 그들의 상대적인 활성과 관련된 4개의 다른 전이 금속을 함유한 나노입자의 세포 밖 행동양식을 발견했다. 티타늄으로 처리한 입자가 가장 적은 ROS를 생성시켰으며 코발트와 망간을 함유한 입자는 철로 처리한 입자보다 상당히 더 많은 ROS를 생성시켰다.
Stark은 그의 결과가 나노입자의 독성이 우려되는 성장하는 신체에 대한 증거를 보여주었지만, 그들이 아직까지 초기 상태에 있다고 강조했다. 그는 유전자독성(genotoxicity)을 평가하기 위한 실험을 이용하여 세포에 대한 ROS 생성 효과를 조사하고 다른 잘 알려진 독성 물질과 나노입자의 행동양식을 비교하기 위하여 자신의 연구를 확대할 계획이다. Stark은 잠재적인 나노입자의 독성 평가가 새로운 기술의 전개에서 초기에 수행되어야 한다고 주장했다.
이 실험은 유해 중금속이 나노입자와 결합하여 신체 내에서 독성을 초래할 수 있다는 위험성을 ROS 생성 수준을 이용하여 측정 및 제시했다. 나노기술의 위험성이 다양한 분야에서 제기되고 있지만 현재까지 정확한 기전이나 위험의 정도에 대한 명확한 규명이 이루어지지 않고 있어서 나노기술의 산업화와 응용에 걸림돌이 되고 있다. 그러나 이 연구를 통하여 다양한 중금속에 대한 위험성이 일부 증명됐으며, 이 연구를 근간으로 심도 있는 유전자독성 연구가 수행될 수 있을 전망이다.
오레곤 대학(University of Oregon) 화학과 교수인 James E. Hutchison은 과학자들이 현재의 나노재료를 창출하는 발견 단계로부터 더 효율적이고 폐기물을 감소시키는 생산 단계로 진보하기 위한 예방적인 접근을 강조하여 나노기술의 독성 평가가 초기에 수행되어야 한다는 Stark의 주장과 일치하는 의견을 밝힌 바 있다. 그는 환경을 파괴하지 않고 지속할 수 있는 세계에서 진보하는 나노기술에 대한 가장 안전한 미래는 녹색화학(green chemistry)을 이용하여 달성해야 한다고 주장했다(GTB2007020909).
나날이 진보되는 과학 기술의 적용에 앞서 건강 및 환경 영향을 검증할 수 있는 자세가 요구되며 검증된 기술만이 인간의 생활을 윤택하게 할 수 있다는 전제 조건을 반드시 기억해야 할 것이다. 환경을 유지 지속시키려는 책임 의식과 동일 선상에 있는 것이 녹색화학이며 환경 영향을 최소화할 수 있는 한 가지 방안으로 고려해볼만 하다.