자연의 거미처럼 거미줄 칠 수 있는 청색기술 인공 거미줄 개발

따뜻한 초여름부터 가을에 이르기까지 우리는 숲속이나 마을의 집 지붕과 담장 사이에 진을 치고 있는 거미줄을 심심치 않게 보게 된다. 그런데 이들 거미줄이 거미만의 전유물일까?

이제는 아니다. 거미줄의 복잡한 분자 구조를 모방한 청색기술 덕분인데, 과학자들이 세계에서 가장 질긴 섬유 중 하나인 거미줄을 생산하기 위해 거미의 생산 과정을 모방한 인공 실크샘(silk gland)에서 실크를 뽑아내는 데 성공했기 때문이다. 과학자들은 이 획기적인 발견이 마침내 적응성이 뛰어나고 실생활에서 널리 사용되는 소재를 생산할 수 있는 큰 진전이라고 믿고 있다.

그 이유는 과학기술 분야 국제종합지인 '네이처 커뮤니케이션(Nature Communicatios)'가 일본 이화학연구소(RIKEN)의 지속가능 자원과학센터와 선도연구 클러스터의 연구원들이 거미에서 일어나는 물리적, 화학적 변화를 반영하도록 설계된 인공 실크샘을 제작하는 새로운 접근 방식을 통해 이 같은 성과를 달성했다고 22일 밝혔기 때문이다.  그러나 그 과정이 결코 쉽지만은 않은 일이었다고 한다.

이러한 복잡한 생물학적 과정을 복제하는 것이 어렵기 때문에 인공 거미줄을 만드는 것은 매우 어려운 일이다. 생체 고분자 섬유는 '스파이드로인(spidroin)'이라고 불리는 매우 반복적인 서열을 가진 큰 단백질로 구성되어 있다. 그리고 실크 섬유 내부의 분자 구조인 다수의 베타 시트(Beta sheet)를 정렬해야 실크의 인상적인 특성을 얻을 수 있다.

또한 이 인공 실크샘에는 단백질이 실제처럼 보일 뿐만 아니라 작동하는 실크 섬유로 스스로 자기조립될 수 있도록 정밀한 미세유체 메커니즘이 필요했다.

RIKEN에서 이번 연구를 주도한 누마타 케이지(Keiji Numata)는 "이 연구에서 우리는 좁은 채널을 통해 소량의 유체를 흐르게 하고 조작하는 미세 유체학을 사용하여 자연적인 거미줄 생산을 모방하려고 시도했다"며 "실제로 거미의 실크샘은 일종의 자연적인 미세유체 장치로 기능한다고 말할 수 있다"고 설명했다.

길이를 따라 홈이 파인 직사각형 상자를 닮은 이 인공 실크샘(사진)은 복잡한 과정이 자연에서처럼 작동할 수 있는 적절한 환경을 조성하기 위해 많은 시행착오를 거친 결과물이다. 이러한 오류 중 하나는 미세유체 시스템을 통해 단백질을 밀어내기 위해 힘을 사용하는 것이었는데, 스피드로인 용액을 장치를 통해 끌어내기 위해서는 음압이 필요했다.

하지만 연구팀은 이 장애물을 극복한 후 베타 시트가 정렬된 연속적인 실크 섬유를 만들어 자연과 유사한 특성을 부여할 수 있었다.

이번 연구의 공동 저자인 수석 과학자 알리 말레이(Ali Malay)는 "다양한 조건을 설정하고 최적화한 후 미세유체 시스템이 얼마나 견고한지 놀라웠다"면서 "섬유 조립은 자발적이고 매우 빠르며 재현성이 높았는데, 중요한 것은 섬유가 천연 실크 섬유에서 볼 수 있는 뚜렷한 계층 구조를 보였다는 점"이라고 강조했다.

'높은 재현성'은 매우 중요한 속성으로, 복제에 성공한 거미는 확장성 문제가 있었고 거미를 양식하는 것은 물류 및 생물학적 이유로 거의 불가능했었다. 실크를 저렴하고 효율적으로 생산할 수 있다면 환경에 해를 끼치는 섬유 산업에 혁명을 일으킬 수 있으며, 생체 적합성 덕분에 봉합사, 인공 인대, 접합 수술 등 다양한 의료 용도에 이상적인 후보가 될 수 있습니다.

누마타는 "이상적으로는 실제 세계에 영향을 미치고 싶다"며, "이를 위해서는 섬유 생산 방법론을 확장하여 이를 지속적인 프로세스로 만들어야 하고, 또한 여러 지표를 사용하여 인공 거미줄의 품질을 평가하고 이를 바탕으로 더욱 개선해 나가야 한다"고 남은 과제를 말했다.