남부 덴마크 대학교의 생물물리학자 Irina Iashina가 황금 거미줄 거미가 생산한 실크 섬유를 들고 있습니다. 출처: Anders Boe/남덴마크 대학교
많은 과학자들은 매우 강하고 가볍고 유연한 명주실을 뽑는 거미의 놀라운 능력을 발견하기를 열망합니다. 실제로 거미줄은 강철보다 강하고 케블라보다 질깁니다. 그러나 아직까지 거미의 작업을 복제할 수 있는 사람은 아무도 없습니다.
이러한 특성을 지닌 합성 등가물을 개발할 수 있다면 완전히 새로운 가능성의 세계가 열릴 수 있습니다. 합성 거미줄은 산업계에서 케블라, 폴리에스터, 탄소 섬유와 같은 소재를 대체할 수 있으며, 예를 들어 경량 소재를 만드는 데 사용될 수 있습니다. 그리고 유연한 제품. 방탄 재킷.
남부덴마크대학교(SDU) 생화학 및 분자생물학과의 박사후 연구원이자 생물물리학자인 Irina Iashina가 슈퍼실크의 제조법을 밝히기 위해 이번 경주에 참가했습니다. 그녀는 SDU 석사과정 때부터 거미줄에 매료되어 현재 보스턴에 있는 MIT에서 Velome Foundation의 지원을 받아 거미줄 주제를 연구하고 있습니다.
덴마크 남부 대학교의 생물물리학자 Irina Iashina가 컴퓨터로 거미줄을 연구하고 있습니다. 출처: Anders Boe/남덴마크 대학교
연구의 일환으로 그녀는 다양한 유형의 현미경을 사용하여 생물학적 구조를 관찰하는 전문가이자 SDU 조교수이자 생물물리학자인 Jonathan Brewer와 협력하고 있습니다.
그들은 이제 처음으로 거미줄을 자르거나 열지 않고 광학현미경을 사용하여 거미줄의 내부를 연구했습니다. 이 작품은 현재 저널에 게재되었습니다. 과학 보고서 그리고 스캔이 완료되었습니다.
“우리는 여러 가지 고급 현미경 기술을 사용했으며 섬유 조각을 관찰하고 내부에 무엇이 들어 있는지 확인할 수 있는 새로운 유형의 광학 현미경도 개발했습니다.”라고 Jonathan Brewer는 설명합니다.
황금 구 웹 거미는 뒷끝에서 실크를 생산합니다. 출처: Anders Boe/남덴마크 대학교
지금까지 거미줄은 다양한 기술을 사용하여 분석되었으며, 모두 새로운 통찰력을 제공했습니다. 그러나 조나단 브루어(Jonathan Brewer)가 지적한 것처럼 이러한 기술에는 단점도 있었습니다. 현미경 검사 또는 샘플 냉동을 위한 단면을 얻기 위해 실크 실(섬유라고도 함)을 절단해야 하는 경우가 많았기 때문에 실크의 구조가 변경될 수 있었습니다. 실크 섬유.
Irina Iashina는 “우리는 어떤 방식으로든 절단, 냉동 또는 가공되지 않은 순수하고 처리되지 않은 섬유를 연구하고 싶었습니다.”라고 말했습니다.
이를 위해 연구진은 Coherent Anti-Stokes Raman Scattering, 공초점 현미경, 초고해상도 형광 반사 공초점 현미경, 헬륨 이온 스캐닝 현미경, 헬륨 이온 스프레이 등 덜 침습적인 기술을 사용했습니다.
다양한 연구에 따르면 거미줄 섬유는 적어도 두 개의 지질 외부층, 즉 지질로 구성되어 있는 것으로 나타났습니다. 그 뒤에 있는 원섬유 안에는 일직선으로 배열되어 나란히 촘촘하게 채워져 있는 소위 원섬유가 많이 있습니다(그림 참조). 피브릴의 직경은 100~150 사이로 일반 광학현미경으로 측정할 수 있는 한계보다 작습니다.
삽화 과학 보고서 논문: 현재 연구에서 발견된 거미줄 섬유의 제안된 구조에 대한 도식(축척이 아님) 표현입니다. (A) 섬유 측면 보기, (B) 섬유를 통과하는 단면. 0.6~1μm 두께의 비전도성 지질이 풍부한 외부 층(녹색) 및 자가형광 단백질의 내부 전도성 층 2개: 하나는 FITC(파란색)에 대해 더 높은 친화력을 나타내고 다른 하나는 로다민 B(주황색)에 대해 더 높은 친화력을 나타냅니다. 내부 단백질 코어는 섬유의 장축과 평행하게 정렬된 결정질 섬유로 구성되며, 무정형 단백질 영역으로 둘러싸여 있습니다. 출처: Iachina/Brewer, 남부 덴마크 대학교.
Irina Iashina는 “상상했던 것처럼 비틀어지지 않았기 때문에 이제 인공 거미줄을 만들 때 비틀 필요가 없다는 것을 알게 되었습니다.”라고 말했습니다.
Iachina와 Brewer는 두 가지 유형의 실크를 생산하는 황금빛 거미줄 거미인 Nephila madagascariensis의 실크 섬유를 사용하여 작업합니다. 하나는 MAS(주요 팽대 실크 섬유)라고 불리는 것으로 거미줄을 만드는 데 사용되며 실크이기도 합니다. 거미가 달라붙는 데 사용하는 것입니다. Irina Iashina는 그것을 거미의 생명선이라고 부릅니다. 매우 강하며 직경이 약 10마이크로미터입니다.
MiS(마이크로 앰풀러리 실크 섬유)라고 불리는 다른 하나는 건축 보조제 역할을 합니다. 더 유연하며 일반적으로 직경이 5마이크로미터입니다.
이원 분석에 따르면 MAS 실크에는 직경이 약 145 nm인 원섬유가 포함되어 있습니다. MiS의 경우 약 116nm입니다. 각 섬유질은 단백질로 구성되어 있으며 여러 가지 다른 단백질이 관련되어 있습니다. 이 단백질은 거미가 실크 섬유를 만들 때 생산됩니다.
이렇게 강한 섬유가 어떻게 만들어지는지 이해하는 것도 중요하지만, 섬유를 생산하는 것도 어려운 일입니다. 따라서 이 분야의 연구자들은 거미줄을 생산하기 위해 종종 거미에 의존합니다.
대신 Irina Iashina가 현재 연구하고 있는 계산 방법을 사용할 수 있습니다. 매사추세츠 공과대학: “지금 저는 단백질이 어떻게 실크로 변하는지에 대한 컴퓨터 시뮬레이션을 실행하고 있습니다. 물론 인공 거미줄을 생산하는 방법을 배우는 것이 목표이지만 우리 주변 세계에 대한 이해를 높이는 데에도 관심이 있습니다. .”
참고 자료: Irina Iachina, Jacek Wiotowski, Horst Günter Ruban, Fritz Vollrath 및 Jonathan R. Breuer의 “구체 거미 Nephila Madagascariensis의 1차 및 2차 팽대부 실크의 나노스코픽 이미징”, 2023년 4월 24일, 과학 보고서.
도이: 10.1038/s41598-023-33839-z
Irina Iashina, Jonathan R.의 “헬륨 이온 현미경 및 거미줄 절편” Breuer, Horst Günter Ruban 및 Jacek Wojtowski, 2023년 5월 22일, 스캔이 완료되었습니다.
도이: 10.1155/2023/2936788
“경순은 통찰력 있고 사악한 사상가로, 다양한 음악 장르에 깊은 지식을 가지고 있습니다. 힙스터 문화와 자연스럽게 어우러지는 그의 스타일은 독특합니다. 그는 베이컨을 좋아하며, 인터넷 세계에서도 활발한 활동을 보여줍니다. 그의 내성적인 성격은 그의 글에서도 잘 드러납니다.”