거미줄의 과학

연구자들은 자연에서 찾을 수 있는 가장 강력한 소재 중 하나를 합성해낼 수 있는 방법에 근접해 가고 있다.

Rebecca Lambert
19 October 2014

유연하지만 강하며 생체적 합성물이라는 특성 때문에 거미줄은 자연에서 찾아볼 수 있는 소재 중 가장 주목 받는 존재 중 하나다. 오늘날 연구자들은 합성 거미줄을 대량 생산하여 상업화하는 방법을 개발 중이다.

독일 하노버 의과대학 소속 과학자 들은 힘줄과 신경 손상을 치료하 는데 거미줄을 활용할 수 있는 방법을 탐구하고 있다. 최근 연구진은 한 대형 동물의 6cm 크기 경골 신경 손상 부 위를 거미줄을 이용하여 연결했고 해당 신경은 불과 10개월만에 재생되었다.

하노버 의과대학의 성형, 손 및 재건 전문 외과 생물학 교수인 케르스틴 라이머스 (Kerstin Reimers)는 "현재 거미줄을 봉합 사나 거즈 같은 외과용 용품에 적용해 신 경 및 피부 치료의 수단으로 활용할 수 있을지 여부를 검토하고 있습니다. 거미줄 은 나일론보다 강하지만 면역원성이 낮습 니다. 따라서 치료 과정에 주목할만한 효 과를 나타낼 수 있습니다."라고 말한다.

단위당 강도가 강철 및 케블라 섬유보다 강하고 고무보다 더 유연한 거미줄은 항 균성, 생체적합성 및 생분해성을 갖추고 있다. 이러한 특성과 그 밖의 여러 특성으 로 인해 거미줄은 의료 및 군사 용도(방탄 조끼), 산업 용도(고강도 케이블, 박막 필 름 및 코팅)로 테스트되면서 소재 연구에 서 가장 뜨겁게 달아오르고 있는 주제가 되었다.

무한한 응용 분야

20년 넘게 거미줄 유전학 연구에 몰두해 온 캘리포니아대학교 리버사이드 캠퍼스 의 생물학 교수 셰릴 하야시(Cheryl Hayashi)는 거미줄에 대하여 이렇게 설명 한다. "거미줄도 다양합니다. 대부분은 강 력하고 잘 늘어나며 내구성이 강합니다. 이러한 특성은 거미줄의 강도를 놀라울 정도로 높입니다. 무게가 거의 없다는 점 을 감안하면 특히 더욱 놀라운 일입니다. 품질 좋은 실이나 편물을 만드는데 사용 되는 거미줄은 다른 소재와 혼합될 수 있 어 의료용, 산업용, 소비자 상품용 등 모 든 용도로 사용될 수 있습니다."

가장 큰 난관은 충분한 양을 생산하는 일 이다. 누에와는 달리 육식을 하는 거미는 누에처럼 대량으로 사육할 수 없기 때문 에 대량 생산이 불가능하다. 예를 들어 2012년 런던의 빅토리아 앤드 앨버트 박 물관(Victoria and Albert museum)에 전 시되었던 길이 2m(6.5피트)의 숄과 망토 를 짤 수 있는 거미줄을 얻으려면 100만 마리가 넘는 Madagascar Golden Orb 거미와 8년의 시간이 필요하다.

하노버 의과대학은 거미를 사육해 까다로 운 과정을 통해 거미줄을 추출하고 있다. 거미 한 마리는 한번에 최대 200m(656피 트)의 거미줄을 생산할 수 있지만 상업용 으로 사용하기에는 그 양이 충분하지 않 다. 따라서 과학자들은 살아 있는 거미가 필요하지 않는 합성 거미줄 생산 방법을 연구하고 있다.

하이브리드 거미줄을 생산하는 ‘몬스터 실크’ 누에 (이미지 제공 © 크레이그 바이오크래프트 연구소)

유전자 서열에서 돌파구를 찾다

2011년 미국 유타주립대학교 합성생체물 질센터에 합류한 랜디 루이스(Randy Lewis)는 거미줄 단백질을 생성하는 유전 자를 분리해 합성 거미줄 생산에 새로운 길을 개척하고 있다. 미국 와이오밍대학 교의 분자생물학 교수로 재직할 당시 랜 디 루이스는 유전자를 다른 유기체에 이 식했고 유전자를 이식 받은 염소 젖에서 거미줄 단백질 성분을 얻었다. 염소 젖에 서 얻은 단백질로 섬유를 자아내자 천연 거미줄의 특성 중 일부를 포함한 섬유를 얻을 수 있었다.

“거미줄은 나일론보다 강하지만 면역원성이 낮습니다. 따라서 치료 과정에 주목할만한 효과를 나타낼 수 있습니다.”

케르스틴 라이머스
하노버의과대학의 성형, 손 및 재건 전문 외과 교수

또한 랜디 루이스와 그 연구진은 박테리 아에서 거미줄 단백질을 생산하는 방법도 연구 중이다. 2014년 연구진은 두 가지 돌 파구를 찾아냈다. 랜디 루이스는 이렇게 말한다. "첫 번째 돌파구는 발효기를 통해 생산할 수 있는 박테리아의 양을 4배에서 6배까지 늘렸다는 점이고 두 번째는 각 박테리아가 생산하는 단백질의 양을 4배 늘렸다는 점입니다. 그 결과 생산 능력이 10배 가량 증가하게 되었습니다."

발효 박테리아에서 얻은 견사

일본 게이오대학교으로 부터 분리된 기업 인 스파이버(Spiber)는 천연 견사를 형성 하는 단백질인 합성 피브로인에서 창조된 소재인 Qmonos를 생산했다. 미생물 발효 과정에서 형성되는 Qmonos는 섬유, 필 름, 젤, 스폰지, 파우더 형태로 만들 수 있 고 자동차, 항공우주, 의료 산업용으로 개 발될 수 있다.

스파이버의 마케팅 매니저인 켄지 히가시 (Kenji Higashi)는 이렇게 말한다. "지금까 지 스파이버가 설계하고 합성한 Qmonos 는 400여 종이 넘습니다. 2013년 11월 당 사는 첫 번째 프로토타입 생산 공장을 완 성해 생산 프로세스를 시험하면서 조율하 고 있습니다. 향후 몇 년 안에 전 세계 시 장에 첫 번째 Qmonos 제품을 내놓을 수 있을 것으로 전망합니다."

“거미줄은 그 자체로 훌륭한 필라멘트 및 직물을 생산하는데 사용될 수 있을 뿐 아니라 모든 종류의 의료, 산업, 소비자 용도에 혼합 적용될 수 있습니다.”

셰릴 하야시
캘리포니아 대학교 리버사이드 캠퍼스 생물학 교수

그 사이 독일 기업 암실크(AMSilk)는 산 업적 규모로 거미줄 섬유를 생산할 수 있 는 독자적인 프로세스를 개발했다. 2013 년 11월부터 암실크는 거미줄 단백질을 생 산해 화장품 업계에 판매하기 시작했다.

암실크의 사장 겸 과학 및 기술 개발 책 임자인 린 뢰머(Lin R¨omer)는 이렇게 말 한다. "당사는 현재의 프로세스를 통해 거 미줄 섬유를 상업화하는 것이 가능하다는 사실을 입증했습니다."

황금 무당 거미가 유타주립대학교의 유전자 이식 염소가 생산한 거미줄 단백질로 자아낸 실 뭉치 위에 앉아 있다. (이미지 제공 © 유타 주립대학교)

혁신적인 직물

거미줄 분야의 또 다른 선두주자는 미국 미시건주 랜싱 소재 크레이그 바이오크래 프트 연구소(Kraig Biocraft Laboratories) 이다. 크레이그 바이오크래프트 연구소에 서 개발한 유전자 이식 누에는 거미줄 단 백질을 생성할 수 있고 그러한 단백질을 강도 높은 섬유로 만다는 까다로운 작업 을 처리할 수 있다. 크레이그 바이오크래 프트 연구소는 이미 미국에 본사를 두고 있는 보호 소재 제조업체인 Warwick Mills와 공동으로 합성 거미줄로 만든 직 물 개발에 나선 상태이다.

크레이그 바이오크래프트 연구소의 설립 자 겸 CEO인 킴 톰슨(Kim Thompson)은 "거미줄 단백질을 합성 생산하는 데는 성 공했지만 단백질 섬유를 대규모로 생산하 는 문제는 아직 해결되지 않았습니다. 상 업적인 섬유 생산 플랫폼으로 사용되고 있는 누에를 통해 거미줄을 생산하는 방 법이 가능한 해결책이 될 것으로 생각합 니다."라고 말한다.

킴 톰슨은 미국 인디애나주 노트르담대 학교의 분자생물학 및 유전학 교수인 말 콤 프레이저(Malcolm Fraser) 박사와 함 께 유전자 접합 기술을 활용해 거미줄을 생산하는 누에를 만들었다. 2010년 킴 톰 슨은 거미/누에의 하이브리드 섬유를 생 산하는 최초의 '몬스터 실크'부화에 성공 했다.

실제 섬유보다 나을까?

지금까지는 천연 거미줄의 모든 특성에 필적하는 합성 섬유를 생산하지 못하고 있지만 점차 근접해지고 있다.

유타주립대학교의 랜디 루이스는 "케블라 에 필적하는 수준의 섬유를 개발했지만 천연 거미줄 성능에는 절반 정도밖에 미 치지 못합니다."라고 말한다. 스파이버 역 시 낙관적인 견해를 피력한다. 하지만 케 지 히가시는 자신들이 개발한 다양한 Qmonos는 강도 면에서 천연 거미줄을 능가한다고 설명한다.

킴 톰슨은 크레이그 바이오크래프트가 천 연 거미줄에 필적하는 혹은 더 나은 특성 을 지닌 합성 거미줄 생산에 곧 근접할 것이라고 내다본다. "자연은 우리가 하는 모든 일에 영감을 주었습니다. 그러나 그 것을 넘어서지 못하는 것은 아닙니다."◆

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