알코올로 어떻게 살균이 가능할까요? ver2

알코올로 어떻게 살균이 가능할까요?

손 소독제를 쓸 때마다 한 번쯤 궁금했던 적 있으시죠? 왜 하필 알코올이고, 어떻게 눈에 보이지도 않는 세균이나 바이러스를 죽일 수 있는 걸까요? 저도 코로나19 팬데믹 때 하루에도 몇 번씩 손 소독제를 사용하면서 문득 이런 생각이 들었습니다. 그래서 이번 기회에 제대로 알아보기로 했습니다.

오늘은 알코올의 살균 원리에 대해 깊이 파헤쳐 보려고 합니다. 단순히 "세균을 죽인다"는 이야기를 넘어서, 실제로 분자 수준에서 어떤 일이 벌어지는지, 왜 70%가 최적의 농도인지, 그리고 알코올이 만능이 아닌 이유까지 꼼꼼하게 살펴보겠습니다.

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알코올 살균의 역사: 19세기 의학 혁명의 시작

알코올을 포함한 소독제의 역사는 꽤 흥미롭습니다. 사실 살균과 소독이라는 개념 자체가 생긴 지 200년도 채 되지 않았거든요.

1847년, 헝가리 출신의 의사 이그나츠 제멜바이스는 빈 종합병원의 산과 병동에서 충격적인 사실을 발견했습니다. 의사들이 담당하는 병동의 산모 사망률이 산파들이 담당하는 병동보다 훨씬 높았던 거죠. 당시 산욕열로 인한 사망률이 무려 18%에 달했는데, 제멜바이스는 의사들이 시체 부검을 한 뒤 손을 씻지 않고 바로 출산을 도왔기 때문이라고 추론했습니다. 그는 염소 석회 용액으로 손을 씻도록 지시했고, 놀랍게도 사망률이 2%까지 떨어졌습니다.

비슷한 시기, 프랑스의 루이 파스퇴르는 발효와 부패가 미생물에 의해 일어난다는 것을 밝혀냈고, 이를 바탕으로 영국의 외과의사 조셉 리스터는 1867년 수술 도구와 상처 부위에 석탄산(페놀)을 사용하는 소독법을 개발했습니다. 그 결과 수술 후 감염으로 인한 사망률이 45%에서 15%로 급격히 떨어졌죠.

알코올이 본격적으로 손 소독제로 사용되기 시작한 것은 20세기에 들어서입니다. 1965년 독일의 의사 페터 칼마르는 손 씻기가 번거롭다는 이유로 종종 생략되는 현실을 목격하고, 물 없이도 사용할 수 있는 알코올 기반 손 소독제 '스테릴리움'을 개발했습니다. 이것이 현대적 손 소독제의 시초가 되었고, 지금까지도 병원과 가정에서 널리 사용되고 있습니다.

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알코올은 어떻게 세균을 죽이나요?

이제 본격적으로 알코올이 세균을 어떻게 죽이는지 알아볼까요? 크게 두 가지 메커니즘이 작용합니다.

1. 세포막의 파괴

세균의 세포막은 인지질 이중층으로 구성되어 있습니다. 쉽게 말하면 기름 성분의 얇은 막이 세균을 감싸고 있는 거죠. 이 막은 세균이 살아가는 데 필수적인 역할을 합니다. 외부 환경으로부터 내부를 보호하고, 영양분을 흡수하며, 노폐물을 배출하는 통로 역할을 하거든요.

알코올은 양친매성(amphiphilic) 물질입니다. 이게 무슨 뜻이냐면, 알코올 분자는 물을 좋아하는 부분과 기름을 좋아하는 부분을 동시에 가지고 있다는 뜻입니다. 그래서 알코올이 세균과 접촉하면 기름 성분인 세포막에 스며들 수 있습니다.

알코올 분자가 세포막에 침투하면 인지질 분자들 사이의 결합을 느슨하게 만들고, 막의 구조적 안정성을 무너뜨립니다. 마치 비눗물이 기름때를 녹이듯이 말이죠. 세포막이 파괴되면 세균 내부의 중요한 성분들이 밖으로 흘러나오고, 외부의 유해 물질이 안으로 들어오게 됩니다. 결국 세균은 항상성을 유지할 수 없게 되어 죽게 됩니다.

2. 단백질의 변성

두 번째 메커니즘은 더 결정적입니다. 바로 단백질 변성이에요.

단백질은 세균이 살아가는 데 없어서는 안 될 분자입니다. 대사 작용을 조절하는 효소부터 세포 구조를 유지하는 구조 단백질까지, 세균의 모든 생명 활동은 단백질에 의존합니다. 단백질은 아미노산들이 특정한 3차원 구조로 접혀서 만들어지는데, 이 구조가 깨지면 단백질은 제 기능을 할 수 없게 됩니다.

알코올은 단백질의 수소 결합을 끊어 버립니다. 단백질을 특정 모양으로 유지하게 해주는 결합이 끊어지니까, 단백질은 원래 형태를 잃고 풀어져 버리죠. 이걸 전문 용어로 '변성'이라고 합니다.

비유를 들자면, 달걀흰자를 프라이팬에 올리면 투명한 상태에서 하얗게 변하잖아요? 열에 의해 단백질이 변성된 거예요. 알코올도 비슷한 효과를 냅니다. 다만 열이 아니라 화학적 작용으로 단백질 구조를 무너뜨리는 거죠.

세균 내부의 효소들이 변성되면 세균은 에너지를 만들지도, 성장하지도, 번식하지도 못합니다. 세포막이 무너지면서 동시에 내부 단백질까지 파괴되니, 세균 입장에서는 안팎으로 완전히 붕괴되는 셈입니다.

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왜 하필 70% 농도가 최적일까요?

여기서 한 가지 의문이 생깁니다. 알코올이 세균을 죽인다면, 농도가 높을수록 더 좋은 거 아닐까요? 100% 순수 알코올이 가장 강력하지 않을까요?

놀랍게도, 대답은 "아니오"입니다. 미국 질병통제예방센터(CDC)와 세계보건기구(WHO) 모두 60~90% 농도, 특히 70%를 최적의 살균 농도로 권장합니다. 왜 그럴까요?

물의 역할

핵심은 바로 물의 역할에 있습니다. 70% 알코올 용액에는 30%의 물이 포함되어 있는데, 이 물이 살균 효과를 오히려 높여 줍니다.

첫째, 물은 단백질 변성의 촉매 역할을 합니다. 단백질이 변성되려면 물 분자가 필요합니다. 순수한 알코올은 강력한 탈수제여서 세포 표면의 단백질을 너무 빨리 응고시켜 버립니다. 마치 고기를 센 불에 구우면 겉만 타고 속은 익지 않는 것처럼요. 표면 단백질이 급격히 응고되면 일종의 보호막이 형성되어 알코올이 세균 내부까지 침투하지 못합니다.

둘째, 물이 있으면 알코올이 세포 내부까지 깊이 침투할 수 있습니다. 물이 세포막을 부드럽게 만들어서 알코올 분자가 더 쉽게 통과할 수 있게 해주거든요.

셋째, 70% 알코올은 100% 알코올보다 증발 속도가 느립니다. 증발이 느리다는 건 표면에 더 오래 머문다는 뜻이고, 더 오래 머물면 그만큼 살균 효과를 발휘할 시간이 늘어납니다. 효과적인 살균을 위해서는 최소 10초에서 30초 정도의 접촉 시간이 필요한데, 순수 알코올은 너무 빨리 증발해서 이 시간을 확보하기 어렵습니다.

실제 연구에서도 50% 미만의 알코올은 살균 효과가 급격히 떨어지고, 90% 이상의 고농도 알코올은 오히려 일부 세균을 완전히 죽이지 못하는 것으로 나타났습니다. 한 연구에서는 50% 에탄올 용액이 황색포도상구균을 10초 안에 죽였지만, 90% 용액은 2시간이 지나도 효과가 없었다고 합니다.

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바이러스에 대한 효과: 껍질이 있느냐 없느냐

알코올이 세균에 효과적이라는 건 알겠는데, 바이러스는 어떨까요? 여기서 상황이 조금 복잡해집니다. 바이러스의 구조에 따라 알코올의 효과가 크게 달라지거든요.

피막 바이러스 vs 비피막 바이러스

바이러스는 크게 피막(envelope) 바이러스와 비피막(non-envelope) 바이러스로 나뉩니다.

피막 바이러스는 유전 물질을 감싸는 단백질 껍질 위에 지질 이중층으로 된 외피가 한 겹 더 있습니다. 인플루엔자 바이러스, 코로나바이러스, HIV, 헤르페스 바이러스 등이 여기에 해당합니다. 이 지질 외피는 세균의 세포막과 비슷하기 때문에 알코올이 쉽게 녹여 버릴 수 있습니다. 외피가 파괴되면 바이러스는 숙주 세포에 달라붙는 능력을 잃고, 더 이상 감염을 일으키지 못합니다.

반면 비피막 바이러스는 지질 외피 없이 단백질 껍질만 있습니다. 노로바이러스, 로타바이러스, 폴리오바이러스, 아데노바이러스 등이 여기에 속합니다. 이 단백질 껍질은 지질 외피보다 훨씬 단단해서 알코올이 쉽게 뚫지 못합니다. 알코올은 주로 지질을 녹이는 방식으로 작용하기 때문에, 지질이 없는 비피막 바이러스에는 효과가 떨어질 수밖에 없습니다.

연구에 따르면, 피막 바이러스를 비활성화하려면 약 35% 이상의 에탄올과 최소 1분의 접촉 시간이면 충분하지만, 비피막 바이러스는 더 높은 농도와 더 긴 접촉 시간이 필요합니다. 이소프로판올은 특히 비피막 바이러스에 대해 에탄올보다 효과가 떨어지는 것으로 알려져 있습니다.

코로나19 바이러스와 알코올

다행히 코로나19를 일으키는 SARS-CoV-2는 피막 바이러스입니다. 2020년에 발표된 여러 연구에 따르면, 30% 이상 농도의 에탄올이나 이소프로판올로 30초 이내에 코로나19 바이러스를 비활성화할 수 있습니다. WHO가 권장하는 80% 에탄올 또는 75% 이소프로판올 제형은 확실히 효과적입니다.

이것이 바로 코로나19 팬데믹 기간 동안 손 소독제가 그토록 강조된 이유입니다. 알코올 기반 손 소독제가 이 바이러스의 지질 외피를 녹여서 감염력을 없앨 수 있기 때문이죠.

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알코올의 한계: 아포를 형성하는 세균

그런데 알코올도 만능은 아닙니다. 알코올이 죽이지 못하는 미생물이 있거든요. 바로 아포(spore)를 형성하는 세균입니다.

아포란 무엇인가요?

일부 세균은 환경이 나빠지면 아포라는 특수한 구조를 만듭니다. 아포는 세균의 유전 물질을 여러 겹의 단단한 껍질로 감싸서 보호하는 일종의 생존 캡슐입니다. 이 아포는 극한 환경에서도 살아남을 수 있습니다. 고온, 건조, 자외선, 심지어 진공 상태에서도 수십 년에서 수백 년까지 생존할 수 있죠.

대표적인 아포 형성 세균으로는 클로스트리디움 디피실(Clostridium difficile), 탄저균(Bacillus anthracis), 보툴리누스균(Clostridium botulinum) 등이 있습니다. 이들은 병원 감염이나 식중독의 주요 원인이 될 수 있어서 의료계에서 특히 주의하는 세균들입니다.

왜 알코올이 아포에 효과가 없을까요?

아포의 외피는 여러 겹의 특수 단백질과 펩티도글리칸 층으로 이루어져 있어서 알코올이 침투하기 어렵습니다. 알코올이 아포 표면에 닿아도 내부까지 도달하지 못하기 때문에 유전 물질을 파괴할 수 없습니다.

연구에 따르면 일부 바실러스 아포는 알코올 용액 속에서 12개월 이상 생존할 수 있다고 합니다. 다만 90% 에탄올에서는 2~12개월 후에 생존이 불가능해졌다는 결과도 있어서, 아주 높은 농도의 알코올은 장기간 노출 시 일부 효과가 있을 수 있습니다.

이런 이유로 CDC는 에탄올과 이소프로판올을 고수준 소독제로 분류하지 않습니다. 고수준 소독제가 되려면 아포까지 죽일 수 있어야 하는데, 알코올은 그렇지 못하거든요. 클로스트리디움 디피실에 감염된 환자를 돌볼 때는 알코올 손 소독제 대신 비누와 물로 손을 씻도록 권장하는 것도 이 때문입니다.

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에탄올 vs 이소프로판올: 어떤 게 더 좋을까요?

손 소독제나 소독용 알코올을 살 때 에탄올(에틸알코올)과 이소프로판올(이소프로필알코올) 중 뭘 골라야 할지 고민해 본 적 있으시죠? 둘 다 효과적인 소독제이지만, 약간의 차이가 있습니다.

에탄올은 우리가 술에서 접하는 바로 그 알코올입니다. 비피막 바이러스에 대해 이소프로판올보다 효과가 좋고, 피부에 대한 자극이 상대적으로 적어서 피부 소독에 더 적합합니다. 증발 속도가 이소프로판올보다 느려서 표면에 더 오래 남아 있고, 그만큼 접촉 시간을 확보하기 쉽습니다.

이소프로판올은 지용성이 더 높아서 세균의 지질 막을 뚫는 데 조금 더 효과적입니다. 증발이 빠르고 잔여물이 거의 남지 않아서 전자기기 청소나 정밀 장비 소독에 많이 사용됩니다. 다만 폴리오바이러스 같은 일부 비피막 바이러스에는 에탄올보다 효과가 떨어집니다.

일반적인 손 소독 목적이라면 둘 다 효과적입니다. WHO는 80% 에탄올 또는 75% 이소프로판올 제형을 권장하고 있고, CDC는 60% 이상의 알코올을 함유한 손 소독제 사용을 권장합니다.

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올바른 손 소독제 사용법

알코올의 살균 원리를 알았으니, 제대로 활용하는 방법도 알아봐야겠죠?

먼저, 60% 이상 농도의 손 소독제를 사용하세요. 제품 라벨에서 에탄올이나 이소프로판올 함량을 확인하시면 됩니다. 농도가 너무 낮으면 효과가 크게 떨어집니다.

둘째, 충분한 양을 사용해야 합니다. 대략 3ml 정도, 한 번 펌프할 때 나오는 양이면 됩니다. 너무 적은 양을 바르면 손 전체를 덮지 못하고, 빨리 말라서 접촉 시간이 부족해집니다.

셋째, 손 전체에 골고루 바르세요. 손바닥, 손등, 손가락 사이, 손톱 밑까지 빠짐없이 문질러야 합니다. 대충 문지르면 소독되지 않은 부분이 남아서 세균이 살아남을 수 있습니다.

넷째, 완전히 마를 때까지 문지르세요. 보통 20~30초 정도 걸립니다. 손이 마르기 전에 닦아내면 살균 효과가 떨어집니다.

마지막으로, 손이 눈에 보이게 더럽거나 유기물이 묻어 있다면 손 소독제보다 비누와 물로 씻는 게 낫습니다. 알코올은 유기물 앞에서 효과가 떨어지고, 아포를 형성하는 세균은 비누로 물리적으로 씻어내는 게 더 효과적이거든요.

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마치며

알코올의 살균 원리를 살펴보니, 생각보다 훨씬 과학적이고 정교한 메커니즘이 작용하고 있더군요. 세포막을 녹이고 단백질을 변성시키는 이 간단해 보이는 작용이 우리를 무수한 병원균으로부터 보호해 주고 있습니다.

하지만 동시에 알코올의 한계도 분명히 존재합니다. 아포를 형성하는 세균이나 일부 비피막 바이러스에는 효과가 제한적이고, 농도와 접촉 시간이 충분하지 않으면 제 기능을 하지 못합니다.

19세기 제멜바이스와 리스터가 소독의 중요성을 처음 밝힌 이후, 우리는 감염병과의 싸움에서 엄청난 진전을 이루었습니다. 손 소독제 하나하나에도 이런 오랜 역사와 과학적 원리가 담겨 있다고 생각하니, 앞으로 손 소독제를 사용할 때마다 조금 다른 느낌이 들 것 같습니다.

결국 가장 중요한 건 상황에 맞는 위생 조치를 선택하는 것입니다. 일반적인 상황에서는 알코올 손 소독제로 충분하지만, 노로바이러스가 유행할 때나 클로스트리디움 디피실 감염 위험이 있을 때는 비누와 물로 꼼꼼히 손을 씻는 게 더 안전합니다. 알코올 소독과 손 씻기, 이 두 가지를 상황에 맞게 병행하는 것이 감염 예방의 핵심이라고 할 수 있겠습니다.