거미줄, 강도·탄성 겸비한 완벽한 구조물···당길수록 강해지는 원리 밝혔다

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거미는 섬세한 건축가이자 뛰어난 재료 공학자다. 방적구(spinnerets·배 끝부분에 위치한 작은 돌출부)에서 거미줄을 뽑아내 거미집(spider web)을 만든다. 맨 처음 액체 실크 단백질을 분비하고 이것이 공기 중 고체 섬유로 변하면 뒷다리로 실크를 당겨 강도와 탄성을 조절하며 거미줄을 만들어 낸다.

이렇게 뽑아낸 거미줄의 강도는 어찌나 튼튼한지 가장 강력한 자연 생체 소재다. 강철 수준의 거미집은 먹이를 포획하는 수단일 뿐만 아니라, 자신을 보호하고, 이동하며, 둥지를 만들기 위한 다목적 구조물이기도 하다.

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거미는 이처럼 거미줄을 뒷다리로 당기며 최대 6배까지 늘어나면서 거미줄을 늘리며 강도를 늘린다고 알려졌다. 하지만 왜 그런 것인지에 대한 과학적 원리는 명확히 밝혀지지 않았다. 이 자연의 신비를 밝히기 위해 미국 노스웨스턴대 연구진은 실험에 나서 원인을 탐구했다. 그 결과, 거미가 실크를 당기면서 단백질 사슬이 정렬되고 수소 결합이 증가하며 섬유 네트워크가 촘촘해져, 거미줄의 강도와 탄성이 최적화된다는 원리가 밝혀졌다.

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거미줄 강도 증가의 비밀, 단백질 정렬과 결합

연구진은 이를 실험적으로 검증했다. 이번 연구의 공동 저자인 워싱턴대 푸중 장 교수 연구팀은 미생물을 이용해 거미 실크 단백질을 합성하고, 이를 기반으로 인공 실크 섬유를 제작하는 기술을 개발했다. 연구진은 이 단백질을 추출한 후 손으로 늘려 섬유를 형성시켰으며, 그 결과 자연 상태의 황금비단거미가 만드는 거미줄과 유사한 기계적 특성을 보였다.

 

이 과정에서 연구팀은 컴퓨터 모델을 활용해 섬유 내부 단백질이 어떤 방식으로 배열되고 결합하는지를 분석했다. 특히, 단백질 배열이 변화하면서 수소 결합이 증가할 때 섬유의 강도와 탄성이 더욱 높아지는 현상을 확인했다.

 

 

 

거미는 뒷다리로 방적돌기에서 실크를 잡아당기면서 섬유를 늘린다. 이 과정에서 섬유의 강도, 인성, 탄성이 증가하며, 당기는 정도에 따라 섬유의 기계적 특성이 달라진다.

 

 

이를 실험적으로 검증하기 위해 연구진은 분광학 기술을 이용해 단백질 배열 변화를 관찰하고, 인장 시험을 통해 섬유가 끊어지기 전까지 얼마나 늘어나는지를 측정했다. 실험 결과, 거미 실크는 당기지 않은 상태에서는 둥글게 뭉친 단백질 구조를 가지고 있지만, 장력을 받으면 단백질이 정렬되면서 강한 연결망을 형성하는 것이 밝혀졌다. 이러한 과정에서 단백질 사슬이 촘촘해지고, 결과적으로 섬유의 강도와 탄성이 증가했다는 점이 확인되었다.

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연구에 참여한 그레이엄 연구원은 "거미줄은 분자 수준에서 정밀하게 설계된 자연의 걸작"이라며, "이러한 연구는 단순히 강한 섬유를 개발하는 것뿐만 아니라, 생분해성이 뛰어난 친환경 소재로서 거미 실크를 플라스틱 대체재로 활용할 가능성도 열어준다"고 설명했다.

 

 

 

전자현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM)으로 촬영한 인공 거미줄 섬유의 이미지.

연구팀은 분광 기술을 사용, 인공 거미줄 섬유에서 단백질 사슬이 어떻게 늘어나고 정렬되는지 분석했다.

[사진= Washington University at St. Louis]

 

 

인공 거미줄 개발해 산업 활용 가능성

이번 연구에서 밝혀진 원리를 바탕으로, 연구진은 거미 실크의 강도 조절 기술을 다양한 산업에 적용할 가능성을 제시했다. 거미줄은 강철보다 강하고, 방탄 소재인 케블라보다 질기며, 고무처럼 탄성이 뛰어나며, 생분해성이 높은 특징을 갖고 있다. 이에 따라 연구진은 인공적으로 제작된 거미 실크를 활용해 산업 전반에 활용할 수 있는 기회를 확인했다.

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거미줄에서 영감을 얻은 의료용 실크 섬유는 체내에서 자연스럽게 분해되는 봉합사나 인공 인대로 활용될 수 있으며, 방탄 소재로 응용하면 기존 케블라보다 가볍고 강한 보호 장비 개발이 가능하다. 또한, 플라스틱을 대체할 친환경 섬유 및 산업용 소재로도 연구가 진행되고 있다.

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한편 연구 결과는 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 게재됐다.

 

 

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