아침 산책길에 이슬을 머금어 영롱하게 빛나는 거미줄.잘 보이지도 않을 정도로 가는 거미줄이지만, 그 강도는 놀랄만합니다.
거미줄은 강철에 버금가는 강도는 물론 매우 높은 인성까지 있어 기계적으로 매우 우수한 섬유인데요. 이를 이용하면 방탄복, 초고장력 케이블 등의 제품을 만들 수 있구요. 게다가 생체적합성을 지녀 상처의 봉합, 인공장기 제장 등에서 매우 유용하게 사용될 수 있습니다.
하지만 자연산 거미줄을 배양하는 것은 사실상 불가능한데요. 거미는 누에처럼 고치를 만들지도 않을 뿐만 아니라, 양식을 하려 해도 영역을 이루고, 다른 거미와 싸우는 습성 때문에 경제성이 없기 때문입니다.
이에 따라 세계의 많은 연구진들은 거미줄과 유사한 조직을 만드는 자연모사 인공섬유 개발에 열을 올리고 있는데요.
하지만, 박테리아 유전자에 거미줄 단백질을 삽입해 생체 섬유를 만들려는 시도는 시행착오에 의존해 진행된 실험이 대부분인 실정입니다.
거미줄 모사 인공 생체섬유 개발 성공
KAIST 기계공학과 유승화 교수팀은 컴퓨터 모델링을 이용해 거미줄을 모사한 인공 생체섬유를 최근 개발했습니다.
KAIST 기계공학과 유승화 교수팀이 합성에 성공한 인공거미줄
이번 연구로 앞으로 자연에서 생성되는 다양한 생체섬유의 합성과정에 대한 이해가 가능해져 거미줄에 버금가는 인공 생체섬유의 설계 제작을 앞당길 것으로 기대되는데요.
연구팀은 예측 가능한 모델링을 기반으로 다양한 단백질을 선제적으로 탐색하고, 인공 거미줄 설계 및 제작과정에 반영해 기존의 시행착오를 극복했습니다.
거미줄은 물속에서 안정성을 갖는 친수성과 반대로 물과 쉽게 결합되지 않는 소수성을 가진 영역이 교차로 존재하는 펩타이드 단백질이 가교를 이루며 결합한 구조인데요.
거미줄은 거미의 실 분비 기관인 실샘에 존재하는 단백질 용액이 실관을 통과하며 전단유동을 통해 고체화돼 형성됩니다.
연구팀은 새롭게 개발된 컴퓨터 모델을 이용해 다양한 종류의 단백질 용액의 전단유동 하에서의 변화를 조사, 이를 통해 단백질의 아미노산 체인이 충분히 길면서 적절한 비율의 소수성과 친수성 영역을 가질 때만 단백질 간의 연결도가 급격히 증가해 높은 강성과 강도를 갖는 생체섬유 합성이 가능하다는 것을 밝혔습니다.
전단유동 전후의 단백질 용액 모델링 결과 및 네트워크 연결도 분석 결과 -
균일하게 연결되어 있던 단백질 네트워크가, 전단유동을 거치면서 유체 흐름 방향으로 정렬된 더 높은 밀도의 연결도를 가진 네트워크로 바뀌는 것을 볼 수 있으며, 이로 인해 더 높은 강성과 강도를 갖게 된다. 모델링을 통해 이러한 네트워크 연결도 증가는 적절한 친수성-소수성 아미노산 비율을 갖고 길이가 충분히 긴 단백질에 대해서만 관찰되는 것을 확인하고, 이를 실험에 반영하여 인공 거미줄 합성에 성공하였다.
이를 통해 연구팀은 모델링으로 제시된 단백질을 박테리아의 유전자 조작으로 합성, 실관을 모사한 방적과정을 통해 인공 거미줄을 제작하는 데 성공했습니다.
연구팀은 강한 거미줄 생성 원리가 밝혀지기 시작했기 때문에 향후에는 실제 거미줄 강도에 버금가는 생체 섬유 제작이 가능할 것으로 전망하고 있는데요.
또 생체 적합성을 갖기 때문에 인체 내에서도 부작용이 발생하지 않아 바이오메디컬용으로 사용이 가능할 것으로 보고, 궁극적으로는 부작용이 없는 바이오메디컬에 특화된 생체 섬유 제작을 목표로 하고 있습니다.
이번 연구는 체계적 설계를 통한 인공 생체섬유의 제작이 가능함을 증명한 것으로, 향후 인공 생체섬유 합성의 새 가능성을 열은 것으로 평가받고 있습니다.
한편, 이번 연구에는 미국 매사추세스 공대, 플로리다 주립대, 터프츠 대학 등이 참여했고, 연구 결과는 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 5월 28일자 온라인 판에 게재됐습니다.
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연 구 개 요
거미줄은 강철에 버금가는 강도와 Kevlar에 버금가는 인성(섬유가 끊어질 때까지 흡수하는 에너지)를 가지는 매우 뛰어난 기계적 성질을 지니고 있으며, 생체적합성을 지니고 있어서 상처봉합이나 인공장기 등 다양한 바이오메디컬 분야에 응용이 가능하다.
그러나 거미는 누에처럼 고치를 만들지도 않고 자기영역을 침범하면 싸우기 때문에 사육을 통한 거미줄을 생산 방법은 경제성이 없고, 유전자 조작을 통한 인공거미줄 제작이 많이 시도되어 왔다. 그러나 실샘에 있던 거미줄 단백질 용액이 실관을 따라 이동하며 자가조립을 통해 거미줄이 만들어지는 과정을 실험을 통해 밝히기 어려웠으며, 원자레벨의 시뮬레이션은 다수 거미줄의 상호작용을 모사하기에 충분히 효율적이지 않아서, 인공거미줄의 설계와 구현에 많은 어려움이 존재하였다.
본 연구에서는 다수의 거미줄의 상호작용을 모사할 수 있는 간단하지만 효율적인 컴퓨터 모델을 개발하여 거머줄의 조립에 영향을 미치는 인자들을 밝혀내었고, 박테리아에 유전자 조작을 통하여 실제와 유사한 재조합 거미줄 단백질을 합성한 후, 거미실관과 유사한 유체흐름(전단유동*)을 모사한 공정을 통해 인공거미줄을 제작하였다.
연구진은 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 거미줄 단백질이 녹아있는 용액이 미세한 관을 통해 배출되는 방적과정을 통해 분자들이 한쪽방향으로 정렬되어 높은 강도의 섬유를 만드는 것을 알아내었다. 거미줄 단백질 분자는 친수성과 소수성 영역이 교차로 존재하는 고분자이고, 전단유동을 통해 유속 방향으로 정렬하며 서로 다른 분자들의 소수성 영역끼리 가교를 만들고 연결도가 좋아지면서 높은 강성과 강도를 갖게 된다. 소수성 영역의 비율이 너무 적으면 강성이 약해지고 너무 많아지면 거미줄이 생성되지 않고 뭉치기만 한다는 사실을 밝혀내어, 적절한 비율의 단백질 합성이 중요함을 밝혀내었다. 또한, 거미줄 단백질 길이가 충분히 길어야만 전단유동 과정을 통해 연결도가 좋아진다는 사실을 밝혀내었다.
박테리아 유전자 조작을 통한 단백질 합성 과정은 수개월이 걸리기 때문에, 시뮬레이션을 통한 다양한 친수성-소수성 영역 비율과 길이를 가진 단백질의 선제적 탐색은 매우 중요하다. 시뮬레이션을 통해 제시된 단백질은 박테리아 유전자 조작을 통해 합성되었고, 거미실관을 모사한 주사기를 이용한 간단한 방적과정을 통해 인공거미줄이 합성될 수 있었다. 상온의 단백질 수용액에 기반한 본 연구진의 제작방식은 추후 대량생산으로 전환되기에 용이할 것으로 보인다.
본 연구를 통해 생산된 인공거미줄의 강도와 탄성은 자연의 거미줄에 비해 아직 미흡하지만, 근본적인 거미줄 자가조립과정을 이해하기 시작한 것에 큰 의의가 있으며, 추후에는 원하는 대로 강도, 인성, 탄성을 조절할 수 있는 인공 거미줄 제작 공정 및 그 응용 방법을 개발하는 것이 궁극적 목표이다.
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용 어 설 명
전단유동
전단유동유체의 흐름방향과 수직하게 변하는 유속의 분포가 존재할 때, 유체 혹은 유체 내의 물질은 전단력을 느끼게 되는데, 이런 형태의 유체흐름을 전단유동이라고 한다. 유체와 고체의 마찰력 때문에 강물의 유속은 중앙부분이 가장자리보다 빠르고, 마찬가지로 주사기 바늘 속의 유체의 흐름도 가운데가 가장자리보다 빠른데, 이와 같은 유체의 흐름이 전단유동의 예이다.
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유승화 교수 이력사항
□ 인적사항
KAIST 기계공학과 조교수
E-mail: ryush@kaist.ac.kr
□ 학 력
2000. 03 ~ 2004. 02 학사 KAIST 물리학과
2004. 09 ~ 2006. 01 석사 Stanford University 물리학과
2004. 09 ~ 2011. 09 박사 Stanford University 물리학과
□ 경 력
2011. 10 ~ 2012. 03 연수연구원 Stanford University 기계공학과
2012. 04 ~ 2013. 01 연수연구원 MIT 건설 및 환경공학과
2013. 07 & 2014. 07 방문교수 University of Trento 건설환경기계공학과
2013. 02 ~ 현재 조교수 KAIST 기계공학과
□ 연구 분야
물질의 강도와 어셈블리를 결정하는 근본적인 메카니즘을 나노부터 벌크까지 다양한 스케일의 이론과 모델링을 통해 이해하고, 기계적으로 강건한 신물질 합성에 적용하는 것이 핵심 연구 주제이다.
나노물질-고분자 복합재, 그래핀, 금속 유리, 나노결정 등 다양한 물질들의 합성과 기계적 성질에 대한 멀티스케일 모델링 연구를 진행하고 있다.
□ 수상 실적
2013-2014 University of Trento, Invited Professor Grant
2006-2008 Stanford Graduate Fellowship |