세계 최고 수준 초고분자량 거미 실크 단백질 생산 성공

카이스트 이상엽 교수팀…“방탄복·현수교 지지 케이블 응용 기대”

강철보다 강한 거미줄을 생산하는 기술이 국내 연구팀에 의해 개발됐다. 이 기술이 실용화되면 방탄복, 현수교 지지 케이블 등 다양하게 응용될 것으로 전망된다.

한국과학기술연구원(카이스트) 이상엽 생명화학공학과 특훈교수와 서울대 박영환 바이오시스템·소재학부 교수 공동연구팀은 27일 유전자 재조합으로 개량한 대장균을 이용해 세계 최고 수준의 ‘초고분자량 거미 실크 단백질’을 생산하는 데 성공했다고 밝혔다.

거미는 일곱 가지 실크를 만들어내는데, 긴급상황 때 거미가 타고 내려오는 ‘드래그라인 실크’가 가장 강해 오래 전부터 이를 모사해 방탄복, 낙하산, 인공인대, 콘크리트 건조물 보강재 등에 이용하려는 연구가 진행돼 왔다. 과학자들은 염소 젖으로 생산해보기도 하고 대장균을 이용해 만들어보는 등 갖가지 방법으로 거미 실크를 모방하려 했다. 그러나 기존 방법으로는 실제 거미 실크 단백질에는 많이 들어 있는 글리신 아미노산이 충분히 생성되지 않았다.

» 이상엽 교수(왼쪽)와 박영환 교수 이상엽 교수팀은 단백체(프로테옴) 등 세포와 관련한 각종 정보들을 통합해 세포의 상태를 다차원적으로 분석하는 ‘시스템대사공학’을 통해 대장균이 거미 실크 단백질을 생산할 때 글리신 부족 현상이 발생하는 작동 원리를 찾아냈다. 이어 관련 유전자들을 증폭하거나 제거해 대장균의 대사를 재구성한 뒤 대장균으로부터 분자량이 최고 285kDa(킬로달턴)에 이르는 거미 실크 단백질(황금 원형 거미에서 유래)을 합성해냈다. 이는 실제 거미줄의 분자량에 버금가는 것으로, 지금까지 인공합성을 통한 거미 실크 단백질의 분자량은 100~150kDa에 불과했다.

연구팀은 대장균이 생산한 거미 실크 단백질을 거미가 엉덩이 쪽에서 거미줄을 자아내는 것을 흉내낸 생체모방 기술로 스피닝 작업을 해 실크 섬유로 만들었다. 박영환 교수팀이 이 실크의 물성을 측정해보니 강도는 508㎫(메가파스칼), 인장탄성률(영률)은 21㎬(기가파스칼)에 이르렀다. 이는 고강도 인조섬유인 케블러에 견줄 만한 것으로, 같은 굵기의 강철보다 강한 것으로 평가된다. 강도는 물체에 힘을 가해 끊어지는 순간에 가해진 힘을, 인장탄성률은 물체를 잡아당겨서 막 늘어나기 시작하는 시점에 가해진 힘을 말한다. 거미줄이 매우 가느다람에도 파리나 잠자리 등이 날아와 부딪쳐도 잘 끊어지지 않는 것은 인장탄성률이 높기 때문이다. 박영환 교수는 “거미 실크가 주목을 받는 것은 잘 늘어나면서도 강한 큰 심도를 지녔기 때문”이라며 “방탄복이나 인공 인대 등에 이런 특성이 가장 잘 적용될 수 있다”고 말했다.

이상엽 교수는 “기존 석유화학 제품을 대체할 수 있는 고성능 섬유를 생산하는 기반기술을 확보했다는 의의가 있다”고 말했다. 연구팀의 논문은 <미국 국립과학원회보>(PNAS) 26일치(현지시각) 온라인판에 게재됐다.