거미줄의 강철과 같은 강도를 밝히다

   미국 노스웨스턴대학교(Northwestern University)와 샌디에이고 주립대학교(San Diego State University, SDSU)의 연구자들은 흑색과부거미(Black widow)가 단백질을 강철 강도의 섬유로 변형시키는 복잡한 과정을 풀어냈다. 북미, 유럽, 아시아, 오스트레일리아, 아프리카 및 남미의 온화한 기후에 서식하는 흑색과부거미류는 뛰어난 소재 특성을 지닌 거미줄을 생산한다. 이 연구결과는 우수한 강도를 갖는 합성 물질을 만드는데 도움이 될 것이다.

<그림 1> 흑색과부거미(Black widow)

   학자들은 오랫동안 거미줄의 단백질을 구성하고 있는 아미노산의 주요 염기서열과 거미줄 섬유의 구조를 연구해 왔다. 선행 연구에서는 거미줄 단백질이 거미줄 형성을 위한 방사기관을 통과하기 전에 나노 사이즈의 구형 양친매성 미셀(수용성 및 비수용성 분자 클러스터)의 형태로 기다린다는 것을 이론화했다. 그러나 과학자들이 이 과정을 모사하기 위해 시도했을 때 천연 거미줄의 강도와 물성을 가진 합성물을 만들 수 없었다. 그것은 견사선이나 방사관에서 단백질이 섬유가 되기 위해 이루어지는 나노스케일의 여러 과정 – 저장, 변형, 이동을 완벽하게 이해하지 못했기 때문이다.

이 연구에서 두 연구팀은 흑색과부거미의 드래그라인 거미줄을 형성하는 첫 번째 단계에 관여하는 미셀의 나노 구조(액체 내의 분자 구조)를 조사하기 위해 서로 다르지만 보완적인 기술을 사용했다. 샌디에이고 주립대학교에서는 핵자기 공명법(Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy, NMR spectroscopy)을 사용하였으며, 노스웨스턴대학교에서는 고해상도 극저온 투과 전자현미경(High-resolution cryogenic transmission electron microscopy, HRTEM)를 사용했다.

   연구팀은 먼저 미셀이 구형 구조로 형성되는지 확인하고자 했다. 생체 분자 구조를 밝히기 위한 두 가지 주요 방법을 통해 미셀의 구조가 가설화되있던 구형 구조보다 더 복잡하다는 것을 확인했다. 이 '변형된 미셀 이론'은 거미줄 단백질이 이전에 생각한 것처럼 단순한 구형 미셀에서 시작하지 않고 복잡한 미셀로 시작한다고 결론을 내렸다. 이 독특한 구조가 흑색과부거미의 고강도 단백질 섬유를 만드는데 영향을 주는 것으로 나타났다. 흑색과부거미의 거미줄은 각 단백질의 무작위 용액 또는 간단한 구형 입자가 아닌 거미 복부에 저장된 단백질의 200 nm ~ 500 nm의 지름을 갖는 계층적 조립 구조로부터 방출된다.

우수한 성능과 비용 효율이 높은 합성 거미줄이 개발 될 수 있다면 군용 및 산업용 제품의 초강력 재료로 사용되거나 플라스틱의 생분해성 대체물로 사용될 수 있으며 생물 의학적 목적에도 적용될 수 있다. 인공 섬유를 생산하기 위해 자연적 과정을 종합적으로 복제할 수 있다면 재료 분야와 공학 분야에 미치는 잠재적 영향은 매우 클 것이며, 이와 같은 재료의 응용분야는 무한하다.

♠ Future textile (Issue 6, 2018)