과학자들은 세계에서 가장 질긴 섬유 중 하나를 생산하는 자연의 과정을 모방하여 인공 땀샘을 사용하여 거미줄의 복잡한 분자 구조를 성공적으로 복제했습니다. 과학자들은 이 획기적인 발전이 궁극적으로 광범위한 실제 용도로 적응력이 뛰어나고 수요가 많은 물질을 생산할 수 있게 되는 큰 진전이라고 믿습니다.
지속 가능한 자원 과학을 위한 RIKEN 센터와 선구적인 연구를 위한 RIKEN 클러스터의 연구원들은 거미 몸에서 발생하는 물리적, 화학적 변화를 반영하도록 설계된 인공 실크 분비선을 만드는 새로운 방법을 사용하여 이러한 위업을 달성했습니다.
이러한 복잡한 생물학적 과정을 복제하는 것이 어렵기 때문에 인공 거미줄을 만드는 것은 쉽지 않습니다. 생체고분자 섬유는 거미줄로 알려진 매우 반복적인 서열을 가진 큰 단백질로 구성됩니다. 베타 시트는 실크에 인상적인 특성을 부여하기 위해 깔끔하게 배열되어야 하는 거미 실크 섬유의 분자 하부 구조입니다.
그 외에도 인공 땀샘에는 단백질이 실제처럼 보일 뿐만 아니라 실제처럼 행동하는 필라멘트 섬유로 자가 조립될 수 있도록 하는 정밀한 미세유체 메커니즘이 필요합니다.
RIKEN에서 연구를 주도한 Keiji Numata는 "이 연구에서 우리는 미세유체 기술을 사용하여 좁은 채널에서 소량의 유체의 흐름과 조작을 포함하는 천연 거미줄의 생산 과정을 시뮬레이션하려고 했습니다."라고 말했습니다. "사실 거미의 명주샘은 천연 미세유체 장치라고 말할 수 있습니다."
길이를 따라 움푹 들어간 채널이 있는 소박한 직사각형 상자와 유사한 인공 분비선은 복잡한 과정이 자연에서처럼 기능할 수 있도록 올바른 환경을 조성하려는 시행착오의 결과입니다. 한 가지 실수는 미세유체 시스템을 통해 단백질을 밀어내기 위해 힘을 사용하는 것이었습니다. 장치를 통해 척수 용액을 끌어당기려면 음압이 필요했습니다.
그러나 이 장애물이 극복되자 팀은 정렬된 베타 시트를 사용하여 연속 필라멘트 섬유를 생성하여 재료에 자연과 같은 특성을 부여할 수 있었습니다.
이번 연구의 공동저자인 선임 과학자 Ali Malay는 “다양한 조건이 확립되고 최적화되면 미세유체 시스템이 얼마나 강력해질 수 있는지는 놀랍습니다.”라고 말했습니다. "섬유의 조립은 자연스럽고 매우 빠르며 재현성이 뛰어납니다. 중요한 것은 섬유가 천연 실크 섬유에서 발견되는 뚜렷한 층 구조를 나타냈다는 것입니다."
"높은 재현성"이 핵심 특성입니다. 성공적인 복제에는 확장성 문제가 있으며, 거미 양식은 물류 및 생물학적 이유로 거의 불가능합니다. 실크의 저렴하고 효율적인 생산은 환경에 해를 끼치는 섬유 산업에 혁명을 일으킬 수 있으며 생체 적합성은 봉합사, 인공 인대 및 결합 조직 수술을 포함한 다양한 의료 용도에 이상적인 후보입니다.
"이상적으로 우리는 실제 세계에 영향을 미치고 싶습니다"라고 Numata는 말했습니다. "그렇게 하려면 섬유 생산 방법을 확장하고 이를 연속 공정으로 만들어야 합니다. 또한 다양한 측정 기준을 사용하여 인공 거미줄의 품질을 평가하고 이를 기반으로 추가 개선을 실시할 것입니다."
이번 연구는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 저널에 게재됐다.