누에와 거미가 생산하는 실크 섬유는 우수한 강도를 지니고 있다. 한 때 합성 섬유의 모델로서 역할을 했다. 특히 거미의 경우 방탄복 소재로 활용 가능한 합성섬유인 케블라에 상응하는 강도를 갖는다.
이에 따라 누에나 거미가 친환경 공정을 통해 우수한 강도를 갖는 섬유를 생산하는 방사 공정을 모방하려는 시도가 과학기술계에서 꾸준히 이뤄져 왔다.
그러나 누에나 거미의 방사 공정은 단백질로 이뤄진 고농도의 실크 원액을 안정하게 유지하면서도, 방사 순간에는 우수한 물성을 갖는 구조로 변화시키는 과정을 이해하기에 모방이 쉽지 않았다.
서울대 바이오소재공학 전공 이기훈 교수팀은 누에 실샘 내에서 일어나는 특이적 조건을 활용해 인공 실크 방사에 성공했다고 9일 밝혔다.
연구진은 기존 알츠하이머병의 원인으로 지목되는 아밀로이드 베타 단백질의 섬유화 연구 등에서 활용되는 액체-액체 상분리 현상을 실크 단백질에 적용했다.
액체-액체 상분리 현상은 액체 상태의 두 물질이 분리돼 한 물질은 응축된 상태를 구성하고 다른 하나는 희박한 상태를 유지하는 현상을 말한다. 이때 응축된 상태를 구성하는 물질은 유동성을 가지나 쉽게 구조전이가 일어날 수 있는 상태에 놓이게 된다.
연구진은 누에 실샘 내에서 다량으로 존재하는 칼슘 이온이 실크 단백질을 응축된 상태로 상분리시킬 수 있다는 점을 발견했다. 이 상태에서 실크 단백질은 6배 이상 농축됐으나 여전히 유동성을 유지해, 기존 연구에서 발생했던 비가역적 침전 등의 문제를 해결했다.
연구진은 누에 실샘 내의 환경과 유사하게 산성화를 유도했고, 그 결과 실크 단백질 응집체들이 서로 연결되며 전단력을 가하는 경우 섬유로 구조가 바뀌는 것을 확인했다.
연구진은 연구 결과를 바탕으로 아무런 장치 없이, 단지 실크 단백질 용액을 집어 올리는 것만으로 섬유 생산이 가능함을 입증했다.
연구진은 아직 섬유 강도가 상용화기엔 충분하지 않지만, 인공 실크 생산을 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 앞으로는 강도 증진을 위한 연구에 집중할 계획이다.
섬유업계는 많은 에너지와 유기용매를 소모하는 합성 섬유 제조 공정이 온실가스 배출과 환경오염 등의 원인으로 지목되면서 친환경 공정 개발에 열을 올리고 있다. 이런 점에서 이번 연구는 향후 친환경 섬유기술 발전에 적지않이 기여할 것으로 보인다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, 다학제 분야에서 세계적 권위를 인정받는 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈에 지난 11월 29일에 공개됐다.
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