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꿈의 섬유 ‘스파이더 실크’ 시대

  • 2017.11.20.
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거미줄의 강도와 유연함이 어느 정도인지 대중에게 처음 알려진 것은 1710년이다. 프랑스 왕립과학회 총재였던 프란시스 자비에르 봉(François Xavier Bon) 씨는 과학계에서 활동하고 있는 그의 동료들에게 편지를 썼다.

거미줄을 분석한 결과 “아름답고 강하며 윤기가 나는 실크(Silk) 같았다”고 설명했다. 과학자였던 그는 거미줄(Spider Silk)의 성능에 감탄했음이 분명하다. 그리고 200여년이 지난 지금 그의 주장은 충분히 입증되고 있다.

철에 비해 5배의 강도를 지니고 있으며, 초경량의 뛰어난 신축성은 어떤 신소재도 따라오기 힘들 정도다. 거미줄로 만든 로프로 거대한 거미줄을 만들 경우 비행 중인 제트여객기를 낚을 수 있다는 연구 결과가 발표되고 있다.

 

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철보다 5배 이상 강하고 나일론보다 2배이상 신축성이 좋은 거미줄 단백질을 복제해 인공 거미줄을 생산하려는 노력이 이어지고 있다. 운동화, 파카, 로션 등 신제품들도 다수 선보이고 있다. ⓒWikipedia

 

운동화, 파카 등 의류 제품 이미 생산

인공 거미줄을 만들기 위한 노력도 이어지고 있다. 거미의 속성 상 누에처럼 거미를 육성해 거미줄을 대량 생산하는 일은 불가능하다. 과학자들은 이 문제를 해결하기 위해 1990년 거미줄 유전자를 복제했다.

이후 거미줄 구조를 모방해 새로운 유기체를 만들려고 시도해왔다. 그리고 최근 다양한 생체 소재를 활용해 거미줄과 유사한 구조의 단백질을 찍어내기 시작했다. 거미줄 단백질과 비교해 아직 짧고 단순한 구조이지만 시간이 지나면서 그 완성도가 높아지고 있다.

18일 ‘사이언스’ 지에 따르면 일부 기업들은 이 단백질을 원료로 다양한 의류를 만들었다. 아디다스(Adidas)의 운동화, 노스페이스(North Face)의 경량 파카가 대표적인 경우다. 이들 기업들은 대량생산을 위한 노력을 기울이고 있는 중이다.

미국의 스타트업 볼트 스레드(Bolt Threads)는 효모균을 이용해 스스로 성장이 가능한 거미줄 단백질을 복제하는데 성공했다. 이 기업은 이 단백질 소재를 대량 생산하기 위해 연간 수 톤의 거미줄을 생산할 수 있는 공정을 구축하고 있다.

인공 거미줄 섬유의 선도적 개발 업체인 크레이그 바이오크래프트 연구소(KBL, Kraig Biocraft Laboratories)는 이 단백질로 만든 소재를 대량 생산하기 위해 베트남에 대형 공정 과정을 건설하기 위한 협상을 진행하고 있는 중이다.

군사적인 활용 방안도 모색되고 있다. 미 육군에서 KBL에서 개발한 탄력이 강한 이 거미줄 소재를 활용해 날아오는 포탄을 포집하는 식으로 아군을 방어할 수 있는 그물망을 제작해 현재 실험을 진행하고 있다.

스톡홀름의 KTH 왕립공과대학(KTH Royal Institute of Technology)의 생화학자 마이 헤다머(My Hedhammar)는 “지난 1990년대 이후 거미줄 소재 기능이 놀라울 만큼 발전했다”며, 스파이더 실크(인공 거미줄) 시대가 다가오고 있음을 시사했다.

 

완벽한 거미줄 복제, 아직 어려워

기업들은 인공 거미줄 스파이더 실크가 대중화될 경우 기존의 섬유·의류 산업은 물론 군수산업에 이르기까지 산업 전반에 큰 변화를 몰고 올 가능성이 매우 큰 것으로 예상하고 있다. 그러나 완벽한 실현이 이루어질지 아직은 미지수다.

뉴욕 아메리칸 자연사 박물관의 거미줄 전문 유전공학자 세릴 하야시(Cheryl Hayashi) 박사는 “거미줄 단백질을 완벽하게 복제하는 일은 아직 불가능하다.”고 말했다. “거미줄과 똑같은 소재로 만든 제품을 생산·판매하는 일 역시 단시일 내 이루어지기 힘들다”는 것.

문제는 실제 거미줄이 지니고 있는 독특한 성능들을 재현하기가 불가능하기 때문이다. 거미가 매달려 있는 거미줄을 자세히 들여다보면 다양한 종류의 단백질로 구성돼 있다. 이 단백질 분자들의 사이즈는 최고 600 kDa(kilodalton)에 달한다.

사람 인체의 단백질과 비교했을 때 약 2배에 달하는 크기다. 지금의 생명공학 기술로 이렇게 큰 사이즈를 복제하기가 매우 힘들다. 스파이더 실크 생산 기업들 역시 이 한계점을 인정하고 생산 중인 단백질 사이즈를 50~200 kDa로 제한하고 있다.

그러나 이처럼 작은 사이즈의 단백질로 스파이어 실크를 만들 경우 실제 거미줄처럼 강력하고 탄력이 있는 거미줄을 만들어내기 힘든 상황이다. 유타 대학의 화학자 랜드 루이스(Randy Rewis) 교수는 “단백질 크기가 작을수록 성능이 감소할 수밖에 없다”고 말했다.

단백질을 섬유 조직으로 전환하는 일 역시 쉽지 않은 일이다. 루이스 교수는 “특수 수용액을 통해 이 작업을 하고 있는데 유기용제가 입·기도·피부를 통하여 체내에 들어옴으로써 발생하는 중독현상을 해결해야 한다”고 말했다.

그러나 이 중독현상을 해결하는데 많은 비용이 요구되고 있다. 많은 비용이 들어가는 만큼 스파이더 실크로 만든 섬유를 대량 생산하기까지 많은 시일이 요구되는 상황이다. 이런 난제에도 불구하고 많은 기업, 연구소에서 새로운 기술들이 등장하고 있다.

아디다스와 협력하고 있는 독일 기업 암실크(AMSilk)는 대장균을 활용해 스파이더 실크를 만들어 이를 분말로 가공한 후 젤(gel)로 재가공했다. 그리고 이 젤을 이용해 보습성이 강한 스킨 로션을 생산하는 방법을 개발하고 있다.

이 스파이더 실크 단백질은 피부 위에 바르더라도 통기성이 뛰어나며, 또한 로션의 감촉을 매우 부드럽게 하는 성질을 지니고 있다. 암실크 관계자는 이 순수한 성분의 스파이더 실크 성분을 연간 수톤 규모로 판매 중이라고 밝혔다.

지난 2015년 일본의 스타트업 스파이버(Spiber Inc)는 의류업체 노스페이스에서 자사의 스파이더 실크 기술을 활용한 ‘문 파카(moon parka)’를 1000달러에 판매할 것이라고 발표한 바 있다. 이 제품은 강철처럼 질기고 나일론보다 신축성이 2배나 뛰어났다.

그러나 2016년 9월 이 제품이 매장에서 사라졌다. 회사 측은 “안전성과 소재의 질을 높이기 위해 더 많은 시간이 요구되고 있다”고 밝혔다. 이런 사실은 완벽한 스파이더 실크 개발이 쉽지않음을 말해주고 있다.

 

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