일본 리켄연구소 연구진이 최근 광합성 박테리아를 사용해 인공 거미줄을 생산하는 데 성공했다. 이 거미줄은 초경량, 생체 적합성, 생분해성 물질 등으로 만들어졌다. 앞으로 찢김 방지 의류, 항공 우주 부품, 자동차 부품 등을 제조하는 데 사용될 수 있을 것으로 전망된다.

커뮤니케이션 생물학 저널에 실린 연구 결과에 따르면, 절지동물 종에 의해 만들어진 비단실은 생체에 적합하며 생분해성이다. 거미줄은 초경량이지만, 강철만큼 강력하다. 앞으로 여러 분야에서 유용하게 사용될 것으로 보인다.

약물 분야에서 사용되는 거미줄

교토대학 및 리켄연구소에서 연구를 진행하는 춘핀쿤은 "거미줄은 생체 적합성이라는 특징이 있어 조직 공학, 임플란트 장치, 약물 전달 시스템을 위한 스캐폴드 등 생의학 응용 분야에서 안전하게 사용될 수 있다. 거미줄은 수세기 동안 의료 분야에서 가장 강력한 천연 섬유로 여겨졌으며 피부 봉합에도 안전하게 사용될 수 있다. 또한 방부 특성이 있고 비타민K 함량이 많아 혈액 응고에도 도움이 된다"고 설명했다.

그러나 거미 한 마리에서 얻을 수 있는 거미줄은 매우 소량이고, 거미를 번식시키는 것 또한 쉽지 않다. 이에 수많은 연구진이 인공 거미줄을 생산하기 위해 연구를 거듭해왔다.

거미줄 비단실 단백질로 종속 영양 생물 생산

연구진은 로도불룸 설피도필룸(Rhodovulum sulfidophilum)이라는 해양 광합성 박테리아를 사용해 거미줄 비단실 단백질로 종속 영양 생물을 생산하는 연구에 중점을 뒀다. 먹이 사슬에서 이런 영양 생물은 생산자가 아니라 1, 2, 3차 소비자다.

이 박테리아는 태양 에너지와 대기 중 질소 및 이산화탄소가 필요하다. 해수에서 자라기 때문에 지속 가능한 바이오 공장을 만드는 데 이상적이다. 광합성 미생물 세포 공장은 거미줄은 물론이고 바이오 폴리머나 다른 단백질 제품을 생산하는 지속 가능한 친환경 플랫폼이 될 수 있다.

MaSp1이라는 요소는 거미줄 강도를 결정하는 중요한 요소인데, 연구진은 박테리아를 유전적으로 조작해 MaSp1을 생산한다. 로도불룸 설피도필룸의 게놈에 삽입된 염기 서열을 최적화하면 생산할 수 있는 비단실 양을 최대화할 수 있다. 또 효모 추출물, 질소 가스, 중탄산염의 간단한 조합, 적외선과 인공 해수로 박테리아가 잘 자라도록 하면 비단실 단백질의 생산 효율을 높일 수 있다.

이렇게 생산된 섬유의 내부 및 표면 구조는 거미에 의해 자연적으로 생산된 거미줄과 동일하다는 것이 추가 연구에서 확인됐다. 연구원 누마타 겐지는 "탄소 중립 공정을 통해 생분해성 바이오 기반 물질을 생산함으로써 국제연합이 채택한 지속 가능한 개발 목표를 달성하는 데 도움이 될 수 있으며, 폐기물 문제에서도 어느 정도 자유로워질 수 있다"고 말했다. 이런 공정은 전 세계적인 식량난, 물 부족, 에너지 위기, 지구 온난화, 폐기물 문제 등을 해결할 방안을 제시할 수 있다.

거미 전문가 폴 힐야드는 거미줄의 인장 강도가 같은 직경의 나일론 실만큼이나 강력하다고 설명했다. 거미줄은 끊어지기 전에 여러 번 늘어난다. 즉, 탄력은 나일론보다 뛰어나다. 거미줄은 같은 직경의 고무보다 질기다. 거미줄은 약 0.003mm 수준으로 얇다.

전 세계 합성 거미줄 비단실 시장의 가치는 2021년부터 2026년 사이에 16.7% 성장해 2026년에는 198억 4,000만 달러 수준에 이를 것으로 보인다. 가장 유명한 생산 업체는 볼트 스레드(Bolt Threads), 크레이그 바이오크래프트 연구소(Kraig Biocraft Laboratories), 스파이버(Spiber), 암실크(AMSilk) 등이다.

거미줄 비단실 섬유 및 합성 바이오 섬유 제조업체인 볼트 스레드는 생명 공학 분야의 핵심 업체로 연간 매출이 1,300만 달러 수준이다. 크레이그 바이오크래프트 연구소는 연간 매출이 100만 달러 수준이다. 스파이버는 연간 매출이 5,000만 달러 수준이다.

한편 내셔널 지오그래픽은 전 세계 서식지에 4만 5,000종 이상의 거미 종이 서식하고 있다고 설명했다. 지구상에서 가장 큰 거미가 주로 서식하는 곳은 아마존 밀림, 라오스, 호주, 미국 소노라 사막, 스리랑카, 브라질, 콜롬비아, 아프리카 등이다. 아마존에만 3,000여 종의 거미들이 살고 있다.