거미줄 물방울 형성과 제거 비밀 풀려…스마트 바이오물질 디자인 시대 열어
중국 과학자들이 거미줄 물방울의 비밀을 풀었다. 거미 실크가 어떻게 공기로부터 물을 수집해 진주 같은 물방울을 만드는지 그 원리를 발견한 것이다.
과학자들은 거미 실크와 같은 새로운 스마트 바이오 물질(smart biomaterials)을 디자인한 스마트 물질은 새로운 촉매라든지 또는 화학반응으로부터 새로운 물질을 흡수하거나 걸러내는 필터를 개발했다. 이 연구결과는 네이처(Nature) 지에 "젖은 거미줄 위에서의 방향성 물을 수집하는 능력(Directional water collection on wetted spider silk)"이라는 논문으로 발표했다(Zheng et al., Nature, 4 Feb 2010).
거미의 지능(지혜)은 무궁무진하다. 거미는 어떻게 공간과 공간을 이어 거미줄을 만드는지 또 어떻게 다양한 거미줄(Dragline)이 몸에서 나오는지 궁금해 왔다. 거미가 만들어 내는 거미줄 실크(Spider silk)는 강철보다 100배 강하다. 그래서 과학자들은 꿈의 섬유인 거미줄 단백질에 도전하고 있다.
이렇게 강한 거미줄을 상용화할 수 있다면 영화처럼 스파이더맨이 가능하지 않을까?
아침에 일어나면 거미줄에 진주 같은 물방울(jewel-like droplets)이 초롱초롱 달려있다. 물방울은 어떻게 거미줄에 달려있고, 거미들은 이들 물방울을 어떻게 제거하는가? 등 우리가 발견해야 할 거미는 지능(지혜)의 보고다. 이 중 거미줄이 물방울을 어떻게 만들고 제거하는지를 알아보자.
거미줄 물방울의 신비
거미가 액체를 배의 꽁무니에 있는 3쌍의 실 젖을 통해 뿜어내면 고체 상태가 되는데 이것이 바로 거미줄로 주사(蛛絲), 지망(蜘網), 지주망(蜘蛛網), 지주사(蜘蛛絲)라고 한다.
거미는 생활형에 따라 그물을 치는 정주성 거미와 그물을 치지않는 배회성 거미로 나누어진다. 거미의 종류에 따라 그물 모양이 달라지는데, 그물의 종류에는 둥근 그물, 불완전 둥근 그물, 접시 그물, 깔때기 그물, 불규칙 그물, 차일 그물, 돔형 그물 등으로 나눌 수 있다.
따라서 둥근 그물을 예로 들면 그물 중앙부에서 사방으로 뻗는 방사실(세로줄)과 이를 가로질러 치는 가로실(가로줄)이 있으며 방사실은건조한실이고가로실은끈끈이가있는실이다. 거미가 그물을 이용할 때는 반드시 방사실을 이용하게 되며 특별히 가로실을 이용할 경우에는 발톱사이에서 왁스 성분이 스며 나와 쉽게 끈끈이가 있는 가로실을 지나갈 수 있다.
거미줄의 물방울은 공기 중의 수증기가 새벽녘에 기온이 내려가면서 액화하면서 생기게 된다. 새벽녘에는 거미줄이외에도 풀잎 같은 데에도 물방울이 맺히는데, 이것도 공기 중의 수증기가 액화되어 물방울로 변한 것이다.
그런데 이러한 거미줄 물방울은 어떻게 왜 생기는 것일까? 거미줄이 물에 젖으면 가로줄이든 세로줄이든 물에 의해 기능이 분해되어 제 역할을 못한다. 그래서 물방울을 만든다는 사실이 밝혀진 것이다. 거미줄에 물이 아예 스며들지 못하게 하는 특수한 나노 구조가 있다는 것이 중국 과학자들에 의해 밝혀진 것이다.
중국 과학자들 ? 거미줄이 물방울을 만드는 원리를 발견
이 새로운 연구는 거미 실크가 어떻게 공기로부터 물을 수집하여 진주 같은 물방울(how spider silk captures water from the air and gathers it into jewel-like droplets)을 만드는지 원리를 발견한 것이다.
이번 연구를 주도한 베이징 소재 중국과학원(CAS, Chinese Academy of Sciences)의 레이장(Lei Jiang)은 거미 실크의 비밀을 풀게 된 이유를 "안개가 걷히고 난 아침에 나가보면 얇은 거미줄에 진주 같은 물방울이 대롱대롱 매달려 있는 것을 보았다"라며, "거미 실크는 직경이 수 십 마이크로 미터 크기인 반면, 물방울 분자는 수천 마이크로미터에 달한다"라고 말했다. 물방울 분자가 수천배 더 크기 때문에 스며들지 못한다는 얘기다. 이들은 강력한 전자현미경을 이용해 거미 실크가 거미줄이 젖으면 물방울로 변환시키고 있음을 밝혀냈다.
나노 단위에서 거미실크의 거미줄들(가로줄/세로줄)이 아주 작은 섬유 또는 나노초극세사(nanofibril)에서 한 줌의 물을 밀어내 작은 방울을 형성하고 작은 방울들을 서로 연결시켜 큰 물방울을 만든다는 것이다(At the nanoscale, spindles of spider silk are formed from "puffs" of extremely tiny fibres, or nanofibrils, connected by joints).
또한 거미줄이 습기나 안개에 노출되면 이들 나노피브릴들(nanofibrils)은 수축된다는 사실도 알아냈다. 따라서 물들은 방사선 상의 두꺼운 매듭쪽으로 가서 커다란 물방울로 모이게 되는 것이다(This physically drives the water towards the relatively rough and bumpy knots in the spindle, where it gathers into large droplets).
기대 ? 스마트 물질 개발
미국 와이오밍대학(University of Wyoming) 분자생물학자인 랜돌프 루이스(Randolph Lewis) 박사는 "이번 연구의 흥미로운 점은 전적으로 나노 섬유의 구조에 의해 그러한 효과를 내고 있다는 것이다. 거미 실크는 인간이 만든 어떤 물질과는 비교도 안 되는 고품질의 실크다“라며, ”따라서 다양한 응용분야에서 고기능의 그린 스마트 바이오물질을 디자인 할 수 있다"라고 말했다.
언젠가는 과학자들은 거미 실크와 같은 새로운 스마트물질(smart materials)을 디자인 할 수 있다. 그러한 스마트 바이오물질은 새로운 촉매라든지 또는 화학반응으로부터 새로운 물질을 흡수하거나 걸러내는 필터를 개발할 수 있다. 특히 이들의 연구는 대기에서 물을 수집하는 디바이스에 사용되는 섬유를 디자인 할 수 있게 하고 또는 생산공정에서 액체 에어로젤(liquid aerosols)을 제거하는 섬유를 디자인 할 수 있게 해줄 것으로 기대하고 있다.
한편, 한국의 중학교 학생들이 거미가 거미줄의 물방울을 제거하는 방법을 발견했다. 다음은 MBC 뉴스데스크가 2008년 9월 18일 보도한 내용이다.
[뉴스데스크]
◀ＡＮＣ▶ 중학교 학생들이 아침이슬을 털어내는 거미모습을 처음으로 촬영했습니다. 거미가 기발하게 이슬을 털어내는 방법，그리고 왜 그런지 까지 알아냈다니 대견스럽고 대단합니다. 김창훈 기자입니다.
◀ＶＣＲ▶ 이른 아침, 거미줄에 맺힌 이슬을 거미가 발의 잔털을 이용해 큰 덩이로 모읍니다. 그러더니 탁 튕겨 줄 밖으로 털어냅니다. 이번에는 입으로 작은 이슬방울들을 빨아들입니다. 입 속에 모았다 한 번에 공처럼 내던집니다. 거미줄의 탄력을 이용하기도 합니다. 줄을 당겼다 놓는 방법으로 물방울 여러 개를 한꺼번에 튕겨 냅니다. 서산의 부춘중학교 조성민, 최지우 군이 6개월에 걸쳐 산과 들을 누비며 촬영한 거미의 이슬제거 모습입니다.
◀ＩＮＴ▶ 조성민 / 충남 서산부춘중 1년 "거미를 관찰했는데 거미가 이슬을 제거하는 모습을 보고 너무 궁금해서 왜 제거하는지 밝혀보기로 했습니다." 이슬의 무게로 거미줄이 늘어져 먹잇감이 빠져나가는 것을 막기 위한 거미들의 생존술이라는 사실도 밝혀냈습니다.
◀ＩＮＴ▶ 최지우 / 충남 서산부춘중 1년 "가로줄의 점액성 물질에 이슬이 맺히면 농도가 떨어지고, 먹이를 부착하는 접착력도 떨어져 이슬을 제거합니다."
학계에서는 학술지에 논문으로 발표해도 손색이 없는 독창적인 발견이라며 놀라워하고 있습니다. 조 군 등은 이번 전국 과학전람회에서 학생부 대통령상을 받았습니다. MBC 뉴스 김창훈입니다.
[아스펙미래기술경영연구소, 김들풀 기자 itnews@itnews.or.kr]
아스팩미래기술경영연구소는 대한민국 대표 미래학자인 차원용 박사가 이끄는 지식경영교육 연구소다. 정보기술, 나노기술, 바이오기술, 에너지기술, 물자원기술, 식량기술 등을 연구하며, 특히 이들 학문과 기술의 융합을 연구하고 있다.
