많은 과학자들은 매우 강하고 무겁고 유연한 명주실을 뽑는 거미의 특별한 능력을 이해하고 싶어합니다. 실제로 거미줄은 강철보다 강하고 케블라보다 질깁니다. 그러나 아직까지 거미의 작업을 복제할 수 있는 사람은 아무도 없습니다.
이러한 특성을 지닌 합성 소재를 개발할 수 있다면 완전히 새로운 세상이 가능할 것입니다. 인공 거미줄은 예를 들어 가볍고 유연한 방탄 조끼를 만드는 등 산업 분야에서 케블라, 폴리에스터, 탄소 섬유와 같은 소재를 대체할 수 있습니다.
남부 덴마크 대학교(SDU) 생화학 및 분자생물학과의 박사후 연구원이자 생물물리학자인 Irina Iachina는 슈퍼 거미줄의 공식을 찾기 위한 경쟁에 참여하고 있습니다. 그녀는 남부덴마크대학교에서 석사과정을 밟으며 거미줄에 매료됐고, 현재는 빌룸 재단(Villum Foundation)의 지원을 받아 보스톤 MIT에서 거미줄 주제를 연구하고 있습니다.
그녀는 연구의 일환으로 다양한 현미경을 사용하여 생물학적 구조를 들여다보는 전문가이자 남부 덴마크 대학의 부교수인 생물물리학자 Jonathan Brewer와 협력하고 있습니다.
이제 그들은 처음으로 광학현미경을 사용하여 거미줄을 자르거나 열 필요 없이 거미줄의 내부 구조를 연구했습니다. 이번 연구 결과는 현재 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 및 스캔(Scan) 저널에 게재되었습니다.
Jonathan Brewer는 "우리는 여러 가지 고급 현미경 기술을 사용했으며 섬유 내부를 완전히 볼 수 있는 새로운 광학 현미경도 개발했습니다."라고 설명합니다.
현재까지 거미줄은 다양한 기술을 사용하여 분석되었으며, 모두 새로운 통찰력을 제공했습니다. 그러나 Jonathan Brewer가 지적한 것처럼 이러한 기술에는 단점도 있습니다. 현미경 검사를 위한 단면을 얻기 위해 실(섬유라고도 함)을 여러 섹션으로 절단해야 하거나 샘플을 동결시켜 실크 섬유의 구조를 변경할 수 있기 때문입니다.
Irina Iachina는 "우리는 절단, 냉동 또는 기타 조작되지 않은 순수한 섬유를 연구하고 싶었습니다."라고 말했습니다. 이를 위해 팀은 일관성 있는 반스토크스 라만 산란, 공초점 현미경, 초고해상도 공초점 반사 형광 고갈 현미경, 스캐닝 헬륨 이온 현미경 및 헬륨 이온 스퍼터링과 같은 덜 침습적인 기술을 사용했습니다.
다양한 연구에 따르면 거미줄 섬유는 지질 또는 지방으로 이루어진 적어도 두 개의 외부 층으로 구성되어 있는 것으로 나타났습니다. 그 뒤에, 즉 섬유 내부에는 직선으로 밀접하게 나란히 배열된 소위 필라멘트가 많이 있습니다(그림 참조). 섬유의 직경은 100~150으로 일반 광학현미경의 측정 한계보다 작습니다.
Iachina는 "사람들이 생각하는 것만큼 많이 꼬이지 않기 때문에 이제 우리는 합성 거미줄을 만들 때 꼬일 필요가 없다는 것을 알고 있습니다."라고 말했습니다.
Ichina와 Brewer가 사용하는 거미줄 섬유는 마다가스카르 황금 궤도 거미(Nephila Madagascariensis)에서 나옵니다. 이 거미는 두 가지 유형의 거미줄을 생산합니다. 하나는 MAS(Major Ampullate Silk Fibers)라고 하며 거미줄을 만드는 데 사용되며 거미가 매달기 위해 사용하는 거미줄은 거미의 생명줄로 간주됩니다. 그것은 매우 강하고 직경이 약 10 마이크론입니다.
다른 하나는 건축용 부자재인 MiS(Minor Ampullate Silk Fiber)입니다. 더 탄력적이며 일반적으로 직경이 5미크론입니다. 두 사람의 분석에 따르면 MAS 실크에는 직경이 약 145나노미터인 섬유가 포함되어 있습니다. MiS의 직경은 약 116나노미터이다. 각 섬유질은 단백질로 구성되어 있으며, 다양한 단백질이 관련되어 있습니다. 이 단백질은 거미가 실크 섬유를 만들 때 생산됩니다.
이렇게 강한 섬유를 만드는 방법을 이해하는 것은 중요하지만 만드는 것도 어렵습니다. 따라서 해당 분야의 연구자들은 종종 거미에 의존하여 거미줄을 생산합니다.
또는 Irina-Ichna가 현재 MIT에서 하고 있는 컴퓨터 방법을 사용할 수도 있습니다. "지금 저는 단백질이 실크로 변환되는 과정에 대한 컴퓨터 시뮬레이션을 하고 있습니다. 물론 인공 거미줄을 생산하는 방법을 배우는 것이 목표이지만 사람들이 우리 주변 세계를 더 잘 이해하도록 돕는 데에도 관심이 있습니다."