[과학을읽다]거미줄이 철보다 5배나 강하다고?

거미줄의 강도는 철의 5배나 된다고 합니다. 거미줄의 이렇게 튼튼한 이유는 무엇일까요? [사진=유튜브 화면캡처]

[아시아경제 김종화 기자]아프리카 속담에 "거미줄도 모이면 사자를 묶는다"라는 말이 있다고 합니다. 가느다란 거미줄이 뭉치면 동물의 왕이라 불리는 사자도 꼼짝할 수 없다는 뜻으로 사용하는 말입니다. 실제로 거미줄은 단백질로 구성돼 있지만, 유연하면서도 단단합니다.

과학자들은 거미줄이 지구에서 가장 강력한 소재 중 하나라고도 합니다. 심지어 방탄조끼를 만드는 소재인 '케블러(Kevlar)'보다 강하다고 주장하기도 합니다. 그래서 과학자들은 거미줄을 튼튼한 의류나 건축 자재, 의료용 봉합사는 물론 보다 가볍고 강력한 방탄조끼 등 다양한 제품을 개발할 수 있는 방법에 대해 연구하고 있고, 일부 상용화되기도 했습니다.

거미줄의 장점은 매우 튼튼한데도 잘 늘어나며 내구성이 강합니다. 게다가 가늘고 가벼워서 다양한 분야에 활용할 수 있는 친환경적인 천연 소재이기도 하지요. 철에 비해 5배의 강도를 지니고 있으며, 초경량의 뛰어난 신축성은 어떤 신소재도 따라오기 힘들 정도라고 합니다.

거미줄로 만든 로프로 거대한 거미줄을 만들 경우 비행 중인 제트여객기를 멈출 수 있다는 연구결과도 있습니다. 최근에는 다양한 기업들이 거미줄에 사용되는 단백질 성분을 이용해 운동화, 파카 등을 시판하기도 했습니다. 이런 제품은 다른 합성섬유보다 가볍고 튼튼하면서도 버리면 토양에서 완전히 분해되기 때문에 친환경 소재로 각광받는 것입니다.

도대체 단백질을 어떻게 결합하기에 거미줄은 그토록 강한 것일까요? 다량의 단백질로 구성된 거미줄은 섬유 같은 생분해성 물질입니다. 거미가 아미노산을 단백질로 만들고, 단백질을 다시 교질 입자인 '미셸(Micelle, 작은 분자의 응집에 의해 형성된 교질입자)'로 만들고, 미셸을 집합물질로, 집합물질을 섬유질과 거미줄로 만든다고 합니다.

미국 샌디에고주립대 연구팀은 핵자기공명(NMR)이라는 기술을, 노스웨스턴대 연구팀은 극저온투과 전자현미경을 사용해 거미줄의 나노 규모의 단백질 분자 구조를 분석했습니다. 연구팀들은 흑색과부거미(black widow spider)의 거미줄 생성 과정을 관찰한 결과 실크 섬유가 나오는 매우 섬세하고 계층적인 단백질 집합을 발견합니다. 거미가 복부에 저장한 단백질로 계층적 나노 집합구조로 거미줄을 만들어내는 것입니다.

이런 원리를 활용해 2017년 스웨덴 캐롤린스카연구소는 긴 인공 거미줄 섬유회전 방법을 개발했고, 이 방법을 통해 1㎞ 길이의 인공 거미줄을 생산하기도 했습니다. 연구팀은 거미의 복부 샘 속에 들어있는 단백질 용해물질을 내구력 있는 섬유로 변형하는 방법을 연구하고 있습니다.

거미줄 중에서도 가장 튼튼한 거미줄을 치는 거미는 길이 1.25㎝ 정도인 '잔디늑대거미(lawn wolf spider)'로 알려져 있습니다. 잔디늑대거미가 친 거미줄은 다른 거미가 친 거미줄보다 훨씬 더 오래 지속됩니다. 한번 거미줄을 치면 수 주일 동안 팽팽하게 그 탄력성을 유지하면서 그 기능도 유지한다고 합니다.

대만 퉁하이(東海)대 연구팀은 잔디늑대거미가 '질소(N)'의 접근을 차단해 자신의 거미줄을 보호한다는 사실을 밝혀냈습니다. 거미줄은 강철선보다 더 탄탄한 천연섬유지만 보통 수 주일 정도 지나면 대다수 거미줄은 그 탄력을 잃고 느슨해집니다. 공기 속의 미생물(박테리아) 등이 거미줄에 침투해 그 성분을 분해하기 때문입니다.

거미줄은 단백질로 구성돼 있는데 미생물(박테리아)가 거미줄을 분해할 수 없도록 몸 속에서 특수한 화학물질을 분비해 미리 대비한다고 합니다. [사진=유튜브 화면캡처]

그런데 유달리 잔디늑대거미의 거미줄은 더 오래 갑니다. 연구팀은 잔디늑대거미가 거미줄을 해치는 박테리아의 약점을 미리 알고, 대비책을 세우고 있기 때문임을 강조합니다. 박테리아의 약점은 질소인데, 대다수 미생물에게 질소는 없어서는 안될 중요한 영양소입니다.

특히 균체 합성에 질소를 이용하는 미생물들이 만든 질소화합물은 식물에 흡수돼 생육에 중요한 역할을 하게 됩니다. 잔디늑대거미는 거미줄에 침투한 박테리아가 질소와 결합하는 것을 차단하는 특수한 성분을 지닌 거미줄을 뽑아내는 것이지요. 연구팀은 거미줄에 질소와의 결합을 차단하는 성분이 정확히 어떤 성분인지는 밝혀내지 못했지만, 합성단백질의 일종이라고 추정했습니다.

인공적으로 거미줄을 뽑아내기는 했지만, 상용화할 만큼 많은 양을 대량으로 생산하기가 아직은 어렵습니다. 과학자들은 거미줄 유전자 복제 등을 통해 거미줄 구조를 모방하면서 새로운 유기체 생산을 시도하고 있습니다. 좀 비싸긴 하겠지만 거미줄로 된 아주 가볍고 튼튼한 외투를 입고 외출할 날도 머지 않은 것 같습니다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr