[📪정보] 튼튼한 거미줄의 비결은 '잡아당기기'

[익명(221.167)]

제목: 거미 실크를 늘리면 더 강해진다
부제: 새로운 연구, 스트레칭(연신) 정도가 섬유 특성을 결정함을 발견

문제점
스트레칭(연신) 과정이 거미 실크를 어떻게 강화하는지 이해하는 것은 다양한 응용 분야를 위한 더 강하고 생분해 가능한 실크 기반의 인공 소재를 설계하는 데 핵심적인 부분입니다.

연구 아이디어
거미 실크를 늘리면 단백질 사슬이 정렬되고 수소 결합이 증가하여 섬유의 강도, 인성(질김), 탄성이 향상됩니다.

중요성
이러한 통찰은 연구자들이 다양한 응용 분야에 사용될 인공 거미 실크 단백질과 방사 공정을 설계하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

연구팀
시난 케텐 교수, 제이콥 그레이엄 (박사과정생)

거미는 거미줄을 칠 때 뒷다리를 사용하여 방적돌기에서 실크 실을 뽑아냅니다. 이 당기는 행동은 단순히 거미가 실크를 방출하는 데 도움이 될 뿐만 아니라, 더 튼튼한 거미줄을 만들기 위해 실크 섬유를 강화하는 매우 중요한 단계입니다.

새로운 연구에서 노스웨스턴 공대 연구팀은 이 스트레칭(연신)의 역할이 왜 그렇게 중요한지를 밝혀냈습니다. 연구팀은 컴퓨터 모델을 이용해 거미 실크를 시뮬레이션함으로써, 스트레칭 과정이 섬유 내부의 단백질 사슬을 정렬시키고 그 사슬들 사이의 결합 수를 증가시킨다는 사실을 발견했습니다. 이 두 가지 요인 모두 더 강하고 더 질긴 섬유를 만드는 데 기여합니다.

연구팀은 이후 인공 거미 실크를 사용한 실험실 실험을 통해 이러한 컴퓨터 시뮬레이션 예측을 검증했습니다. 이러한 결과는 연구자들이 강하고 생분해 가능한 봉합사나, 질기고 고성능이며 폭발 충격에도 견딜 수 있는 방탄복과 같은 다양한 응용 분야를 위한 인공 거미 실크 단백질 및 방사 공정을 설계하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

이 연구는 3월 7일자 '사이언스 어드밴시스 (Science Advances)' 저널에 게재되었습니다.

맥코믹 공과대학의 시난 케텐 교수는 "연구자들은 이미 이러한 스트레칭, 즉 연신(drawing) 과정이 매우 강한 섬유를 만드는 데 필수적이라는 것을 알고 있었습니다"라며, "하지만 아무도 그 이유를 정확히 알지는 못했습니다. 우리의 컴퓨터 시뮬레이션 방법을 통해, 실험적으로는 관찰할 수 없는 통찰력을 얻기 위해 나노 스케일에서 어떤 일이 일어나는지 탐구할 수 있었습니다. 우리는 연신 과정이 실크의 기계적 특성과 어떻게 관련되는지 조사할 수 있었습니다"라고 말했습니다. 케텐 교수는 이 연구의 교신 저자입니다.

노스웨스턴 대학의 제이콥 그레이엄은 "거미는 자연스럽게 연신 과정을 수행합니다"라며, "거미가 실크샘에서 실크를 뽑아낼 때 뒷다리를 사용하여 섬유를 잡고 당겨냅니다. 이 과정에서 섬유가 형성되면서 늘어나게 됩니다. 이것이 섬유를 매우 강하고 탄력 있게 만듭니다. 우리는 단지 스트레칭의 양을 조절하는 것만으로도 섬유의 기계적 특성을 변화시킬 수 있다는 것을 발견했습니다"라고 말했습니다. 그레이엄은 이 연구의 제1 저자입니다.

생체모방 소재 전문가인 케텐 교수는 노스웨스턴 공대의 제롬 B. 코헨 공학 교수이자, 기계공학과 교수 겸 부학과장이며, 토목환경공학과 교수입니다. 그레이엄은 케텐 교수 연구 그룹 소속의 박사과정생입니다.

강철보다 강하고, 케블라보다 질기다

연구자들은 오랫동안 거미 실크의 놀라운 특성 때문에 큰 관심을 보여왔습니다. 거미 실크는 강철보다 강하고, 케블라보다 질기며, 고무처럼 신축성이 있습니다. 하지만 자연 실크를 얻기 위해 거미를 사육하는 것은 비용이 많이 들고, 에너지 소모가 크며, 어렵습니다. 그래서 과학자들은 대신 실험실에서 실크와 유사한 재료를 재현하고자 합니다.

그레이엄은 "거미 실크는 가장 강한 유기 섬유입니다"라며, "또한 생분해 가능하다는 장점도 있습니다. 그래서 의료용으로 이상적인 소재입니다. 체내에서 자연스럽고 무해하게 분해되기 때문에 수술용 봉합사나 상처 봉합용 접착 겔로 사용될 수 있습니다"라고 말했습니다.

연구 공동 저자인 세인트루이스 워싱턴 대학교(WashU)의 프란시스 F. 아만 석좌교수인 푸종 장(Fuzhong Zhang)은 수년간 거미 실크 재료를 생산하기 위해 미생물을 유전 공학적으로 조작해왔습니다. 연구팀은 유전 공학적으로 만든 거미 실크 단백질을 압출한 다음 손으로 늘려서, 화려하고 강한 거미줄을 만드는 큰 거미인 황금 무당거미(golden silk orb weaver)의 실과 유사한 인공 섬유를 개발했습니다.

연신성(Stretchiness) 시뮬레이션

이러한 거미 실크 '레시피'를 개발했음에도 불구하고, 연구자들은 방사 과정이 섬유의 구조와 강도를 어떻게 변화시키는지 아직 완전히 이해하지 못하고 있습니다. 이 미해결 과제를 해결하기 위해, 케텐과 그레이엄은 장 교수의 인공 실크 내 분자 동역학을 시뮬레이션하는 컴퓨터 모델을 개발했습니다.

이 시뮬레이션을 통해 노스웨스턴 연구팀은 스트레칭이 섬유 내 단백질 배열에 미치는 영향을 탐구했습니다. 구체적으로, 그들은 스트레칭이 단백질의 정렬 순서, 단백질 간의 연결, 그리고 섬유 내 분자의 움직임을 어떻게 변화시키는지 조사했습니다.

케텐과 그레이엄은 스트레칭이 단백질들을 '정렬'시켜 섬유의 전체적인 강도를 증가시킨다는 것을 발견했습니다. 그들은 또한 스트레칭이 섬유를 구성하는 단백질 사슬 사이에서 다리 역할을 하는 수소 결합의 수를 증가시킨다는 것도 알아냈습니다.

연구자들은 수소 결합의 증가가 섬유의 전반적인 강도, 인성, 탄성에 기여한다는 것을 발견했습니다.

그레이엄은 "섬유가 압출된 직후에는 기계적 특성이 실제로는 매우 약합니다"라며, "하지만 초기 길이의 최대 6배까지 늘리면 매우 강해집니다"라고 말했습니다.

(이미지 캡션: 이것은 인공 거미 실크 섬유의 전자 현미경 이미지입니다. | 세인트루이스 워싱턴 대학교)

실험적 검증

컴퓨터 시뮬레이션 결과를 검증하기 위해, 연구팀은 분광학 기술을 사용하여 워싱턴 대학 연구팀의 실제 섬유에서 단백질 사슬이 어떻게 늘어나고 정렬되는지 조사했습니다. 또한 섬유가 끊어지기 전에 얼마나 많은 스트레칭을 견딜 수 있는지 확인하기 위해 인장 시험을 사용했습니다. 실험 결과는 시뮬레이션 예측과 일치했습니다.

그레이엄은 "재료를 늘리지 않으면 구형의 단백질 덩어리들이 존재합니다"라며, "하지만 스트레칭(연신)은 이 덩어리들을 더욱 상호 연결된 네트워크로 변화시킵니다. 단백질 사슬들이 서로 겹쳐 쌓이면서 네트워크의 상호 연결성은 점점 더 높아집니다. 뭉쳐있는 단백질 다발은 섬유가 끊어지기 전에 풀리면서 더 늘어날 수 있는 잠재력을 가지지만, 초기에 이미 늘어나 있는 단백질들은 신축성이 낮아져 섬유를 끊기 위해 더 큰 힘이 필요하게 됩니다"라고 설명했습니다.

그레이엄은 예전에는 거미를 그저 징그러운 벌레로만 여겼지만, 이제는 실제 문제를 해결하는 데 도움을 줄 수 있는 잠재력을 본다고 말합니다. 그는 인공 거미 실크가 대부분 석유에서 유래한 플라스틱인 다른 합성 재료에 비해 더 강하고 생분해 가능한 대안을 제공한다고 강조합니다.

그레이엄은 "확실히 거미를 새로운 시각으로 보게 되었습니다"라며, "예전에는 성가신 존재라고 생각했지만, 이제는 경이로움의 원천으로 봅니다"라고 덧붙였습니다.

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Stretching Spider Silk Makes It Stronger

https://www.mccormick.northwestern.edu/news/articles/2025/03/stretching-spider-silk-makes-it-stronger/