거미줄 단백질의 연구사

2002년 처음 영화로 개봉된 스파이더맨을 기억하시나요? 평범한 대학생이던 피터 파커는 어느 날 유전 공학 기술을 사용하여 만들어진 슈퍼 거미에 물리게 됩니다. 이 후 피터 파커는 평범했던 한 인간의 모습과 달리 뛰어난 민첩성과 운동 능력을 얻게 됩니다. 더 획기적인 것은 거미의 특징, 즉 건물과 건물 사이를 거미줄을 쏘며 날아 다니며 악당을 물리친다는 사실입니다. 여기서 우리는 “어떻게 피터 파크라는 평범한 인간이 건물과 건물 사이를 날아다닐 수 있는 힘 (Strength)과 뛰어난 탄성력 (Elasticity)을 얻을 수 있었을까요?” 라는 의문을 갖게 됩니다. 이러한 의문의 열쇠는 바로 거미가 만드는 거미줄, 즉 강철 (Steel) 보다 강한 거미 실크 단백질 (거미줄 단백질, Spider silk protein)이라는 사실입니다.

 

거미 실크 단백질은 거미가 만드는 단백질 섬유로 다른 포식자로부터 자식을 보호하기 위한 주거지 혹은 먹이를 얻기 위한 그물을 만드는데 사용하는 등 거미의 전 생애에 있어서 매우 중요한 역할을 해 왔다. 또한 바람을 이용한 이동 수단으로 사용되어 훗날 실크 단백질을 거미줄 (Gossamer)이라고 명명하게 되었다.

 

모든 거미는 사용 용도에 따라 7종의 실크 단백질을 생산하며 실크는 거미의 일상에서 중심 역할을 해 왔기 때문에 거미의 실크 생산과 사용은 매우 다양하게 진화해 왔다. 거미 실크 단백질 중 가장 강한 드래그라인 (Dragline) 실크는 p-aramid 섬유인 Kevlar와 비슷한 장력을 가지며 편모상 실크는 드래그라인 실크보다 약 2배의 탄성력을 가진다.

거미 실크 단백질은 셀룰로오스 (Cellulose)처럼 글라이신 (Glycine)과 알라닌 (Alanine)과 같은 아미노산 모티프의 반복된 형태를 가지며, 대부분 이러한 염기서열은 팽창된 실크의 β-sheet 부위에서 발견되었다. 이러한 β-sheet 부위들은 섬유에서 결정체 부위를 연결하는 형태를 이루며 실크 단백질의 높은 장력을 부여한다(그림 1, 출처: http://en.wikipedia.org/wiki/Spider_silk).

 

 

거미줄의 피롤리딘 (Pyrrolidine)성분은 흡습성 (Hygroscopic property)을 가지며 동시에 거미줄에 촉촉함을 유지시켜 준다. 또한 인산 수소 칼륨 (Potassium hydrogen phosphate)은 수용액 속에서 양성자 (Proton)을 생성하여 실크의 산성화를 유도함으로써 곰팡이와 박테리아로부터 거미줄을 보호하는 역할을 한다. 이러한 특성은 오늘날 실크 단백질, 특히 드래그라인 실크는 뛰어난 물성을 가져 방탄복, 낙하산, 외과용 실, 인공인대, 현수교를 지탱할 수 있는 케이블까지 다양한 제품에 이용할 수 있는 계기가 되었다(그림 2, 출처:코리아 타임즈, http://www.koreatimes.co.kr/www/news/tech/2011/08/325_93006.html ).

 

누에를 통해 만든 비단에 익숙한 사람들은 비단을 오랫동안 교역 수단으로 사용하였다. 누에는 한 종류의 비단 섬유만을 만들지만, 거미는 다양한 7가지 다른 섬유를 만들 수 있다고 미국 애리조나 대학교의 제프 얄저 (Jeff Yarger)는 설명하였다. 하지만, 지금까지 사용하지 않은 이유는 거미가 대량의 거미 섬유를 만들 수 없다는 점과 거미의 특성상 사육이 매우 어렵다는 점이다. 많은 과학자들은 이러한 장단점에도 불구하고 거미줄의 뛰어난 강도와 탄성력 등으로 인해 지금까지도 연구 대상이 돼 왔다.

 

이러한 연구는 1960년대로 거슬러 올라가게 된다. 1960년 피셔 (Fischer, F)와 브랜더 (Brander, J)는 거미 실크의 아미노산 구성 분석 (Amino acid composition analysis of spider silk)이라는 제목의 논문을 발표하게 되며, 루카스 (Lucas, F)는 두 편의 실크 피브론스 (Silk Fibrons)에 관한 논문을 발표하게 된다. 이 후 루카스는 처음으로 다른 물질과 거미 실크의 특성을 비교 분석한 “Spiders and their silks”라는 제목으로 과학 잡지 (Discovery)에 발표를 하게 된다. 거미 실크 단백질에 대한 연구는 1980 후반부터 2000년대 초반까지 활발히 진행되어 왔으며, 특히 거미 실크 단백질의 구조적 특성 연구가 대부분이었다. 1989년 볼라스 (Vollrath, F)와 에드몬스 (Edmonds, D.T.)는 물이 거미 실크 피브로인 (Spider silk fibroin)과 반응하여 실크의 특성을 조절한다는 내용의 “Modulation of the Mechanical Properties of Spider Silk by Coating with Water”를 네이처 (Nature)지에 발표하게 된다. 이 논문은 물과 거미 실크 단백질과의 상호 작용에 관한 내용으로 실크 단백질의 특성 조절에 대한 연구에 있어서 매우 중요한 자료가 되었다. 이 후 1992년부터 2002년 까지 거미 실크 단백질의 구조 연구 (NMR, Raman, X-ray 연구)가 주를 이루었다. 1996년 사이먼스 (Simmons, A)는 거미 실크 단백질의 특징 중 하나인 글라이신, 알라닌 아미노산 모티브의 반복된 형태에 대한 연구 결과를 사이언스 (Science)지에 발표하게 된다. 이 시기에는 대장균 (Escherichia coli, E. coli)을 사용한 인공 거미 실크 단백질 합성 연구가 시작되는 시점이기도 하다. 1995년 프린스 (Prince, J. T.)와 캐플런 (Kaplan, D. L.)은 처음으로 대장균에서 거미 실크 단백질을 성공적으로 합성하게 된다. 이 당시에 발표된 논문은 오늘의 거미 실크 단백질의 의료 산업 및 바이오 소재 개발 등 다양한 분야에 응용할 수 있는 계기를 마련해 준 중요한 시기가 되었다.

 

2000년대 초반부터 현재까지는 거미 실크 단백질의 분자 구조 연구를 바탕으로 실생활에 적용하려는 많은 연구가 진행 중이다. 미국 애리조나 대학교의 제프 얄저 (Jeff Yarger)와 그레고리 홀랜드 (Gregory Holland) 팀은 거미줄의 분자 구조를 연구하여 방탄 조끼에서 인조 근육까지 만들 수 있는 가능성을 보여 주었으며, 독일 베이레유쓰 대학 (University of Bayreuth)의 Thomas Scheibel 연구팀은 유전자 조작을 통해 거미 실크 단백질을 활용한 새로운 생체생합성 소재를 만들어 생명공학분야에 다양하게 응용될 수 있는 재조합 단백질을 합성 “Recombinant Spider Silk Proteins for Applications in Biomaterials”의 제목으로 Macromolecular Bioscience에 발표하였다(첨부 자료 참조).

 

인공 거미줄 단백질 생산을 통해 산업적으로 이용한 사례는 2000년대 초반에 찾을 수 있다. 2000년 캐나다 생명공학 회사인 넥시아 (Nexia)는 유전자 이식을 통해 염소에서 재조합 거미 실크 단백질을 성공적으로 생산하였으며, 습식방적 (wet spinning)을 이용하여 섬유물질 (Biosteel)을 만들었다. 2009년 영국의 미술역사학자 Simon Peers와 미국 사업가 Nicholas Godley는 100만 마리의 황금 원형거미에서 채취한 천연 거미줄을 사용하여 5년 동안 숄을 제작하였다. 2010년 3월 카이스트 (Korea Advanced Institute of Science & Technology, KAIST)는 황금무당거미의 한 종인 황금원형거미 (Nephila clavipes)의 유전자 조작을 통해 대장균에서 직접 거미 실크 단백질 합성에 성공하였다. 2010년 10월 크레이크 바이오크래프트 (Kraig Biocraft Laboratories)사는 와이오밍 대학과 프랑스 노트르담 대학의 멜콤 프레이저 주니어 교수의 유전자 조작 누에에 거미줄 단백질 성분을 바꾸어 주입함으로써 실크 생산을 가능케 하였다 (그림 3, 출처: http://blog.naver.com/sysneco?Redirect=Log&logNo=10140373780).

 

 

독일의 암실크 (AMSilk, http://www.amsilk.com/)사는 박테리아를 사용하여 스파이드로인 (Spidron) 생산을 통해 거미 실크 단백질을 만드는데 성공하였으며, 미국 CTFA (Cosmetic, Toiletry, and Fragrance Association)에 국제 화장품 원료로 등록하였다. 국내에서는 유일하게 피부미용에 적합한 수용성의 탄력신소재로 콜라겐의 대체는 물론 다양한 스킨케어에 적용이 가능한 바이오 스마트 소재인 바이오스틸 (인공거미줄 단백질 신소재)을 국내 최초로 넥스젠 (NEXGEN, http://www.nexgenbiotech.com/0925/main.html)사가 개발하여 암실크사에 이어 두 번째로 국제화장품원료로 등록하였다.

 

이처럼 1960년대부터 시작된 거미 실크 단백질 연구는 유전자 분석에서부터 단백질 구조 연구까지 끊임없는 노력과 함께 의료 산업 및 바이오 산업으로의 응용개발에 많은 연구자들이 현재까지도 연구를 진행 중에 있다. 아직까지도 풀어야 할 많은 숙제들이 있지만 현 과학자들은 앞으로 5년 이내에 거미 실크 단백질 응용개발의 문제점을 해결할 수 있을 것이라 내다보고 있으며, 앞으로 의료 산업과 바이오 산업에 있어서 획기적인 바이오 신소재로서의 거미 실크 단백질을 만날 수 있을 거라 기대하고 있다.