강철 버금가는 인공 거미줄 나왔다

카이스트 연구팀 개발

▲합성된 인공 거미줄의 확대 사진.[사진제공=카이스트]

[아시아경제 정종오 기자] 인공적으로 거미줄을 담은 생체섬유가 개발됐다.

카이스트(KAIST, 총장 강성모) 기계공학과 유승화 교수 연구팀이 컴퓨터 모델링을 이용해 거미줄을 본 딴 인공 생체섬유 개발에 성공했다. 자연에서 생성되는 다양한 생체섬유의 합성과정에 대한 이해가 가능해지고 실제 거미줄에 버금가는 인공 생체섬유의 설계, 제작을 앞당길 것으로 기대된다.

거미줄은 강도가 강철에 버금가고 인성(끊어질 때까지 흡수하는 에너지 양)이 케블라 섬유에 맞먹는 장점이 있다. 거미는 누에처럼 고치를 만들지 않고 서로 영역을 침범하며 싸우기 때문에 사육이 어려워 대량 생산에 한계가 있었다. 이 때문에 기존에는 박테리아 유전자에 거미줄 단백질을 삽입해 생체 섬유를 만들려는 시도가 많았다.

유 교수의 연구는 예측 가능한 모델링을 기반으로 다양한 단백질을 선제적으로 탐색하고 인공 거미줄 설계와 제작과정에 반영했다는 의의를 갖는다. 거미줄은 물속에서 안정성을 갖는 친수성과 반대로 물과 쉽게 결합되지 않는 소수성을 가진 영역이 교차로 존재하는 단백질(펩타이드)들이 가교를 이루며 결합한 구조이다. 거미줄은 거미의 실 분비 기관인 실샘에 존재하는 단백질 용액이 실관을 통과하며 전단유동을 통해 고체화돼 형성된다.

연구팀은 새롭게 개발된 컴퓨터 모델을 이용해 다양한 종류의 단백질 용액의 전단유동 하에서의 변화를 조사했다. 전단유동이란 전단유동유체의 흐름방향과 수직하게 변하는 유속의 분포가 존재할 때 유체 혹은 유체 내의 물질은 전단력을 느끼게 되는데 이런 형태의 유체흐름을 전단유동이라고 한다.

전단유동을 통해 단백질의 아미노산 체인이 충분히 길고 적절한 비율의 소수성과 친수성 영역을 가질 때만 단백질 간의 연결도가 급격히 증가해 높은 강성과 강도를 갖는 생체섬유 합성이 가능하다는 것을 밝혔다.

연구팀은 강한 거미줄 생성 원리가 밝혀지기 시작했기 때문에 앞으로 실제 거미줄 강도에 버금가는 생체 섬유 제작이 가능할 것이라고 전망했다. 또 생체 적합성을 갖기 때문에 인체 내에서도 부작용이 발생하지 않아 바이오메디컬용으로 사용이 가능할 것이라고 기대된다. 궁극적으로는 부작용이 없는 바이오메디컬에 특화된 생체 섬유 제작을 목표로 하고 있다.

미국 매사추세스 공대, 플로리다 주립대, 터프츠 대학과 공동으로 진행한 이번 연구는 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 5월 28일자 온라인 판에 실렸다.

유 교수는 "이번 연구로 체계적 설계를 통한 인공 생체섬유의 제작이 가능함을 증명했다"며 "인공 생체섬유 합성의 새 가능성을 열었다"고 말했다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr