거미줄, 방탄복에서부터 신경재생까지 다양한 활용

거미줄, 방탄복에서부터 신경재생까지 다양한 활용

1. 생물모방(생체모방, 자연모사)란?

 

38억 년 동안 지구에서 살아남은 생물은 모두 환경에 맞춰 제 나름대로의 생존전략을 가지고 있습니다.

마다가스카르 사막 가장자리에 사는 바오밥나무는 세상에서 가장 크고 오래 사는 식물 중 하나로, 높이가 무려 20m까지 자라고 2천 년 가까이 사는 것으로 알려져 있습니다.

바오밥 나무가 이처럼 오래 살 수 있는 이유는 물이 부족한 환겨에 적응하기 위해서 광합성을 할 때 물을 아주 조금만 사용하고 또한 물을 찾아 뻗어나가는 크고 튼튼한 뿌리를 가졌기 때문입니다.

이런 최적화된 자연의 아이디어를 벤치마킹하는 과학이 있습니다.

영어로는 바이오매미크리(biomimicry)또는 바이오미메틱스(biomimetics) 우리말로는 생물모방 또는 생체모방 혹은 자연모사라고 합니다.

쉽게 말하자면 자연에 있는 아이디어가 이미 오랜 세월 동안 자연선택의 혹독한 검증을 끝낸 것이기 때문에 그것을 가져다 우리의 삶에 응용해 보자는 것입니다.

2. 방탄소재로 활용되는 거미 실크를 얻을 수 있는 거미염소

2.1 거미 염소란?

그 시작은 '총알이 뚫지 못하는 방탄복을 만들 수 없을까?' 하는 의문에서 출발합니다.

이런 생각에서 거미실크를 이용한 소재를 개발하려는 연구가 진행 중입니다.

미국 유타 주 로건에 있는 유타주립대학교 '애니멀 사이언스 팜'이라고 하는 아주 독특한 동물농장이 있습니다.

거미염소

위 사진에 보는 바와 같이 겉으로 보면 평범해 보이는 이 염소들은 세상에서 유일한 종류의 염소들입니다.

생김새나 먹는 것 그리고 하는 행동은 여느 염소가 다를 바가 없지만 그 차이는 유전자에 있습니다.

거미 실크 유전자를 젖에 가지고 있는 형질 전환 염소들입니다.

염소의 유방 세포 안에 거미줄 단백질을 합성하는 유전자를 이식해서 염소젖에서 거미줄 단백질을 분리해 거미 실크를 생산해 낼 수 있습니다.

이처럼 거미 유전자를 이식했다고 해서 일명 '거미 염소'라고 불립니다.

랜디 루이스

거미 염소를 개발한 '랜디 루이스' 교수는 30년 가까이 거미줄 연구에 매진해 왔으며 그는 거미 실크를 생산하는 데는 몇 가지 문제가 있다고 말하고 있습니다.

우선 거미는 영토 전쟁을 하고, 둘째로는 동족을 잡아먹는 습성을 가지고 있어 다른 개체와 함께 살 수 없으므로 노에를 사육하듯 여러 마리를 한 공간에 두고 키울 수가 없습니다. 

이렇듯 거미는 집단 사육을 할 수 없거니와 사육해서 거미 실크를 얻기에는 거둬들일 수 있는 양이 턱없이 적습니다.

그리고 같은 거미에서 분비됐어도 거미줄은 위치와 기능에 따라 7가지 종류가 있으며 그중에서도 거미집을 지탱해 주는 버팀목 역할을 하는 드래그라인 실크가 가장 강한 것으로 알려져 있습니다.

랜드 루이스 교수는 드래그라인 실크를 얻기 위해 염소를 선택했습니다.

2. 2 왜 하필 염소였을까요?

거미 실크를 생산하려고 염소를 이용하는 것이 이상적인 것은 아니지만 염소는 6개월이 지나면 새끼를 낳을 수 있고 그로부터 5개월이 지나면 염소젖을 생산할 수 있어 전체 과정이 약 1년이면 되기 때문에 생산적인 측면에서는 현재 나와 있는 다른 방법들보다 훨씬 좋기 때문입니다.

 

소의 경우 우유를 짤 때까지 걸리는 시간이 2년 반이 걸리는 것과 비교하면 그 기간이 얼마나 경제적으로 효율적인지 알 수 있습니다.

또한 염소는 염소에게 주는 먹이의 부피만큼 염소젖을 만들어 내기도 합니다.

2.3 거미 실크 생산 과정

거미 염소가 새끼를 낳으면 그중 절반은 거미 염소로 태어납니다.

연구진은 하루에 두 번 염소젖을 짜는데, 염소마다 차이는 있지만 한 번에 4리터 정도의 염소젖을 얻을 수 있습니다.

거미염소 젖

일반 염소젖처럼 보이지만 거미 실크 단백질이 하나 더 추가된 젖으로 염소젖 1리터당 거미 실크 단백질을 2그램 정도 추출할 수 있습니다.

대량 생산 체계를 갖추기 위한 연구이다 보니 생산량을 철저히 관리하고 있으며, 각각의 단백질 성분이 다를 수 있기 때문에 염소마다 젖을 따로 보관합니다.

그리고 염소젖에서 거미 실크 단백질을 분리하는 기기를 통해 거미 실크 단백질을 분리해 냅니다.

그 첫 번째 단계는 염소젖에서 지방을 분리하는 것입니다.

거미 실크 단백질 분말

다음으로 염소젖 단백질과 거미 실크 단백질을 분리하는 과정을 거치고 그렇게 추출한 단백질을 동결건조시키면 거미실크 단백질 분말을 얻을 수 있습니다.

수중 방사 장치(Wet Spinning)

이 거미 실크 단백질을 녹인 용액을 세밀한 바늘을 통해 물속에 분사하면 거미줄 같은 가느다란 실이 만들어집니다.

방적단계의 설정에 따라서 실의 강도와 탄성을 조절할 수 있습니다.

2.4 거미 실크 생산 이유

이러한 복잡한 과정을 거쳐 거미 실크를 생산하려는 이유는 무엇일까요?

거미줄이 사람들의 이목을 끄는 데는 몇 가지 이유가 있습니다.

우선 석유에서 만들어진 것이 아니라 자연적, 생물학적 소재로 친환경적이라는 점입니다.

또한 거미줄은 고강도와 고탄성이라는 특징을 가지고 있습니다.

 

현재 나와 있는 소재 중에서 이 두 가지 특징을 함께 가진 소재는 없습니다.

거미줄은 방탄복 소재인 케블라보다 4배 강하고 나일론보다 2배 더 늘어나는 꿈의 소재이지만 자연의 거미줄을 똑같이 재현해 낼 수는 없습니다.

자연 속의 거미줄과 같은 DNA와 단백질을 배열하고 있고 이 부분은 동일하지만 단백질의 크기가 다릅니다.

염소로부터 만들어지는 단백질은 자연에서 생성되는 단배질의 1/3 크기 정도입니다.

염소젖에서 추출한 거미 실크는 자연의 거미줄만큼 강하지 않지만 합성사보다는 강하면서 탄력적입니다.

연구진은 이를 보강해 미 육군과 함께 나일론을 대체할 새로운 소재를 개발하고 있습니다.

나일론은 열에 약해 뜨거워지면 녹아내리지만, 거미줄은 뜨거워져도 녹지 않습니다.

나일론 군복은 때때로 화염 속에서 군인들의 피부까지 녹여버립니다.

반면 거미 실크는 열에 녹아내리지 않고 부서지는 특징이 있습니다.

가볍지만 강하고 강하지만 유연한 거미줄은 가히 자연에서 생산되는 최고의 생산재료라는 찬사가 따를 만합니다.

2.5 신경 재생 물질로 연구 중인 거미 실크

거미 실크로 짠 장갑

거미 실크로 짠 직물

생체 필름

주삿바늘

리오겔(Lyogel)

랜드 루이스 교수 연구진이 생산한 거미 실크는 아직 상품으로 나온 것은 없으며 다양한 유형의 제품으로 응용하고 있는 단계입니다.

특히 섬유 패션 분야만큼이나 기대가 큰 분야는 의료 부문이며, 인체에 무해한 단백질이라 활용도가 높을 것으로 보고 있습니다.

사람들에게 당신의 몸에 거미줄을 넣어 치료하겠다고 하면 십중팔구는 손을 내 저을지 모릅니다.

하지만 환자들에게는 새로운 치료법이 될 수만 있다면 그리 못할 이유도 없을 것입니다.

크리스티네 라트케

오스트리아 빈 국립대학에 크리스티네 라트케 교수 17년간 신경재생을 연구해 왔습니다.

그녀는 신경 재생에 적합한 재료를 찾기 위해 아예 연구실에서 거미를 사육하고 있습니다.

거미줄은 아주 유연하고 찢어지지 않아 신경을 고칠 때 신경 재생에 있어 흥미로운 물질입니다.

신경을 수술하게 되면 움직임을 지탱해 주는 물질이 필요한데, 이것은 만약 팔을 구부리고 펴게 되면 신경이 늘어나서 지탱해 주는 물질이 찢어지면 안 되기 때문입니다.

이런 측면에서 거미줄은 유연하지만 잘 찢어지지 않기 때문에 좋으며, 게다가 거미줄은 동물에 이식하거나 신체에 삽입하기에 아주 좋은 물질이기도 합니다.

 

거미는 단백질이 풍부한 곤충을 먹고 거미줄을 생산합니다.

황금 원형 거미

라트케 박사가 키우는 황금원형거미의 거미줄은 워낙 강해 남태평양에서는 고기잡이 그물로 사용하기도 합니다.

라트케 박사는 동식물에 유전자 이식을 해서 거미줄을 얻는 것이 아니라  황금원형거미에게서 직접 거미줄을 뽑아내 거미줄을 모으는데, 1주일에 15분을 모으면 약 200m의 거미줄을 얻을 수 있으며 거미도 안전합니다.

황금원형거미의 거미줄은 실험결과 인체에 가장 적합하다고 판단됩니다.

거미줄은 4개의 다양한 아미노산으로 구성되어 있는데 거미 종류에 따라 아미노선 결합이 다릅니다.

거미줄의 효과는 세포가 그 위에서 서둘러 성장하게 만들기 때문에 추출한 거미줄은 끊어진 신경을 복원할 때 신경을 연결하기 위한 구조로 이용됩니다.

신경 재생에서 세포가 스스로 성장하고 이 세포가 상처가 난 후에도 재생하는 것이 중요하며 신경세포가 함께 성장하지 않는다면 그 기능을 하지 못하게 되는데, 거미줄은 신경세포가 올바른 방향으로 성장할 수 있도록 도와주는 구조를 형성합니다.

동물을 대상으로 한 실험에서는 6cm의 손상된 신경을 거미줄을 이용해 복구하는 데 성공

동물을 대상으로 한 실험에서는 6cm의 손상된 신경을 거미줄을 이용해 복구하는 데 성공한 바 있습니다.

거미줄은 신경을 뻗어나가게 하는 일종의 안내자 역할을 합니다.

3. 정리

음습하고 지저분한 공간에서 봄직한 거미줄이 이렇게 유용한 생체 자원이라는 사실은 잘 알려지지 않았고, 거미줄을 이용한 다양한 연구는 세상에 없던 새로운 발명품의 등장을 예고하고 있습니다.

거미줄을 활용한 것은 그 역사가 아주 오래됐습니다.

고대 그리스 시대에는 상처의 치료를 위해서 거미줄을 상처 부위에 대고 눌렀다는 기록도 있고, 21세기에는 거미줄을 이용해 방탄복은 물론이고 다양한 의료 용품으로 수술실을 장악할 날이 머지않았습니다.

https://donbuller.tistory.com/entry/신들의사생활6

신들의 사생활 6 (그리스 로마 신화/신에게 도전했던 인간 '벨레로폰테스' , 아라크네 이야기)

 

<출처:EBS 컬랙션-사이언스>