꿈의 섬유

거미는 새벽 3시에 거미줄 중앙에 매달려 있는데, 손전등을 비추면 광섬유 케이블처럼 빛을 반사하는 실크를 볼 수 있습니다. 어떻게 보면 한 가닥 한 가닥이 머리카락보다 가늘지만, 전속력으로 달리는 벌을 끊어지지 않고 멈출 수 있는 거미줄입니다. 벌이 튀어오릅니다. 거미줄이 구부러집니다. 거미는 깨어나지도 않습니다.

이 작은 물리학 데모는 30년 동안 재료 과학자들을 사로잡았습니다.

거미줄 실크의 인장 강도는 약 1.0~1.5 GPa로 고급 강철과 비슷한 수준이라는 점이 이러한 집착을 합리적으로 만드는 이유입니다. 하지만 중요한 사실은 실크의 밀도가 강철의 약 6분의 1이라는 점입니다. 즉, 무게 기준으로 거미줄 한 가닥은 같은 무게의 강철보다 5배 더 강하다는 뜻입니다. 방탄 조끼의 소재인 케블라보다 더 강해 부러지기 전에 더 많은 에너지를 흡수합니다. 거미줄은 길이의 40퍼센트를 늘릴 수 있고 완벽하게 다시 붙을 수 있습니다. 그리고 거미는 상온의 복부에서 소화된 벌레와 물로 방탄복을 만들었습니다. 공장도 없고. 석유도 없습니다. 섭씨 1,500도로 달구는 용광로도 없습니다.

국방 기관과 민간 기업들은 지난 30년 동안 이 기술을 모방하기 위해 수억 달러를 쏟아 부었습니다.

여전히 그럴 수 없습니다.

찾기를 거부하는 성배

1990년대 후반, 와이오밍 대학교의 한 연구원이 거미줄 단백질 유전자를 염소에 복제하는 데 성공했습니다. 언론은 열광했습니다. 시간 잡지는 전투에 혁신을 가져올 방탄 조끼에 관한 기사를 실었습니다. 방위 계약업체에서 전화가 오기 시작했습니다. 벤처 자본가들이 수표를 쓰기 시작했습니다.

지금으로부터 33년 전의 일입니다.

거미줄 방탄 조끼는 여전히 살 수 없습니다. 거미줄 로프나 거미줄 낙하산 코드, 거미줄 수술용 봉합사도 대량으로 구입할 수 없습니다. 몇몇 부티크 섬유 회사에서 “거미줄 실크 섬유'로 만든 $300 넥타이를 판매하지만, 작은 글씨를 읽어보세요. 일반적으로 산업용으로 필요한 톤 단위가 아닌 연간 킬로그램 단위로 생산되는 일반 합성 섬유와 혼합된 제품입니다.

거미줄이 어떻게 작동하는지는 현대 재료 과학의 핵심 미스터리입니다. 거미줄의 유전자를 해독하고 분자 구조를 매핑했으며 거미줄 구조의 모든 나노미터를 분석하는 수천 편의 동료 검토 논문을 발표했습니다. 또한 박테리아, 효모, 염소, 누에, 심지어 유전자 변형 알팔파에서도 이 단백질을 성공적으로 생산해냈습니다.

하지만 30년간의 노력과 수억 달러의 투자, 인류가 개발한 가장 정교한 생명공학 기술에도 불구하고 거미줄은 여전히 실험실의 호기심에 머물러 있습니다.

문제는 거미줄이 놀라운지 여부가 아닙니다. 문제는 그토록 놀랍고 철저하게 이해된 무언가가 왜 거미 밖에서는 존재하지 않는가 하는 것입니다.

모두가 그토록 간절히 원했던 이유

이 집착을 이해하려면 거미줄이 메우기 위해 고안된 것처럼 보이는 소재 세계의 간극을 이해해야 합니다.

현대 문명은 의외로 적은 수의 고성능 소재로 작동합니다. 가볍고 튼튼한 것이 필요하다면 자전거와 항공기에 사용되는 탄소 섬유를 사용하지만 깨지기 쉽습니다. 충격을 완벽하게 흡수하는 소재가 필요하다면 방탄복에 쓰이는 케블라를 사용하지만 강도가 무겁습니다. 무게가 엄청나게 강한 것이 필요하다면 절단 방지 장갑에는 탁월하지만 강성이 필요한 모든 것에는 끔찍한 초고분자량 폴리에틸렌을 사용합니다.

모든 재료는 서로 다른 특성을 가지고 있습니다. 강도가 높다는 것은 일반적으로 취성을 의미합니다. 인성은 보통 무게를 의미합니다. 유연성은 보통 약함을 의미합니다.

거미줄은 이러한 규칙을 깨는 것처럼 보였습니다.

거미는 공학 소재가 도달할 수 없는 강도-인성 곡선의 마법 같은 지점에 위치해 있습니다. 거미가 안전줄과 거미줄의 방사형 실로 사용하는 드래그 라인 실크 한 가닥은 강철에 필적하는 강도와 케블라를 능가하는 인성을 가지고 있습니다. 둘 중 하나가 아닙니다. 둘 다입니다.

이러한 융합은 매우 다른 산업 분야에서 보기 드문 합의의 순간을 만들어냈습니다. 미 국방부는 더 많은 총알 에너지를 흡수할 수 있는 더 가벼운 방탄복을 원했습니다. 섬유 제조업체는 석유가 필요 없는 생분해성 기능성 원단을 원했습니다. 의료 기기 회사는 신체가 거부하지 않는 생체 적합성 봉합사를 원했습니다. 항공우주 엔지니어들은 초경량 테더와 복합 소재를 원했습니다.

그들은 모두 거미줄을 원했습니다.

거미줄은 우리가 합성할 수 있는 것보다 더 강하고, 지속 가능하게 생산되며, 생체 조직과 호환되는 21세기를 위해 특별히 고안된 소재처럼 보였습니다. 과학자들이 소프트웨어 코드처럼 유전자를 편집하는 방법을 막 배우던 생명공학 혁명의 초창기에는 거미줄이 자연이 이미 가장 어려운 재료 문제를 해결했다는 증거처럼 보였습니다. 우리가 해야 할 일은 레시피를 복사하는 것뿐이었습니다.

진화가 이 물질을 최적화하는 데 4억 년이라는 시간을 보냈다는 논리는 매우 매력적이었습니다. 우리는 청사진을 빌리기만 하면 되었습니다.

그렇지 않은 “완벽한 소재”

하지만 여기서부터 이야기가 흥미로워지고 초기 과대 광고가 풀리기 시작합니다.

“강철보다 강하다”는 말은 기술적으로는 사실이지만 의미적으로는 오해의 소지가 있습니다. 거미줄은 엔지니어들이 비강도라고 부르는 무게 기준으로 강철보다 더 강합니다. 이는 1그램이 중요한 항공기나 우주선을 제작하는 경우 매우 중요합니다. 절대적인 강도와 강성이 필요한 다리나 건물을 짓는다면 그 중요성은 훨씬 덜합니다.

그리고 강성은요? 바로 여기서 거미줄의 한계가 고통스럽게 드러납니다.

재료 과학자들은 강도(부러지는 데 필요한 힘의 양), 강성(늘어나거나 구부러지는 데 저항하는 정도), 인성(고장 나기 전에 흡수할 수 있는 에너지의 양)이라는 세 가지 주요 차원에서 성능을 고려합니다. 이를 3방향 트레이드오프로 시각화할 수 있습니다. 탄소 섬유는 고강도, 고강성 코너가 강하지만 충격을 받으면 부서집니다. 케블라는 고강성 영역을 지배하지만 특별히 강하지는 않습니다. 고무는 탄성이 있지만 약합니다.

거미줄은 뛰어난 강도와 뛰어난 인성을 겸비한 특이한 소재입니다. 거미줄은 엄청난 양의 에너지를 끊어지지 않고 흡수할 수 있어 날아다니는 곤충을 막거나 이론적으로는 충격력을 분산시키는 데 이상적인 초강력 소재입니다.

하지만 탄소 섬유나 고급 강철만큼 강도는 높지 않습니다. 항공우주 프레임, 자동차 부품, 건축 자재 등 견고한 구조가 필요한 분야에서는 거미줄이 경쟁 상대가 되지 못합니다. 하중을 받아도 모양을 유지해야 하는 곳에서는 구부러지고 변형될 수 있습니다.

그리고 열 및 화학적 안정성 문제도 있습니다. 케블라는 섭씨 400도까지 견딜 수 있습니다. 탄소 섬유는 더 높은 온도에서도 견딜 수 있습니다. 거미줄은요? 거미줄은 단백질입니다. 수화된 거미줄 단백질은 60~80°C에서 변성되기 시작하지만, 마른 섬유는 200°C 이상에서도 견딜 수 있지만 극한의 열 환경에서는 아라미드보다 훨씬 떨어집니다. 자외선에 장시간 노출되면 품질이 저하됩니다. 특정 용매에 닿으면 용해됩니다.

이는 사소한 기술적 문제가 아닙니다. 이는 애플리케이션의 전체 범주를 없애는 근본적인 제약 조건입니다.

초기 마케팅에서는 이를 언급하지 않았습니다. “기적의 소재”라는 이야기는 거미줄이 합성 소재보다 전반적으로 더 우수하다는 보편적인 우월성을 암시했습니다. 거미줄을 만드는 방법만 알아내면 모든 고성능 애플리케이션이 자연스럽게 거미줄로 전환할 것이라고 제안했습니다.

이는 위험한 지나친 단순화로 밝혀졌으며, 생체 모방의 철학적 유혹이라는 더 깊은 속내를 드러냈습니다.

재료 과학에는 자연이 이미 인간의 가장 어려운 문제를 해결했으며, 4억 년에 걸친 연구개발을 통해 진화가 우리가 상상조차 할 수 없는 최적화된 솔루션을 가지고 있다는 거의 낭만적인 믿음이 있습니다. 때로는 이것이 사실일 때도 있습니다. 벨크로는 버에서 탄생했습니다. 상어 가죽에서 영감을 얻은 표면은 저항을 줄입니다. 게코 발은 새로운 접착제에 영감을 주었습니다.

하지만 거미줄은 “자연을 모방하는 것'이 영리한 공학이 아니라 함정이 된 사례라는 교훈을 주는 이야기가 되었습니다. 왜냐하면 진화가 실제로 최적화한 것은 바로 자신의 몸에서 생산할 수 있는 구조로 날아다니는 곤충을 잡아야 하고, 손상되면 재활용할 수 있으며, 외부 에너지나 도구 없이 전개해야 하는 독보적인 포식자였기 때문입니다.

진화는 공장, 수익률, 산업 처리량, 품질 관리, 규제 승인, 킬로그램당 비용 등을 최적화하지 않았습니다.

거미는 산업 표준에 따라 실크 생산이 “비효율적'이라는 사실에 신경 쓰지 않습니다. 거미는 이 공정이 아주 작은 규모에서만 작동한다는 사실도 신경 쓰지 않습니다. 거미는 한 가닥을 만드는 데 몇 초밖에 걸리지 않는 나노 단위의 정밀도가 필요하다는 사실도 신경 쓰지 않습니다. 거미는 세상에 모든 시간이 있고, 자유로운 생물학적 노동력을 사용하며, 실수를 먹음으로써 실수를 재활용합니다.

저희는 그런 사치를 누리지 못합니다.

끊어지지 않는 순환

하지만 5~7년마다 같은 헤드라인이 다시 등장합니다: “과학자들이 초강력 거미줄을 만들다.” 보도 자료는 일정한 틀을 따릅니다. 한 연구팀이 단백질 생산에 획기적인 성과를 거두었다거나, 섬유 특성이 약간 개선되었다거나, 거미의 방적망에서 영감을 얻은 새로운 방적 기술을 발표했다는 식입니다. 기자들은 이를 “게임 체인저”라고 부릅니다. 국방 관련 잡지는 숨 가쁘게 특집을 진행합니다. 벤처 캐피탈 회사들은 피치 미팅 일정을 잡습니다.

그러면 조용히 아무것도 바뀌지 않습니다.

수백만 달러를 모금한 기업들은 “인접 시장”으로 방향을 전환합니다. 유망한 스핀아웃 기업은 의료 기기 회사가 되었다가 생체 재료 컨설팅 회사가 되었다가 파산 신청서의 각주로 사라집니다. 연구원들은 연구 결과를 발표하며 “산업적 스케일업은 여전히 어렵다”고 지적하고 연구실로 돌아갑니다.

이 사이클은 충분히 반복되어 과학 저널리즘의 고유한 장르로 자리 잡았고, 항상 5년 후의 기적 같은 소재가 되었습니다.

왜 이런 일이 계속 발생하나요?

그 중 일부는 구조적입니다. 거미줄은 시각적으로 놀랍습니다. 거미줄은 사실상 스스로를 촬영합니다. 거미와 벌의 대결 영상은 과학 다큐멘터리의 단골 소재입니다. “강철보다 강하고 깃털보다 가볍다”는 문구는 마케팅의 금과옥조입니다. 여기에 “생체 모방”이라는 단어를 추가하면 기술자, 환경운동가, 미래학자에게 동시에 어필할 수 있는 스토리가 완성됩니다.

모든 딥테크 투자자들은 혁신적인 생체 소재, 거대한 전체 시장(군사! 의료! 섬유!), 지속 가능한 생산, 상용화를 향한 명확한 경로 등 거미줄의 핵심 요소를 알고 있습니다. 거미줄은 모든 음에 닿습니다. 완벽한 피치 덱입니다.

하지만 더 깊은 의미가 있습니다. 몇 년마다 한 팀이 진정으로 새로운 것을 성취합니다. 그들은 효모에서 더 높은 수율로 단백질을 발현하도록 합니다. 그리고 용액에서 단백질이 뭉치는 것을 방지하는 방법을 알아냅니다. 거미의 자연적인 과정을 모방하는 데 조금 더 근접한 더 나은 합성 방적기를 설계합니다.

다음은 실제 발전된 내용입니다. 자연 또는 과학, 그리고 그들은 진정으로 이 분야를 발전시키고 있습니다. 10%의 섬유 강도가 더 우수하다는 실험실 데모는 정당한 과학적 진보입니다. 이 같은 결과가 “차세대 방탄복'에 대한 보도 자료로 포장되면 갑자기 사이클이 다시 시작됩니다.

문제는 과학을 발전시키는 것과 제조업을 발전시키는 것은 같은 것이 아니라는 점입니다. 과학적 진보는 논문과 인용 횟수로 측정됩니다. 산업 발전은 연간 톤과 킬로그램당 달러로 측정됩니다. 대학 실험실의 개념 증명과 수익성 있는 제품이 대규모로 출시되는 것 사이의 간극은 거미줄이 30년 동안 반복적으로 죽어 온 곳입니다.

좁혀지지 않는 격차

유전자 변형 유기체를 사용하여 거미줄 단백질을 산업적으로 대량으로 생산할 수 있는 방법이 있습니다. 기업들은 이를 입증했습니다. 단백질은 존재합니다. 전문 공급업체를 통해 제한된 수량으로 구매할 수 있습니다.

이 단백질을 거미줄을 특별하게 만드는 특성을 유지하는 섬유로 변환하는 것, 즉 상업적으로 합당한 비용으로 산업 생산에 필요한 속도와 규제된 시장이 요구하는 일관성을 유지하면서 생산할 수 있는 방법을 아직 알지 못합니다.

값비싼 단백질 용액이 담긴 통과 사용 가능한 섬유 스풀 사이의 이 격차는 수억 달러와 수천 명의 연구원들의 세월을 집어삼켰습니다.

거미는 약 3초 만에 복부를 뚫고 들어갑니다. 어떻게 하는지는 아직 모르겠습니다.

글쎄요, 그건 사실이 아닙니다. 우리는 그 과정을 매우 자세하게 설명할 수 있다는 점에서 그 방법을 알고 있습니다. 거미의 실크샘은 쌀알보다 작은 공간에서 pH를 조절하고, 이온 구배를 관리하고, 정밀한 전단력을 가하고, 분자 자기 조립을 촉발하는 등 화학적, 기계적인 경이로움을 동시에 수행합니다. 모든 단계를 분자 해상도로 매핑했습니다.

우리가 할 수 없는 것은 킬로그램당 약 $2의 비용이 들고 연간 수백만 톤의 양을 생산하는 나일론과 경쟁하는 데 필요한 속도와 양으로 공장에서 그 공정을 복제하는 것입니다.

여기서 생체 모방 함정이 잔인하게 드러납니다. 거미의 방적망은 크기가 작고 느리게 작동하며 생화학적으로 정밀하게 제어되는 생체 시스템에 통합되어 있기 때문에 작동합니다. 이를 더 크고, 더 빠르고, 산업 장비와 호환되도록 확장하면 물리학이 무너집니다. 유체 역학이 달라집니다. 스파이더 스케일에서 단백질을 완벽하게 정렬하는 전단력은 공장 규모에서 난류를 생성합니다. 미세한 덕트에서 작동하는 이온 구배는 파이프에서 유지하기가 불가능해집니다.

거미를 이해하지 못하는 것은 아닙니다. 우리는 거미의 메커니즘을 매우 상세하게 이해하고 있습니다. 문제는 이해가 엔지니어링으로 이어지지 않는다는 것입니다. 거미의 솔루션은 거미라는 존재에 절묘하게 최적화되어 있습니다. 공장이라는 공간에 매우 최적화되어 있습니다.

거미줄 산업이 30년 동안 해결하려고 노력해 온 불편한 진실은 이 소재는 매우 뛰어나지만 액체 단백질을 고체 섬유로 변환하는 제조 공정은 최고의 산업 장비로는 경제적으로 실행 가능한 속도로 달성할 수 없는 수준의 나노 단위 제어가 필요하다는 점입니다.

거미 수준의 속도로 거미 수준의 섬유를 생산하여 킬로그램당 수천 달러의 비용으로 하루에 그램을 생산할 수 있습니다. 또는 산업 규모의 속도로 하루에 수 톤을 생산할 수도 있지만, 그 결과 섬유는 애초에 거미줄을 특별하게 만들었던 특성을 잃게 됩니다. 강도가 떨어집니다. 인성이 떨어집니다. 결국 케블라나 일반 나일론과 경쟁할 수 없는 값비싸고 평범한 합성 섬유만 남게 됩니다.

하이젠베르크의 불확정성 원리의 재료 과학 버전: 만드는 방법을 알거나 크기를 조정하는 방법을 알 수 있지만, 두 가지를 동시에 알 수는 없습니다.

거미줄을 넘어선 거미줄이 중요한 이유

이 이야기는 과학이 잘못되어 실패한 기술에 대한 이야기가 아닙니다. 거미줄은 작동합니다. 거미줄은 존재합니다. 거미는 지구상의 모든 육상 생태계에 분포하는 연간 수백만 톤의 거미줄을 지속적이고 안정적으로 생산합니다.

이 이야기는 과학적 성과와 상업적 실행 가능성, 즉 실험실에서 가능한 것과 시장에서 가능한 것 사이의 잔인한 격차에 대한 이야기입니다. “자연을 모방하는 것'이 왜 엔지니어에게 매력적이지만 종종 오해의 소지가 있는 전략인지에 대한 이야기입니다. 이는 7~10년 안에 수익을 요구하는 벤처 캐피탈의 일정과 일반적으로 개념에서 상업적 규모까지 15~20년이 걸리는 재료 과학 개발 주기 사이의 구조적 불일치에 관한 이야기입니다.

무엇보다도 단백질을 저렴하게 생산하고, 구조를 유지하고, 산업 속도로 섬유로 회전시키고, 배치 간 일관성을 보장하고, 이 모든 것을 50년 동안 제조 최적화를 거친 재료와 경쟁할 수 있는 비용으로 수행하는 등 하나의 어려운 문제가 아니라 다섯 가지 문제를 동시에 해결해야 하는 복합적인 어려움에 관한 문제입니다.

거미줄은 생체 모방이 과대 포장된 교과서적인 사례가 되었습니다. 자연을 모방하는 데 집중하다 보니 업계는 사람들이 구매할 수 있는 고성능 섬유를 만드는 실제 목표에서 멀어졌습니다. 거미 유전자에서 유래한 섬유든 완전히 합성된 섬유든 성능과 비용만이 중요했습니다.

살아남은 기업들은 이 교훈을 배웠습니다. 이들은 거미의 과정을 완벽하게 재현하려는 순수한 생체 모방 접근 방식을 조용히 포기하고 완전히 다른 제조 방법을 사용하면서 원리를 차용하는 생체 영감 방식을 채택했습니다. 일부는 벌크 섬유를 완전히 포기하고 대신 수술용 임플란트에 들어가는 몇 그램의 재료가 수천 달러에 판매되어 생산 비용이 중요하지 않은 고수익 의료 분야에 집중하고 있습니다.

거미 단백질을 완전히 포기하고 실크의 분자 구조(블록 구조, 결정질-비결정질 균형)를 모방한 합성 폴리머를 설계하여 생물학적 문제를 해결한 연구도 있습니다. 이러한 소재는 “진짜” 거미줄은 아니지만 실제로 시장에 출시될 수 있습니다.

거미는 여전히 거미줄에 매달려 우리가 감탄할 수 있지만 대규모로 복제할 수 없는 물질로 먹이를 감싸고 있습니다. 30년, 수십억 달러의 투자, 수천 편의 연구 논문을 통해 우리는 혁신에 대한 심오한 교훈을 얻었습니다. 자연에서 가장 우아한 솔루션이 때로는 업계에서 최악의 템플릿이 될 수 있다는 것입니다.

거미의 뱃속에서 3초 만에 일어나는 나노 단위의 안무라는 비밀이 산업화를 거부하고 있기 때문에 기적의 섬유는 기적으로 남아 있습니다. 레시피는 해독했지만 주방은 만들지 못했습니다. 청사진은 읽었지만 건물을 지을 수 없습니다.

어쩌면 이것이 진짜 이야기일지도 모릅니다. 우리가 거미를 모방하는 데 실패했다는 것이 아니라, 자연의 업적 중 일부는 전혀 모방할 수 없다는 것을 천천히, 많은 비용을 들여 반복해서 배웠다는 것입니다. 진화와 공학은 완전히 다른 규칙을 가지고 완전히 다른 게임을 하며, 완전히 다른 목표를 위해 최적화한다는 것을 가르쳐 줍니다.

거미는 수익률이나 벤처 캐피털의 투자 일정, 킬로그램당 비용 따위는 신경 쓰지 않습니다. 그저 다음 먹이를 잡기만 하면 됩니다.

우리는 섬유로 세상을 바꾸고 싶었습니다. 거미는 그저 저녁을 먹고 싶었을 뿐입니다.

그 어떤 기술적 과제보다도 이러한 불일치가 꿈의 섬유가 꿈으로만 남아있는 이유입니다.

자연의 걸작: 거미줄이 특별한 이유

거미줄 한 가닥을 가져다가 전자 현미경으로 관찰하면 눈에 띄지 않는 매끄럽고 균일한 원통형, 즉 가로 5마이크론 정도의 원통이 보일 것입니다. 분자 수준까지 더 가까이 확대하면 재료 과학자들이 대성당이나 교향곡에 주로 사용하는 단어로 설명하는 우아하고 정밀하며 완벽하게 조율된 무언가를 발견할 수 있습니다.

여러분이 보고 있는 것은 산업 화학자들이 아직 완전히 재현하지 못한 문제에 대한 자연의 해결책, 즉 상온에서 단백질과 물만 사용하여 3초 만에 강하고 견고하며 탄성이 있는 소재를 만드는 방법에 대한 해결책입니다.

비결은 재료에 있는 것이 아닙니다. 아키텍처에 있습니다.

작동해서는 안 되는 분자 청사진

기본부터 시작하세요. 거미줄은 단백질, 특히 스피드로인이라고 불리는 단백질의 일종입니다. 고등학교 생물학을 수강했다면 단백질을 특정 모양으로 접히는 긴 아미노산 사슬이라고 기억하실 것입니다. 헤모글로빈은 산소를 운반합니다. 인슐린은 혈당을 조절합니다. 효소는 반응을 촉매합니다.

거미줄 단백질은 다른 역할을 합니다. 구조를 형성합니다.

여기서 흥미로운 점이 있습니다. 힘줄의 콜라겐, 머리카락의 케라틴 등 자연계에 존재하는 대부분의 구조 단백질은 비교적 단순하고 반복적인 사슬로 이루어져 있습니다. 분자가 충분히 모여 있으면 강력한 힘을 발휘합니다.

스피드로인은 다릅니다. 스파이드로인은 레고 블록처럼 모듈식이며, 각기 다른 기능을 하는 뚜렷한 섹션으로 구성되어 있습니다. 일부 구간은 아미노산 알라닌이 풍부하여 자연적으로 단단하고 결정적인 시트를 형성하는 순서로 배열된 긴 사슬을 상상해 보세요. 다른 부분은 글리신이 풍부하여 느슨한 무정형 영역을 만들어 유연성을 유지합니다.

이것은 무작위가 아닙니다. 이는 의도적인 분자 구조입니다.

알라닌이 풍부한 블록은 화학자들이 베타시트라고 부르는 평평한 층상 구조로 접히는데, 단백질 사슬이 수소 결합으로 서로 결합된 채 종이처럼 겹겹이 쌓여 있습니다. 이 결정 영역은 강하고 단단합니다. 섬유의 골격으로 인장 강도를 제공합니다.

글리신이 풍부한 블록은 그 반대입니다. 이들은 느슨하고 무질서한 상태를 유지하여 늘어나고 변형될 수 있는 무정형 영역을 형성합니다. 이것이 섬유의 충격 흡수 장치로 탄력과 에너지 흡수를 제공합니다.

두 구조 모두 그 자체로는 특별히 특별하지 않습니다. 결정질 단백질은 강하지만 부서지기 쉬우며 스트레스를 받으면 부서집니다. 무정형 단백질은 유연하지만 약해서 영구적으로 변형됩니다. 하지만 이 두 가지를 같은 분자 사슬을 따라 정확한 비율로, 정확한 간격으로 결합하면 놀라운 일이 일어납니다.

고무처럼 늘어나고 강철처럼 단단하게 고정되는 소재를 사용하세요.

작동하는 계층 구조

하지만 그 마법은 분자 수준에서 멈추지 않습니다. 거미줄의 비밀은 구조 안에 구조가 있고 구조 안에 구조가 있는 계층적 구조로 구성되어 있으며 각 단계마다 새로운 기능이 추가된다는 점입니다.

나노미터 규모에서 개별 스피드로인 분자는 서로 평행하게 정렬되어 결정 영역이 부드러운 비정질 매트릭스에 내장된 작고 단단한 도메인을 형성합니다. 철근과 콘크리트가 같은 분자로 만들어졌지만 접힌 형태만 다르다는 점을 제외하면 콘크리트 속의 철근과 같다고 생각하면 됩니다.

이렇게 정렬된 분자들은 서로 묶여 약 100나노미터의 단백질 케이블인 나노섬유로 만들어집니다. 나노섬유는 서로 꼬이면서 원섬유로 변합니다. 피브릴은 최종 섬유로 정렬됩니다.

모든 수준에서 정렬은 매우 중요합니다. 분자가 무작위로 뒤섞여 있으면 섬유는 대부분의 강도를 잃게 되고 결정 영역이 하중을 공유하지 못해 전체 구조가 스트레스를 받아 무너집니다. 거미는 액체 단백질이 회전 덕트를 통해 흐르는 방식을 제어하고 전단력과 화학적 트리거를 사용하여 분자가 굳기 전에 제자리에 고정시킴으로써 거의 완벽한 정렬을 달성합니다.

여기서 인간의 제조업은 첫 번째 큰 벽에 부딪힙니다. 우리는 단백질을 만들 수 있습니다. 심지어 제대로 접히게 만들 수도 있습니다. 우리가 할 수 없는 것은 수백만 개의 단백질 분자가 액체에서 고체로 전환할 때 완벽하게 정렬되도록 하는 것입니다.

거미는 사람 머리카락보다 좁은 덕트에서 약 3초 동안 하루에 수천 번씩 결함 없이 이 작업을 수행합니다.

저희는 30년 동안 이를 재현하기 위해 노력해 왔습니다.

실크마다 다른 역할을 하는 이유

거미 한 마리가 각각 특정 기능에 최적화된 최대 7가지 종류의 실크를 생산한다는 사실은 대부분의 사람들이 잘 모르는 사실입니다. 정원에 앉아 있는 거미는 단순히 하나의 소재를 짜는 것이 아니라 소재 공장을 운영하고 있는 것입니다.

웹의 구조적 틀인 끈적임 없는 방사형 실과 외부 지지선은 드래그 라인 실크라고도 불리는 주요 앰풀레이트 실로 만들어집니다. 모두가 “기적의 섬유”라고 부르는 이 소재를 연구합니다. 강하고 질기며 비교적 뻣뻣합니다. 거미는 이 한 가닥에 목숨을 걸고 표면에서 떨어질 때 안전줄로 사용합니다.

실제로 곤충을 잡는 끈적끈적한 포획 나선형? 그것은 다양한 땀샘으로 만들어진 점성 실크입니다. 드래그 라인에 비해 약해서 손가락 사이로 쉽게 끊어질 수 있지만, 놀라울 정도로 신축성이 있고 끈적끈적한 당단백질 방울로 코팅되어 있습니다. 곤충을 잡아두는 것이 아니라 거미가 도착할 수 있을 만큼 오래 가두는 역할을 합니다.

알 주머니는 질기지만 유연한 원통형 실로 감싸져 있어 알을 부수지 않고 보호하는 데 최적화되어 있습니다. 거미는 먹이를 감쌀 때 대량으로 생산되고 쉽게 몸에 달라붙는 원추형 실크를 사용합니다.

실크마다 단백질 구성이 다르고, 결정질과 비정질의 비율이 다르며, 기계적 특성이 다릅니다. 거미는 하나의 슈퍼 소재를 만들지 않습니다. 거미는 각자의 임무에 완벽하게 부합하는 특수한 재료로 구성된 툴킷을 만듭니다.

업계가 드래그라인 실크에 주목하는 이유는 단 하나, 최고의 다재다능한 특성을 지니고 있기 때문입니다. 구조용에 적합할 만큼 강하고, 에너지 흡수에 적합할 만큼 견고하며, 충격을 견딜 수 있을 만큼 신축성이 있는 골디락스 섬유입니다. 방탄복, 고성능 섬유 또는 항공우주 부품에 가장 가까운 천연 유사 소재입니다.

하지만 드래그 라인에 대한 이러한 집중은 산업적 편견을 드러내기도 합니다. 우리는 케블라, 나일론, 탄소 섬유를 대체할 수 있는 범용 소재, 즉 모든 것을 할 수 있는 하나의 소재를 원했습니다. 하지만 네이처의 접근 방식은 달랐습니다. 특수한 작업을 위한 특수 소재를 소량으로 주문형으로 생산했습니다.

우리는 상품을 원했습니다. 자연은 우리에게 부티크를 주었습니다.

“인성'이 실제로 의미하는 것

여기서 잠시 멈춰서 거미줄이 진정으로 특별한 이유에 대해 구체적으로 살펴볼 필요가 있는데, “강하다'는 단어가 무심코 던져지기 때문입니다.

재료 과학에는 세 가지 중요하지만 뚜렷한 특성이 있습니다:

힘 은 재료가 부러지기 전에 견딜 수 있는 힘의 양입니다. 강철 케이블이 끊어질 때까지 잡아당기면 필요한 힘이 인장 강도입니다.

강성 은 소재가 변형에 얼마나 잘 견디는지를 나타냅니다. 나무 판과 폼 쿠션을 눌렀을 때 나무는 거의 구부러지지 않기 때문에 더 단단합니다.

인성 는 재료가 파괴되기 전에 흡수할 수 있는 에너지의 양입니다. 방탄복, 충돌 방지, 날아다니는 곤충을 잡는 데 실제로 중요한 특성입니다. 응력-변형률 곡선 아래의 면적, 즉 무언가를 부수기 위해 얼마나 많은 힘을 가해야 하는지를 측정합니다.

거미줄의 진정한 초능력은 바로 강인함입니다.

거미줄의 인장 강도는 1.0~1.5 GPa인데 비해 케블라는 약 3.0~3.6 GPa로 절대적인 면에서 거미줄보다 높습니다. 강철은 더 뻣뻣합니다. 하지만 어느 것도 거미줄의 에너지 흡수 능력을 따라잡을 수는 없습니다. 케블라의 인성은 입방미터당 30~50메가줄입니다. 다윈의 나무껍질거미에서 추출한 가장 단단한 거미줄은 350~520MJ/m³로 케블라보다 10배 이상 강합니다.

케블라에 힘이 가해지면 원단은 직조 전체에 충격을 분산시켜 충격을 완화하지만, 케블라 섬유 자체는 파열되어 파손됩니다. 섬유는 인장 과부하와 섬유 풀아웃의 조합을 통해 파손됩니다. 일단 파손되면 조끼는 손상되고 착용자는 여전히 상당한 둔기 충격을 흡수합니다.

거미줄은 이론적으로 중간 정도의 충격 속도에서 다른 역할을 합니다. 거미줄은 강도와 높은 신율(길이의 40%까지 늘어날 수 있음)이 결합되어 있기 때문에 부서지지 않고 변형되어 충격 에너지를 흡수합니다. 결정질 영역은 강도를 제공하여 전체 파손을 방지합니다. 비정질 영역은 분자 스프링처럼 늘어나면서 에너지를 발산합니다.

분자 수준에서 이것은 희생 결합이라는 메커니즘을 통해 발생합니다. 단백질 구조를 하나로 묶어주는 수소 결합은 개별적으로 상대적으로 약하기 때문에 스트레스를 받으면 끊어집니다. 하지만 수백만 개의 수소 결합이 존재하며 한 번에 모두 끊어지지는 않습니다. 대신 수소 결합은 순차적으로 끊어지며, 각각의 수소 결합은 소량의 에너지를 흡수합니다. 단백질 사슬은 풍선이 터지는 것이 아니라 조심스럽게 펼쳐진 에어백처럼 제어된 방식으로 펼쳐집니다.

거미줄이 끊어지지 않고 벌을 멈출 수 있는 이유입니다. 거미줄이 늘어나면서 벌의 운동 에너지를 더 긴 시간과 거리에 걸쳐 흡수하고, 그 에너지를 구조적 고장 대신 분자 변형으로 전환합니다. 거미줄이 튀어오릅니다. 실크가 잡아줍니다.

그런 다음-그리고 이것이 놀라운 부분입니다-실크가 회복됩니다. 무정형 영역이 다시 접힙니다. 수소 결합이 다시 형성됩니다. 섬유는 거의 원래의 길이로 돌아와 다음 충격에 대비합니다.

케블라는 이렇게 할 수 없습니다. 섬유가 고장 나면 영구적으로 끊어집니다.

고강도, 고신율 및 복원력이라는 이 조합은 재료 과학자들이 거미줄이 성능 범위에서 독특한 공간을 차지한다고 말할 때 의미하는 바입니다. 거미줄은 단순히 생물학적 소재로서만 튼튼한 것이 아닙니다. 거미줄은 천연 소재든 합성 소재든 우리가 설계한 거의 모든 소재보다 더 강합니다.

물론 문제는 소재를 제조할 수 없다면 인성이 아무리 뛰어나도 판매되지 않는다는 것입니다. 거미가 달성하는 품질, 즉 결정질 무정형 구조, 완벽한 정렬, 구조와 유연성의 정확한 비율로 제조하는 것은 여전히 해결되지 않은 과제로 남아 있습니다.

우리는 그것이 작동하는 원리를 알고 있습니다. 현미경으로 관찰하고, X-선 회절로 측정하고, 컴퓨터 화학으로 모델링할 수 있습니다. 거미줄이 왜 그렇게 놀라운지 정교하고 상세하게 설명하는 수천 편의 논문을 발표했습니다.

못 갈 것 같습니다.

거미는 거미줄에 앉아 우리가 놀랍도록 자세히 설명할 수 있지만 복제할 수 없는 물질을 생산하며, 진화가 4억 년에 걸쳐 완성한, 그리고 우리의 모든 생명공학과 재료 과학으로도 여전히 따라잡을 수 없는 제조 능력을 보여줍니다.

이해와 실행 사이의 간극이 바로 이 이야기의 나머지 내용입니다. 거미줄이 특별한 이유를 아는 것과 거미줄을 직접 만드는 방법을 아는 것은 매우 다르며, 특히 자연 선택이 아닌 투자자와 고객을 대상으로 하는 공장에서 대규모로 수익성 있게 생산해야 할 때는 더욱 그렇습니다.

거미의 청사진은 완벽합니다. 하지만 그것을 따르는 우리의 능력은 완벽하지 않습니다.

첫 번째 물결: 대담한 약속과 실패한 지름길(1990년대-2000년대)

1989년, 랜디 루이스라는 분자생물학자가 당시에는 공상 과학 소설처럼 보였던 일을 하고 있었습니다. 그는 염소가 거미줄을 만들도록 설득하고 있었습니다.

거미줄을 짜는 것은 나중에나 가능한 일이었습니다. 먼저 거미가 복부에서 생성하는 액체 단백질을 섬유로 바꾸기 전에 원료인 거미줄이 필요했습니다. 그의 논리는 완벽했습니다. 거미는 서로를 잡아먹기 때문에 농사를 지을 수 없습니다. 하지만 염소는? 염소는 온순하고 생산적이며 수천 년의 농업적 사육을 통해 이미 우유에서 대량의 단백질을 생산하도록 최적화되어 있습니다.

거미줄 유전자를 염소의 게놈에 삽입하고 유선을 표적으로 삼아 자연의 기존 낙농 인프라가 그 일을 하도록 내버려두기만 하면 되었습니다.

염소가 실제로 거미줄 단백질이 함유된 우유를 생산했을 때, 그 소식은 폭발적으로 퍼졌습니다. 이것은 점진적인 발전이 아니었습니다. 한 종의 유전자 코드를 재작성하여 다른 종의 능력을 부여한다는 생명공학의 가장 대담한 약속이 실현된 것이었죠.

언론의 반응은 예상대로 숨이 막힐 지경이었습니다. “스파이더-염소, 강철 거미줄을 돌리다”라는 헤드라인이 나왔습니다. “염소 방탄 조끼”라는 제목도 있었습니다. 방위 계약업체에서 전화가 왔습니다. 섬유 제조업체들이 문의를 보냈습니다. 벤처 캐피털리스트들은 염소 한 마리가 하루에 X리터의 우유를 생산하고 그 우유에 실크 단백질이 Y퍼센트 함유되어 있다면, Z마리의 염소 무리가 생산할 수 있는 양은... 이라는 계산을 시작했습니다.

계산은 놀랍게 보였습니다. 하지만 현실은 곧 복잡해지기 시작했습니다.

어려운 부분이 될 줄 알았던 유전자

1990년대 초의 낙관론을 이해하려면 그 당시 생명공학 기술이 어디에 있었는지 이해할 필요가 있습니다. 인간 게놈 프로젝트가 진행 중이었습니다. 유전공학은 이론적 가능성에서 실용적인 도구로 전환되고 있었습니다. 연구자들은 박테리아에서 인간 인슐린을 성공적으로 발현하여 이전에는 돼지 췌장을 채취해야 했던 생명을 구하는 약물의 재생 가능한 공급원을 만들었습니다.

패러다임은 단순하고 매혹적이었습니다: DNA는 사용 설명서입니다. 지침을 읽을 수 있다면 복사할 수 있습니다. 복사할 수 있다면 새로운 유기체에 붙여넣고 “실행”을 누르면 됩니다.”

거미줄은 완벽한 테스트 사례처럼 보였습니다. 실크 유전자는 이전 장에서 설명한 모듈형 단백질 구조를 코딩하는 길고 반복적인 서열로 잘 특성화되어 있었습니다. 이러한 유전자를 박테리아, 효모 또는 포유류에 도입하는 것은 이미 확립된 기술이었습니다. 이 유기체는 정상적인 신진대사만으로 거미줄 단백질을 생산하는 살아있는 공장이 될 것입니다.

이것이 바로 100개의 연구 프로그램과 12개의 스타트업을 탄생시킨 약속이었습니다. 어려운 부분인 유전공학은 해결했습니다. 다른 모든 것은 산업적 확장에 불과합니다.

그 가정은 치명적으로 틀린 것으로 밝혀졌습니다.

실크 공장의 메나쥬리

염소는 시작에 불과했습니다. 이후 15년 동안 연구자들은 거미줄 생산에 모든 생명공학 툴킷을 투입하여 점점 더 기괴한 생물체를 설계했습니다.

형질 전환 염소, 넥시아 바이오테크놀로지가 개발하고 이후 유타주립대학교의 랜디 루이스에 의해 계속된 이 프로젝트는 대표적인 노력이었습니다. 기존의 낙농 인프라를 이용해 매일 리터의 단백질이 풍부한 액체를 생산하고 수집과 가공을 할 수 있다는 이점이 분명했습니다. 거미줄 단백질을 우유에 녹여 추출하고 정제하여 섬유질로 만들기만 하면 되는 것이었습니다.

문제점은 똑같이 분명했지만 완전히 이해하는 데 몇 년이 걸렸습니다. 첫째, 우유는 수백 가지의 단백질, 지방, 당분이 포함된 복잡한 생물학적 수프입니다. 리터당 몇 그램의 농도에서도 특정 단백질 하나를 분리하려면 값비싼 크로마토그래피와 여과가 필요했습니다. 둘째, 염소는 유지 비용이 많이 듭니다. 염소는 땅, 사료, 수의학적 관리가 필요하며 생산적인 성숙기에 도달하는 데 약 2년이 걸립니다. 셋째, 염소마다 유전, 식이, 수유 주기에 따라 실크 단백질의 농도가 조금씩 다릅니다. 산업의 성배인 일관성을 유지하는 것은 거의 불가능에 가까웠습니다.

넷째, 아마도 가장 끔찍한 것은 규모에 따라 염소 떼가 필요하다는 것입니다. 수백 마리의 염소. 결국 상업적으로 적절한 양을 생산하려면 수천 마리가 필요했습니다. 거미 염소의 낭만주의는 산업적 낙농업의 물류에 직면하자 금세 증발해 버렸습니다.

박테리아는 더 실용적이었지만 저주를 동반했습니다. 대장균 는 저렴하고 빠르게 성장하며 유전적으로 조작하기 쉬운 1970년대부터 생명공학의 주력으로 사용되어 왔습니다. 박테리아가 거미줄 단백질을 생산하도록 하는 것은 간단했습니다. 하지만 유용한 거미줄 단백질을 생산하도록 하는 것은 쉽지 않았습니다.

문제는 봉입체였습니다. 박테리아가 대량의 외부 단백질, 특히 스파이드로인과 같은 크고 복잡한 단백질을 생산하려고 할 때 종종 압도당합니다. 단백질은 잘못 접혀서 세포 내부에서 조밀하고 불용성 덩어리로 응집됩니다. 이러한 봉입체는 단백질의 모양이 잘못되어 용해되지 않고 회전할 수 없기 때문에 쓸모가 없습니다.

연구자들은 세포를 깨고 독한 화학 물질과 고열을 사용해 봉입체를 추출한 다음 단백질을 올바른 구조로 재접합하려고 시도할 수 있습니다. 때때로 이 방법은 효과가 있었습니다. 그렇지 않은 경우도 많았습니다. 그리고 성공하더라도 그 과정이 너무 에너지 집약적이고 비용이 많이 들기 때문에 애초에 박테리아를 사용했을 때의 비용 이점을 무효화했습니다.

그 결과, 박테리아는 양은 생산할 수 있지만 질은 생산하지 못했습니다.

효모 는 중간 경로를 제공했습니다. 피키아 파스토리스 와 다른 산업용 효모 균주는 박테리아보다 더 정교한 단백질 접는 기계를 가지고 있으며, 진핵생물로서 세포 구획과 복잡한 단백질을 올바르게 접는 데 도움이 되는 샤프론 단백질을 가지고 있습니다. 효모는 맥주나 산업용 효소를 만드는 데 사용되는 것과 동일한 기본 공정인 잘 확립된 발효 기술을 사용하여 대규모 바이오리액터에서 성장시킬 수 있습니다.

여러 회사가 효모에 큰 베팅을 했습니다. 볼트 스레드, 일본의 스피버 등은 리터당 그램 단위로 측정되는 수율로 스피드로인을 생산할 수 있는 독점 균주를 개발했습니다. 이것은 진정한 진전이었습니다. 단백질은 용해성이 있고, 적절하게 접혀 있으며, 경제적으로 흥미로울 만큼 높은 농도로 생산되었습니다.

그러나 “경제적으로 흥미롭다”는 것은 위험할 정도로 낮은 기준이었습니다. 효모를 키우려면 많은 양의 설탕 공급 원료가 필요합니다. 산업 발효에는 온도 제어, 멸균 조건, 지속적인 교반이 필요합니다. 이 모든 것에는 에너지가 필요합니다. 발효 후에도 효모 세포와 성장 배지에서 단백질을 분리한 다음 방적에 필요한 고밀도로 농축해야 합니다.

기업들이 전체 원가 회계를 실행했을 때, 그 수치는 냉정했습니다. 박테리아 발효에 대한 초기 추정치는 사용 가능한 실크 단백질 킬로그램당 $35,000-50,000의 비용을 제시했습니다. 대규모 효모 시스템에 대한 보다 낙관적인 학계의 예측은 파일럿 규모에서 킬로그램당 $300-3,000을 제시했으며, 완전한 산업 규모에서는 이론적으로 킬로그램당 $40-100의 비용이 들 것으로 예상했습니다. 이는 단백질 원료를 섬유로 만들기 전의 수치입니다.

참고로 나일론 1킬로그램의 가격은 약 $2입니다. 가장 비싼 고성능 섬유 중 하나인 케블라는 직조 준비가 완료된 완제품 섬유로 1kg당 약 $80의 가격이 책정됩니다.

형질 전환 누에 모든 것을 해결할 수 있을 것 같았습니다. 누에는 이미 수천 년 동안 안정적으로 많은 양의 실크를 생산해 왔습니다. 누에를 키우고 고치를 수확하고 섬유를 추출하는 인프라가 구축된 양잠 산업이 존재했습니다. 누에를 길러 토종 실크 대신 거미줄을 생산할 수만 있다면 순식간에 산업이 형성될 것입니다.

노트르담 대학교, 와이오밍 대학교, 중국과 일본의 연구기관에서 이 접근법을 추구했습니다. 이들은 거미줄 단백질이 함유된 실크를 생산하는 형질전환 누에를 순수하게 또는 누에의 고유 실크와 혼합하여 성공적으로 만들었습니다.

좋은 소식은 성공했다는 것입니다. 애벌레는 조작된 단백질이 포함된 고치를 회전시켰습니다. 나쁜 소식은 결과물인 섬유질이 일정하지 않다는 점입니다. 거미줄 단백질이 제대로 결합하는 경우도 있었습니다. 그렇지 않은 경우도 있었습니다. 섬유는 종종 순수한 누에 실크보다 약했고 거미줄을 특별하게 만드는 뛰어난 강인함을 갖지 못했습니다.

더 근본적인 문제는 누에는 거미와는 완전히 다른 방적 과정을 통해 며칠에 걸쳐 하나의 연속된 섬유로 누에고치를 회전시킨다는 점입니다. 거미의 정확한 화학적, 기계적 안무를 복제할 수 없었기 때문입니다. 단백질은 맞았지만 그 과정은 잘못된 것이었습니다.

식물과 조류 는 절망의 최전선을 상징했습니다. 일부 연구자들은 거미줄 단백질을 생산하기 위해 담배, 알팔파, 심지어 감자 식물까지 조작했습니다. 또 다른 연구자들은 광합성 유기체가 지속 가능하고 저렴한 생산 플랫폼을 제공할 수 있을 것이라 생각하고 해조류를 연구했습니다.

이러한 노력으로 논문과 특허가 나왔지만 그 외에는 별다른 성과가 없었습니다. 단백질 수율이 극히 낮았기 때문입니다. 식물은 거미줄 단백질을 제대로 접을 수 있는 세포 기계가 없으며, 식물 조직에서 단백질을 추출하는 것은 매우 어렵고 비용이 많이 드는 것으로 악명이 높습니다. 해조류의 상황은 더욱 심각했습니다.

실제로 효과가 있었던 점과 그 의미

2000년대 중반, 거미줄 회사의 첫 번째 물결은 거미가 아닌 생물체에서 주당 밀리그램이 아닌 연간 킬로그램 단위로 측정할 수 있는 규모로 거미줄 단백질을 생산하는 데 성공했다는 점에서 진정한 성과를 거둘 수 있었습니다.

이것은 아무것도 아니었습니다. 15년 전만 해도 거미줄 단백질을 얻는 유일한 방법은 거미에서 해부하는 것이었습니다. 하지만 이제는 생물 반응기에서 재배할 수 있습니다.

하지만 이 성과는 단백질 생산은 시작에 불과하다는 냉혹한 깨달음과 함께 찾아왔습니다. 진짜 문제, 즉 앞으로 20년과 수억 달러가 더 소요될 문제는 단백질을 확보한 후 이를 어떻게 처리할 것인가 하는 것이었습니다.

단백질은 “실크 마약”이라고도 불리는 농축 용액으로 존재하며, 20-50% 단백질을 중량으로 함유한 점성 수성 액체입니다. 거미에서 이 마약은 주요 앰풀레이트 샘에 자리 잡고 회전관의 정확한 화학적 및 기계적 작동 순서에 의해 섬유로 변환되기를 기다립니다.

공장에서는 마약이 탱크와 용기에 담겨 있었고, 연구원들은 이를 바라보며 실제로 효과가 있는 섬유로 만드는 방법을 알아내기 위해 노력했습니다.

초기에는 단백질 용액을 작은 노즐을 통해 때로는 메탄올이나 아세톤의 응고조로, 때로는 공기 중으로 주입하는 기존의 섬유 압출 방법을 사용했습니다. 이러한 방법은 나일론, 폴리에스테르, 심지어 케블라에도 적용되었습니다.

그들은 거미줄을 파괴했습니다.

그 결과 생성된 섬유는 약하고 부서지기 쉬우며 천연 거미줄과 거의 닮지 않았습니다. 전자 현미경으로 관찰한 결과, 단백질 분자들은 거미줄의 특성을 부여하는 조직화된 구조가 아니라 결정질과 무정형 영역이 무작위로 형성된 채 뒤섞여 있고 정렬이 제대로 되어 있지 않았습니다.

산업용 압출은 너무 빠르고, 너무 격렬하고, 너무 폭력적이었습니다. 단백질이 응고되기 전에 정렬할 시간이 없었습니다. 중요한 베타 시트 결정이 제대로 형성되지 않았습니다. 섬유는 현미경으로 보면 거미줄처럼 보였지만 테스트에서는 평범한 나일론처럼 작동했습니다.

몇몇 회사가 “거미줄 섬유”를 생산했다고 발표했습니다. 엄밀히 말하면 거미줄 단백질로 만든 섬유는 사실이었죠. 하지만 의미 있는 의미의 거미줄은 아니었습니다. 기계적 특성이 존재하지 않았기 때문입니다.

마치 스트라디바리우스 바이올린의 모든 재료를 성공적으로 합성하여 우쿨렐레로 조립한 것과 같았습니다. 네, 둘 다 나무로 만든 현악기입니다. 아니요, 같은 소리를 내지는 않습니다.

피벗, 침묵, 그리고 셧다운

2009년이 되자 첫 번째 물결은 끝나가고 있었습니다. 가장 유명한 거미줄 회사였던 넥시아 바이오테크놀로지는 조용히 무너졌습니다. 거미 염소 무리를 포함한 회사의 자산은 캐나다 회사에 매각되었습니다. 결국 염소들은 유타주립대학교에 기증되었고, 랜디 루이스는 더 이상 상업적 벤처가 아닌 학문적 호기심으로 연구를 계속했습니다.

형질 전환 누에를 연구하던 크레이그 바이오크래프트 연구소는 군용 애플리케이션에서 의료 기기, 기능성 섬유에 이르기까지 다양한 분야에 진출했습니다. 한때 생명공학 열풍을 타고 상승세를 타던 주가는 페니 주식 영역에 안착했습니다.

다른 회사들은 좀 더 부드러운 퇴장을 했습니다. 방탄 조끼에 대한 이야기를 중단하고 상처 드레싱에 대해 이야기하기 시작했습니다. 그들은 섬유 산업의 혁신을 약속하는 것을 중단하고 높은 마진과 적은 수량으로 높은 비용을 정당화할 수 있는 틈새 의료용 애플리케이션을 공략하기 시작했습니다.

일부 업체는 단순히 자금이 부족해져 보도자료나 설명 없이 문을 닫았습니다. 웹 사이트가 사라졌습니다. 특허가 만료되거나 매각되었습니다. 연구원들은 다른 프로젝트로 자리를 옮겼습니다.

돌이켜보면 놀라운 점은 이러한 실패에 따른 드라마틱한 사건이 거의 없었다는 점입니다. 화려한 파산도 없었고, 탐사 저널리즘의 폭로도 없었으며, 대중의 비난도 없었습니다. 회사들은 그냥... 사라졌습니다. 보도 자료의 빈도도 줄어들었습니다. 타임라인은 조용히 연장되었습니다. “2005년 상업 생산”은 “2008년”이 되었고, “여건이 허락할 때”는 "조건이 허락할 때"가 되었습니다.”

인프라는 남아있었습니다. 지식은 남아있었습니다. 단백질 생산 기술은 계속해서 점진적으로 개선되었습니다. 효모 균주가 더 좋아졌습니다. 정제 방법도 더 효율적이 되었습니다. 비용은 낮아졌지만 충분히 빠르지는 않았고, 충분히 낮아지지도 않았습니다.

하지만 거미줄이 케블라를 대체하고 방탄복을 재창조하며 새로운 바이오 기반 소재 산업을 일으킬 혁신적인 소재라는 당초의 약속은, 거미줄에 자신의 경력과 자본을 걸었던 연구자와 투자자들을 제외하고는 아무도 모르게 조용히 사라지고 말았습니다.

너무 늦게 깨달은 교훈

첫 번째 물결은 난이도가 어디에 있는지에 대한 근본적인 오해를 바탕으로 운영되었기 때문에 실패했습니다.

유전 공학은 결코 병목 현상이 아니었습니다. 기술적으로 어려운 문제이긴 했지만 기존의 도구로 충분히 해결할 수 있었습니다. 유기체에 유전자를 삽입하고, 발현을 최적화하고, 발효를 확대하는 것은 교과서나 상업적 관행의 주제인 알려진 영역이었습니다.

병목 현상은 항상 액체에서 고체로 전환할 때 발생했습니다. 바로 회전입니다. 거미의 복부에서 3초 만에 일어나는 이 과정은 거미줄 단백질을 처음 생산한 지 20년이 지난 지금도 소재의 뛰어난 특성을 유지하면서 산업적 규모로 복제할 수 없습니다.

첫 번째 물결은 거미의 업적이 단백질, 즉 진화의 걸작이 분자 구조라고 가정했습니다. 따라서 단백질만 확보하면 어려운 부분은 끝났다고 생각했습니다.

그들은 틀렸습니다. 진화의 걸작은 단백질이 아니었습니다. 그것은 미세 유체 흐름 제어와 세심하게 조율된 화학 물질만을 사용하여 단백질을 거의 완벽한 효율과 결함 없이 섬유로 변환하는 생물학적 기계인 방적기였습니다.

레시피를 복사했습니다. 주방을 모방하는 데는 실패했습니다. 그리고 거미줄 제조에서 주방은 모든 것입니다.

이러한 깨달음은 두 번째 시도의 물결을 형성하게 됩니다. 하지만 그보다 먼저 업계는 거미줄을 만드는 것이 그렇게 어렵다면 왜 거미를 양식하지 않는가라는 더 근본적인 질문에 직면해야 했습니다.

이 질문에 대한 답은 모든 접근 방식이 아무리 영리하더라도 결국 같은 잔인한 벽에 부딪히는 이유를 설명합니다.

거미 농사를 지을 수 없는 이유

이 질문은 모든 프레젠테이션, 모든 피치 미팅, 거미줄에 대한 일상적인 대화에서 등장합니다. 보통 5분 정도 지나면 누군가 손을 듭니다.

“잠깐만요, 누에를 길러서 일반 실크를 만들 수 있다면 거미를 길러서 만들면 안 될까요?”

지극히 합리적인 질문입니다. 또한 거미줄 산업 전체가 현재의 고된 형태로 존재하는 이유를 설명하는 질문이기도 합니다. 거미를 양식할 수 있다면 유전공학도, 생명공학도, 수억 달러에 달하는 연구 프로그램도 필요 없으니까요. 거미 농장을 짓기만 하면 되니까요.

사람들은 노력해왔습니다. 사실 수 세기 동안 말이죠. 결코 성공하지 못했습니다. 그리고 그것이 성공하지 못한 이유는 거미줄을 상업적으로 생산하려는 모든 후속 시도를 형성한 제약 조건에 대한 근본적인 무언가를 드러냅니다.

계속 실패하는 실험

1709년 프랑수아 자비에 봉 드 생 힐레어라는 프랑스의 자연주의자가 세계 최초로 거미줄 산업을 만들려고 시도했습니다. 그는 정원 거미를 채집하여 액자에 넣고 거미줄을 수확하여 장갑과 스타킹 등의 직물을 만들려고 시도했고, 이를 프랑스 과학 아카데미에 제출했습니다.

실험은 기술적으로 성공적이었습니다. 장갑은 존재했습니다. 거미줄로 만든 장갑이었죠. 아카데미는 감탄했습니다.

이 실험은 경제적으로 재앙이었습니다. 거미들은 싸웠습니다. 서로를 죽였습니다. 거미들은 지속적으로 실크를 생산하기를 거부했습니다. 생 힐라르는 옷 한 벌에 필요한 실크를 생산하려면 수백 마리의 거미와 수많은 시간의 고된 노동이 필요하다고 계산했습니다. 그 비용은 터무니없이 비쌌습니다. 프로젝트는 실패로 돌아갔습니다.

300년 후, 미국 자연사 박물관의 연구원들이 다시 시도했습니다. 2009년부터 2012년까지 마다가스카르의 한 연구팀은 백만 마리가 넘는 황금구슬거미(네필라)를 사용하여 빅토리아 앤 앨버트 박물관에 전시된 황금 망토인 11피트 x 4피트 크기의 직물 한 장을 제작했습니다.

직물은 놀라웠어요. 그 과정은 정말 악몽 같았어요.

작업자들은 매일 아침 야생에서 거미를 채집했습니다. 각 거미를 작은 틀에 가둬서 방적기에서 실을 뽑아내는데, 이 과정을 “실크 짜기'라고 하는데 실제보다 훨씬 더 부드럽게 들립니다. 거미 한 마리가 약 25미터의 사용 가능한 실크를 생산하면 다음 날 다시 야생으로 돌려보내야 했습니다.

1온스의 실크를 생산하기 위해 23,000마리의 거미가 필요하다는 잔인한 계산이 나왔습니다. 하나의 직물을 만드는 데 4년의 시간이 걸렸습니다. 망토를 완성하는 데 백만 마리가 넘는 거미가 필요했습니다.

이 거미는 호기심과 인간의 끈기와 거미의 생산성에 대한 증거로 박물관에 걸려 있습니다. 또한 거미 양식이 상업적으로 불가능하다는 증거로 박물관에 걸려 있습니다.

모델을 깨는 생물학

그 이유는 미스터리하지 않습니다. 거미는 포식자이며 포식자는 농사를 잘 짓지 않는다는 가장 당연한 사실부터 시작해서 모든 수준의 거미 생물학에 기록되어 있습니다.

누에는 초식동물로, 특히 뽕잎을 먹습니다. 수천 마리의 누에를 창고에 쌓아둔 쟁반에 담아 값싼 잎을 먹이면 누에가 고치를 뽑을 때까지 평화롭게 공존할 수 있습니다. 누에는 약 5,000년 동안 길들여져 왔습니다. 지금은 실크 생산에 매우 특화되어 있습니다. 봄빅스 모리, 는 야생에서 거의 살아남지 못합니다. 유순하고 생산적이며 인간에게 철저히 최적화된 무척추동물의 젖소라고 할 수 있습니다.

거미는 이와는 다릅니다.

실크 생산 또는 직조업자들이 가장 관심을 갖는 거미는 다음과 같습니다. 네필라 그리고 Argiope-고독한 사냥꾼입니다. 그들은 영역이 있습니다. 그들의 전체 진화 전략은 거미줄 모양의 영역을 방어하고 그 영역에 접근하는 모든 것을 잡아먹는 것입니다.

거미 두 마리를 가까이 두면 거미는 협력하지 않습니다. 그들은 싸웁니다. 보통 큰 거미가 작은 거미를 잡아먹습니다.

이것은 가끔 일어나는 공격성이 아닙니다. 더 나은 케이지 설계나 세심한 관리로 해결할 수 있는 문제가 아닙니다. 수백만 년에 걸쳐 진화한 거미의 기본적인 행동입니다. 암컷 거미는 짝짓기 중에도 수컷을 잡아먹는 경우가 있으며, 일부 종에서는 성적인 식인 풍습이 기본 결과일 정도로 흔합니다. 수백 마리의 거미가 한 울타리 안에서 평화롭게 살도록 설득할 수 있다는 생각은 생물학적으로 불가능한 일입니다.

이론적으로는 거미 한 마리 한 마리를 개별적으로 사육할 수 있습니다. 하지만 지금은 농업이 아니라 동물원을 운영하고 있습니다. 인건비와 인프라 비용은 거미의 수에 따라 선형적으로 증가합니다. 규모의 경제도 없고, 규모에 따른 효율성 향상도 없습니다.

한 번 큰 고치를 만들고 죽어 대량으로 수확할 수 있는 누에와 달리 거미는 소량으로 지속적으로 실크를 생산합니다. 거미는 거미줄을 만들어서 수집할 수 있지만, 거미줄 실크는 끈적끈적하고 여러 종류의 실크가 섞여 있습니다. 원하는 드래그 라인 실크는 소수 성분입니다.

마다가스카르에서 사용되는 유일한 실용적인 방법은 사람이 거미를 물리적으로 제지하고 방적기에서 실을 뽑아내는 “실크” 공정인 수작업 추출입니다. 이 방법은 느리고 노동 집약적이며 거미에게 스트레스를 주기 때문에 향후 실크 생산량이 감소합니다.

작동하지 않는 수학

산업 거미 양식에 실제로 필요한 수치를 계산해 보겠습니다.

생산적인 네필라 거미를 수동으로 수확하고 거미를 조심스럽게 다루면 하루에 50~100미터의 드래그라인 실크를 생산할 수 있습니다. 질량을 계산해 보면 드래그라인 실크의 지름은 약 5마이크론입니다. 100미터의 무게는 약 10밀리그램입니다.

10밀리그램. 거미 한 마리당. 하루에.

산업용 섬유 섬유는 톤 단위로 판매됩니다. 1톤은 100만 그램입니다. 양식을 통해 연간 1톤의 거미줄을 생산하려면, 완벽한 수집 효율과 손실이 없다고 가정할 때 최소 27만 마리의 거미가 매일 실크를 생산해야 합니다.

실제로는 사망률, 스트레스, 계절적 변화, 매일 수확할 수 없는 점 등을 고려할 때 거미 100만 마리를 한 번에 생산해야 할 것입니다.

이제 개별 사육장(거미는 공유할 수 없음), 먹이(각 거미에게 살아있는 곤충이 필요함), 폐기물 관리, 기후 제어, 매일 백만 마리의 거미로부터 실크를 수작업으로 수확하는 인건비 등 인프라를 추가하세요.

이를 양잠과 비교해 보세요. 현대의 누에 농장은 계절별 노동력과 대량 수확을 통해 단일 창고에서 여러 톤의 실크를 생산합니다. 누에는 개별 사육장이 필요 없고, 서로를 잡아먹지 않으며, 편리하게 수확할 수 있는 고치에서 자동으로 실크를 생산합니다.

또는 합성 섬유 생산과 비교해보세요. 단일 나일론 생산 시설에서 완전 자동화된 공정을 통해 연간 수천 톤을 생산합니다. 사료 공급이 필요 없습니다. 폐기물 관리가 필요 없습니다. 개별 동물 관리가 필요 없습니다.

거미 농사는 확장할 수 없습니다. 확장할 수 없습니다. 생물학이 이를 막습니다.

모든 것을 바꾼 결정

이러한 생물학적 막다른 골목이 바로 거미줄 산업이 지금의 길을 걷게 된 이유입니다. 거미를 양식할 수 없기 때문에 실크 단백질의 대체 공급원이 필요합니다. 즉, 생명공학 기술을 통해 다른 유기체가 단백질을 생산하도록 설계하는 것입니다.

하지만 이러한 필요성을 받아들인다는 것은 거미를 사용하지 않는다면 거미의 방적기도 사용하지 않는다는 두 번째, 더 어려운 문제를 받아들인다는 것을 의미했습니다. 단순히 단백질을 생산하는 데 그치지 않고 단백질을 섬유질로 전환하는 완전히 새로운 공정을 발명해야 합니다.

거미의 실크 생산은 통합된 생물학적 시스템입니다. 단백질 구성, 샘의 화학적 환경, 방사관의 기계적 전단력, pH 변화와 이온 교환의 정확한 타이밍 등 이 모든 것이 한 세트처럼 함께 진화한 결과물입니다. 한 부분을 추출하여 독립적으로 작동할 것으로 기대할 수는 없습니다.

연구자들이 거미 양식을 포기하고 유전 공학을 선택했을 때, 그들은 암묵적으로 하나의 문제가 아닌 두 가지 문제를 해결하기로 결정한 것입니다:

1. 거미가 아닌 생물체에서 단백질을 생산합니다.

2. 거미의 과정을 재현할 수 있는 인공 방적기를 제작합니다.

첫 번째 물결의 기업들은 #1 문제가 어렵다고 생각했습니다. 그들은 틀렸습니다. #1 문제는 예상보다 높은 비용이 들긴 했지만 기존의 생명공학 기술로 해결할 수 있는 것으로 밝혀졌습니다.

#2 문제(회전)는 예상외로 악랄하고 지속적으로 어려운 것으로 판명되었습니다. 너무 어려워서 20년이 지난 지금까지도 산업적 규모로 해결되지 않고 있습니다.

거미줄을 넘어선 거미줄이 중요한 이유

거미 양식의 불가능성은 단순한 생물학적 호기심이 아닙니다. 거미줄은 이 분야의 모든 후속 결정을 강요하는 근본적인 제약 조건입니다. 거미줄이 농업이 아닌 생명공학의 이야기가 된 이유도 바로 이 때문입니다. 수억 달러가 거미류 사육이 아닌 발효 탱크와 유전공학에 투자된 이유도 바로 이 때문입니다.

거미줄 농사를 그럴듯하게 보이게 하는 누에와의 비교가 근본적으로 잘못된 이유도 바로 여기에 있습니다. 누에가 거미보다 사육하기 쉽기만 한 것은 아닙니다. 누에는 길들여지고 협동적이며 수천 년 동안 인간이 사용하기에 최적화되어 있는 완전히 다른 종류의 유기체입니다.

거미는 야생적입니다. 포식자입니다. 거미는 인간의 농업을 전혀 예상하지 못한 진화의 산물입니다. 그리고 거미는 인간의 경제적 필요에 협조하는 것을 절대적으로, 그리고 완전히 거부합니다.

이 거부가 모든 것을 결정지었습니다. 유전공학 경로가 더 낫기 때문에 선택된 것이 아니라 유일한 선택지였기 때문에 선택된 것입니다. 그리고 그 선택이 내려지자 업계는 단순한 물질이 아니라 진화가 4억 년에 걸쳐 완성한 생물학적 제조 과정 전체를 복제하려고 했습니다.

동물을 양식할 수 없어서 단백질을 양식하려고 했습니다. 성공했습니다. 그런데 단백질을 확보하는 것이 문제의 절반에 불과하다는 사실을 발견했습니다.

거미는 우리가 복제할 수도 없고 재배할 수도 없는 생물학적 기계인 거미줄에 앉아 우리가 간절히 원하지만 경제적으로 수확할 수 없는 물질을 생산합니다. 그 불가능성이 산업을 일으켰습니다. 또한 여러 면에서 이 산업이 30년 동안 약속을 지키지 못한 이유이기도 합니다.

거미는 농사를 지을 수 없습니다. 그래서 우리는 거미가 되려고 노력했습니다. 그런데 그게 훨씬 더 어렵다는 것이 밝혀졌습니다.

핵심 기술 병목 현상: 단백질이 아닌 회전

모든 거미줄 연구실에는 보통 몇 달간의 작업을 마친 늦은 밤, 연구원이 농축된 실크 단백질 용액이 담긴 병을 들고 25만 달러 상당의 유전자 조작 물질을 보고 있지만 어떻게 사용해야 할지 전혀 모른다는 사실을 깨닫는 순간이 있습니다.

단백질이 완벽합니다. 발효가 성공했습니다. 정제가 성공했습니다. 분자 구조는 베타-시트, 무정형 영역 등 모든 것이 자연이 설계한 순서대로 정렬되어 있습니다. 무게 기준으로 30-40% 실크 단백질이 포함된 100밀리리터의 용액을 얻었습니다. 거미 100마리가 1년에 생산하는 것보다 더 많은 양의 거미줄 단백질이 들어 있습니다.

그리고 그것은 비싼 수프일 수도 있습니다.

다음 단계인 액체를 실제로 거미줄을 특별하게 만드는 특성을 가진 섬유로 전환하는 것은 30년간의 연구와 수억 달러의 자금 지원에도 불구하고 거의 모든 상업용 거미줄 벤처를 죽인 미해결 문제로 남아 있기 때문입니다.

여기서부터 이야기가 전문화됩니다. 여기서부터 이야기가 중요해집니다. 방적이 왜 그렇게 어려운지 이해하면 다른 모든 측면에서 지속적인 발전에도 불구하고 전체 산업이 30년 동안 중립에 머물러 있는 이유를 설명할 수 있기 때문입니다.

단백질이 걸림돌이 되지 않는 이유

2010년에는 여러 연구 그룹과 회사에서 킬로그램 단위로 거미줄 단백질을 생산할 수 있게 되었습니다. 볼트 스레드는 독자적인 효모 균주를 보유하고 있었습니다. 일본의 스피버는 자체 발효 기술을 보유하고 있었습니다. 유타 주립대, 케임브리지 등의 학술 연구실에서는 그램 단위의 생산을 시연했습니다.

파일럿 규모에서는 킬로그램당 $300에서 $3,000 이상의 비용이 들었고, 본격적인 산업 규모에서는 이론적으로 킬로그램당 $40-100의 비용이 들 것으로 예상되는 등 단백질 문제는 저렴하다는 의미에서 해결된 것이 아니었습니다. 하지만 기술이 존재하고, 재현 가능하며, 꾸준히 개선되고 있다는 점에서 이 문제는 해결되었습니다. 매년 더 높은 수율, 더 나은 접힘, 더 효율적인 정제가 이루어졌습니다.

단백질 생산이 유일한 과제였다면 거미줄은 지금쯤 특정 특수 폴리머나 의약품 원료처럼 비싸지만 구할 수 있는 틈새 소재가 되었을 것입니다.

하지만 단백질이 있다는 것은 출발선에 서 있다는 의미일 뿐입니다. 식이섬유를 섭취하는 순간부터 레이스가 시작됩니다.

액체 실크 단백질은 섬세한 화학적 균형에 따라 반복되는 거대한 단백질의 고농축 수용액으로, 실제로는 다음과 같습니다. 단백질은 접혀 있지만 아직 최종 섬유 구조로 조립되지 않은 상태입니다. 수용성이기 때문에 물 분자에 둘러싸여 있고 용액에서 응집되거나 부서지지 않을 만큼 충분히 분리되어 있습니다.

거미의 주요 앰풀레이트 샘에 있는 이 “실크 마약”은 30~50% 단백질 농도로 존재하며, 유동성을 유지하면서 얻을 수 있는 가장 두꺼운 농도로 존재합니다. 이 단백질은 특정 pH, 특정 이온 농도, 특정 온도 등 세심하게 통제된 화학적 환경에서 보관됩니다. 이러한 매개변수 중 하나라도 변경되면 단백질이 조기에 응집되기 시작합니다. 잘못하면 값비싼 용액이 값비싼 코티지 치즈로 변합니다.

거미는 회전할 준비가 될 때까지 약물을 안정적으로 유지합니다. 그런 다음 약 3초 만에 액체를 거의 완벽한 분자 정렬과 뛰어난 기계적 특성을 가진 고체 섬유로 변환합니다.

저희는 1990년대부터 그 방법을 찾기 위해 노력해 왔습니다. 지금도 계속 노력하고 있습니다.

복제할 수 없는 분자 안무

거미의 회전 과정은 약 5mm 길이와 0.5mm 너비의 덕트에 압축된 화학 및 기계 공학의 걸작입니다. 그 덕트 안에서 일어나는 일은 우아하면서도 잔인할 정도로 복잡합니다.

1단계: 집중. 실크 도프는 고농도로 회전 덕트에 들어가지만 여전히 액체 상태로 유지하기에 충분한 수분을 함유하고 있습니다. 덕트의 초기 구간을 통과하면서 덕트 벽을 통해 물이 활발하게 재흡수됩니다. 단백질 농도가 더욱 증가하여 단백질이 서로 더 밀착됩니다.

2단계: 산성화. pH는 샘에서 약 7.6에서 덕트에서 약 6.3으로 급격히 떨어집니다. 이것은 무작위가 아닙니다. 실크 단백질에는 pH 변화에 반응하는 특정 아미노산이 있습니다. pH가 높으면 정전기적으로 서로를 밀어냅니다. pH가 낮아지면 그 반발력은 약해집니다. 단백질이 결합하기 시작합니다.

이 pH 전환은 매우 정밀합니다. 너무 빠르거나 느리면 조립이 잘못됩니다. 거미는 양성자를 활발하게 펌핑하는 특수 세포를 덕트 안쪽에 배치하여 부드러운 pH 구배를 만들어 이를 제어합니다.

3단계: 이온 교환. 산성화와 동시에 이온 환경이 바뀝니다. 액체 상태를 안정화시키는 나트륨과 염화물 이온이 제거됩니다. 칼륨과 인산염 이온이 도입됩니다. 이러한 이온 교환은 용해된 상태를 더욱 불안정하게 만들고 단백질 응집을 촉진합니다.

다시 말하지만, 이것은 엄격하게 통제됩니다. 거미는 아무렇게나 이온을 던져 넣지 않습니다. 단백질 조립을 안내하는 공간 패턴, 세심하게 조율된 화학적 변화의 순서가 있습니다.

4단계: 기계적 전단. 여기서 물리학이 화학을 대신합니다. 회전하는 덕트는 가늘어지며 길이에 따라 점점 좁아집니다. 농도가 짙어지는 단백질 용액이 이 좁아지는 통로를 통과하면서 전단력이 증가합니다.

전단이란 유체가 표면을 지나거나 제약 조건을 통과할 때 발생하는 현상입니다. 숟가락에서 꿀이 흘러내린다고 상상해 보세요. 숟가락 표면에 있는 꿀은 멀리 있는 꿀보다 느리게 움직이며 서로 미끄러지는 층을 만듭니다. 이것이 바로 전단입니다.

거미의 덕트에서는 전단력이 실크 단백질에 작용하여 실크 단백질이 물리적으로 늘어나면서 흐름 방향으로 정렬됩니다. 이것은 매우 중요합니다. 결정성 베타 시트 영역은 섬유 축과 평행하게 형성되어야 합니다. 비정질 영역은 그 사이에 적절히 분포되어야 합니다. 무작위로 정렬하면 섬유가 약해집니다. 테이퍼 덕트의 전단력이 방향 정렬을 생성합니다.

전단은 단백질을 정렬할 수 있을 만큼 충분히 강해야 하지만 접힘을 방해하지 않을 만큼 부드러워야 한다는 점이 중요합니다. 전단이 너무 적으면 정렬이 제대로 되지 않습니다. 너무 강하면 단백질이 변성되어 구조가 파괴됩니다.

거미는 난기류가 없는 층류의 부드러운 흐름을 통해 이를 달성합니다. 단백질은 화학적 트리거(pH, 이온)가 제자리에 고정할 시기를 알려주면 서로 질서정연하게 미끄러져 지나가며 점차 정렬되어 최종 섬유 구조로 조립됩니다.

5단계: 고형화. 약물이 회전 덕트의 끝에 도달하면 더 이상 액체가 아닙니다. 단백질이 정렬된 다발로 조립되었습니다. 수분 함량은 약 10%로 떨어집니다. 섬유는 단단해졌지만 여전히 어느 정도 탄력을 유지하고 있으며, 방적기에서 당겨지면서 몇 초 동안 최종 경화가 완료됩니다.

액체가 덕트로 들어가는 것부터 고체 섬유가 나오는 것까지 전체 프로세스는 수 초에 걸쳐 진행됩니다.

산업용 압출이 모든 것을 파괴하는 이유

이제 산업용 섬유 생산 장비를 사용하여 이 공정을 재현하려고 하면 어떤 일이 벌어질까요?.

기존의 섬유 방적은 용융 방적(나일론, 폴리에스테르에 사용)과 습식 방적(레이온, 일부 아라미드에 사용)의 두 가지 주요 종류로 나뉩니다. 두 방식 모두 작은 구멍(방적구)을 통해 폴리머를 강제로 통과시켜 연속적인 섬유를 형성합니다.

용융 방사는 열을 사용합니다. 폴리머를 녹여 작은 구멍을 통해 압출합니다. 고분자가 나오고 식으면서 굳어집니다. 이 방법은 열적으로 안정된 간단한 합성 폴리머에 적합합니다.

거미줄 단백질에는 쓸모가 없습니다. 단백질은 높은 온도에서 변성됩니다. 수화된 거미줄 단백질은 약 60~80°C에서 변성되기 시작하지만, 건조한 섬유는 200°C 이상에서도 견딜 수 있습니다. 용융 방적은 일반적으로 200-300°C에서 작동합니다. 결국 단백질 맛이 나는 숯이 남게 됩니다.

습식 방적은 화학 용매를 사용하여 열을 피합니다. 폴리머를 용매에 녹여 응고조(일반적으로 폴리머를 침전시키는 다른 화학 물질)로 압출한 다음 결과물인 섬유를 뽑아냅니다.

이는 거미줄에 적용할 수 있는 방법에 가깝습니다. 여러 연구 그룹에서 실크 도핑을 메탄올이나 아세톤 또는 단백질이 응집되고 응고되도록 하는 다양한 소금 용액에 압출하는 등 다양한 방법을 시도했습니다.

그리고 그것은 효과가 있습니다. 섬유질을 섭취할 수 있습니다. 거미줄 단백질로 만들어졌습니다. 현미경으로 보면 섬유처럼 보입니다.

하지만 기계적 특성은 끔찍합니다. 천연 거미줄의 인장 강도는 30%일 수 있습니다. 거미줄을 특별하게 만드는 중요한 특성인 인성은 종종 나일론보다 더 나쁩니다. 섬유가 부서지기 쉽습니다. 쉽게 끊어집니다.

무엇이 잘못되었나요?

문제 1: 정렬. 산업용 압출은 빠릅니다. 경제성을 갖추려면 처리량이 높아야 하는데, 이는 밀리미터가 아니라 초당 섬유의 미터 단위입니다. 이러한 속도에서는 방적기를 통과하는 흐름이 층류가 아닌 난류가 됩니다. 매끄러운 층이 서로 스쳐 지나가는 대신 혼란스러운 혼합과 임의의 방향이 발생합니다.

실크 단백질은 무작위로 떨어집니다. 정렬되지 않습니다. 굳어지면 뒤죽박죽이 됩니다. 결정 영역은 임의의 방향을 가리킵니다. 평행 정렬에 의존하는 하중 지지 구조가 제대로 형성되지 않습니다.

결과: 천연 실크가 감당할 수 있는 스트레스의 극히 일부에 불과한 약한 섬유가 실패합니다.

문제 2: 동역학. 거미의 3초 변신은 신중하게 진행됩니다. pH는 서서히 변화합니다. 이온은 특정 시간 규모에 걸쳐 교환됩니다. 단백질은 최종 구조로 고정되기 전에 접히고, 결합하고, 정렬할 시간이 있습니다.

산업용 압출은 밀리초 단위로 이루어집니다. 단백질 용액이 응고조와 충돌하여 즉시 용액 밖으로 떨어집니다. 단백질은 방향에 상관없이 어디에 있든 응집됩니다. 신중하게 조립할 시간이 없습니다.

제어된 자동 조립이 아닌 빠른 강수량을 얻을 수 있습니다. 벽돌을 조심스럽게 쌓아 벽을 만드는 것과 트럭 한 대 분량의 벽돌을 한꺼번에 쌓아 올리는 것의 차이입니다.

문제 3: 전단. 이것이 킬러입니다. 산업 유속에서 방적기의 전단력은 거미가 가하는 것보다 몇 배나 높은 엄청난 힘입니다. 이러한 힘은 화학 결합을 끊고 단백질 접힘을 방해하며 정렬이 불가능할 정도로 혼란스러운 흐름을 만들 수 있습니다.

하지만 속도를 늦출 수는 없습니다. 느린 흐름은 낮은 처리량을 의미하고, 이는 곧 비경제적인 생산을 의미합니다. 거미는 몇 미터의 실크만 필요하기 때문에 3초가 걸릴 수 있습니다. 공장이 나일론 생산과 경쟁하려면 시간당 수 킬로미터의 속도가 필요합니다.

물리학은 확장되지 않습니다. 0.5mm 덕트에서 3초에 걸쳐 작동하는 완만하고 제어된 전단력은 더 빠른 속도로 작동하는 더 큰 시스템에서는 재현할 수 없습니다. 유체 역학은 근본적으로 달라집니다. 난류는 피할 수 없게 됩니다.

느린 회전의 경제적 함정

일부 연구 그룹은 미세 유체 채널을 통한 느린 압출, 신중한 pH 구배, 제어된 이온 교환, 부드러운 당기는 힘 등 거미를 더 가깝게 모방하여 인상적인 결과를 달성했습니다.

2017년 스웨덴 농업과학대학 연구팀은 천연 실크의 기계적 특성에 근접한 70%에 달하는 섬유를 생산하는 실험실 규모의 방적 기술을 시연했습니다. 이는 진정한 돌파구였습니다.

시간당 약 1미터의 속도로 제작했습니다.

산업용 섬유 생산은 시간당 1,000~10,000미터로 운영됩니다. 케블라 생산 라인은 분당 약 100m의 속도로 가동됩니다. 특수 고성능 섬유 생산도 시간당 미터가 아닌 분당 미터 단위로 측정된 속도를 가정합니다.

거미의 공정을 복제하는 데 가까워질수록, 즉 기계적 특성이 좋아질수록 생산 속도가 느려지고 비용이 더 많이 드는 것이 경제적 함정입니다. 섬유가 더 우수할수록 상업성이 떨어집니다.

거미의 속도와 거미 비늘로 거미 수준의 섬유를 생산하여 킬로그램당 수천 달러의 비용으로 하루에 그램을 생산할 수 있습니다. 또는 하루에 수 톤을 생산하는 산업용 처리량을 가질 수도 있지만, 애초에 거미줄을 추구할 가치가 있었던 섬유의 특성을 잃게 됩니다.

아직 중간 지점은 발견되지 않았습니다. “거미줄 섬유” 생산을 발표한 기업들은 일반적으로 산업 속도 옵션을 선택했으며, 달성 가능한 생산 속도 대신 기계적 특성이 크게 저하되는 것을 감수했습니다. 이들의 섬유는 분자 구성은 “거미줄'이지만 성능은 ”거미줄'이 아니었습니다.

이 문제가 수억 달러를 삼킨 이유

방적 병목 현상을 이해하면 거미줄 산업이 왜 지금과 같은 방식으로 발전해왔는지, 그리고 왜 약속을 지키지 못했는지를 알 수 있습니다.

단백질 생산 문제는 2010년대 중반에 어느 정도 해결되었습니다. 발효 기술이 작동합니다. 수율은 계속 향상되었습니다. 비용은 계속 떨어지고 있습니다. 단백질만 충분했다면 거미줄 산업이 발달했을 겁니다.

하지만 단백질만으로는 충분하지 않습니다. 단백질은 산업 규모에 존재하지 않는 제조 공정을 기다리며 탱크에 있는 값비싼 원료일 뿐입니다.

방적 공정은 화학(pH, 이온), 유체 역학(층류, 비전단력), 동역학(조립 타이밍)을 동시에 제어해야 하며, 이 모든 것을 경제적으로 충분히 빠르게 실행되는 연속 공정에서 제어해야 합니다. 자연은 4억 년의 진화를 통해 최적화된 5mm의 덕트에서 이 작업을 수행합니다. 우리는 완전히 다른 조립 메커니즘을 가진 완전히 다른 폴리머에 최적화된 산업 장비에서 이 작업을 수행하려고 합니다.

프로세스를 확장하려고 시도할 때마다 무언가가 깨집니다. 덕트를 더 크게 만들면? 흐름이 난류가 됩니다. 프로세스 속도를 높이려고요? 정렬이 실패합니다. 응고 속도를 높이기 위해 더 강력한 화학 응고를 사용하시나요? 단백질 구조가 파괴됩니다.

거미의 솔루션은 정교하지만 거미 크기, 거미 속도, 거미 제어 메커니즘 등 거미가 되기 위해 절묘하게 적응했습니다. 거미는 산업화되기를 원하지 않습니다. 물리학은 이를 거부합니다. 경제학은 그것을 처벌합니다.

이것이 30년이 지난 지금도 거미줄 방탄 조끼를 살 수 없는 이유입니다. 거미줄이 무엇인지 몰라서가 아닙니다. 단백질을 만들 수 없기 때문이 아닙니다. 거미의 복부에서 일어나는 3초 동안의 분자 안무, 즉 액체에서 고체로 변하는 과정이 경제적으로 대규모로 복제할 수 있는 능력을 넘어서는 것이기 때문입니다.

레시피를 해결했습니다. 아직 부엌을 만들려고 노력 중입니다. 그리고 주방이 가장 어려운 부분인 것으로 밝혀졌습니다.

생체 재료 스케일업 문제

2008년, 넥시아 바이오테크놀로지스라는 거미줄 스타트업은 서류상으로는 성공할 것 같았던 문제를 안고 있었습니다. 그들은 산양유에서 거미줄 단백질을 생산할 수 있었습니다. 그들의 발효 과정은 개선되었습니다. 그들의 정제 프로토콜은 효과가 있었습니다. 시설에 실크 원료를 담은 통이 놓여 있었고, 곧바로 섬유로 뽑아낼 수 있었습니다.

문제는 그 통에 약 1T4T2백만 달러 상당의 단백질이 들어 있었는데, 이를 어떻게 수익성 있는 제품으로 전환할지 아무도 몰랐다는 것이었습니다.

이 회사는 여기까지 오는 데 8년과 1억 4천 5백만 달러를 투자했습니다. 개념 증명이 있었습니다. 출판물이 있었습니다. 특허도 있었습니다. 하지만 “실험실에서 이걸 할 수 있다”에서 “만드는 데 드는 비용보다 더 비싸게 팔 수 있다”로 나아갈 수 있는 경로가 없었습니다.”

2년 후, 넥시아는 파산했습니다.

죽음의 계곡은 대부분의 생체 재료 회사가 죽음을 맞이하는 곳입니다. 과학이 아직 불확실한 초기 단계가 아닙니다. 생산 규모가 확대되고 고객이 구매하는 마지막 단계도 아닙니다. 하지만 중간, 즉 입증된 기술에서 실제 생산이 가능한 단계로 넘어가는 잔인한 전환기에 있습니다.

거미줄은 30년 동안 이 계곡에서 죽어가고 있습니다.

진보의 환상

재료 과학 연구에는 실패를 앞으로의 추진력처럼 보이게 하는 독특한 역학 관계가 있습니다. 매년 누군가 향상된 단백질 수율이나 더 나은 섬유 특성 또는 새로운 방적 방식을 보여주는 논문을 발표합니다. 몇 년마다 한 스타트업이 “획기적인” 생산 능력을 달성했다고 발표하기도 합니다.

“발효 효율 10배 향상”이라는 수치가 인상적으로 들립니다. “800MPa에 달하는 섬유 강도.” “연간 50킬로그램의 생산 능력.”

투자자, 언론인, 방위산업체 등 이 분야 외부의 사람에게는 중요한 이정표처럼 들릴 수 있습니다. 산업이 상업적 생존 가능성에 가까워지는 것처럼 들리기도 합니다.

산업 제조업을 이해하는 사람에게는 올림픽 출전권을 따기 위해 노력하면서 걷는 법을 배웠다고 축하하는 사람처럼 들릴 수 있습니다.

실험실의 성공과 산업적 실행 가능성 사이의 간극은 선형적이지 않습니다. 대수적이지도 않습니다. 여러 가지 문제가 복합적으로 얽혀 있어 접근하면 할수록 기하급수적으로 어려워지는 장벽을 만들어 냅니다.

“산업 규모”가 실제로 의미하는 것

스타트업이 연간 50킬로그램의 생산량을 발표할 때 보도자료에는 종종 예상치가 포함됩니다: “이 용량은 500kg, 5톤으로 확장되어 고성능 섬유에 상업적으로 적용될 수 있습니다.”

산업용 자재는 킬로그램 단위로 소비되지 않는다는 점을 간과하고 있습니다. 톤 단위로 소비됩니다. 수천 톤.

전 세계 섬유 나일론 생산량: 연간 약 600만 톤. 파라 아라미드 섬유 생산량(케블라 포함): 연간 약 11만 톤. 특수 아라미드 섬유도 연간 수천 톤 규모의 틈새 시장을 점유하고 있습니다.

성능 섬유 시장에서 지배적이 아니라 관련성이 있으려면 연간 최소 수백 톤을 생산할 수 있어야 합니다. 그렇지 않으면 계약을 체결할 수 없습니다. 일관성을 보장할 수 없습니다. 가격 경쟁력을 확보할 수 있는 규모의 경제를 달성할 수 없습니다.

이전에 50그램을 생산하던 연구원에게 연간 50킬로그램은 많은 양처럼 들릴 수 있습니다. 수천 배의 개선입니다. 성공처럼 느껴집니다.

하지만 연간 50킬로그램은 하루에 약 140그램입니다. 5온스입니다. 연간 생산량 전체를 쇼핑백에 넣고 다닐 수 있는 양입니다.

연간 50킬로그램에서 연간 100톤으로 늘어나는 것은 점진적인 발전이 아닙니다. 2,000배의 스케일업입니다. 그리고 이러한 스케일업의 모든 단계에는 새로운 문제가 발생합니다.

오염 재앙

생물학적 제조의 가장 잔인한 측면 중 하나는 오염 위험입니다. 이는 제약 회사들이 수십 년 동안 막대한 비용을 들여 관리 방법을 배워온 문제입니다. 생체 재료 회사들도 훨씬 적은 자금과 훨씬 적은 오류 마진으로 동일한 교훈을 배우고 있습니다.

시나리오는 다음과 같습니다: 거미줄 단백질을 생산하는 효모를 키우는 10,000리터 규모의 바이오리액터를 운영하고 있습니다. 발효에는 3~5일이 걸립니다. 모든 것이 완벽하게 진행되면 약 30킬로그램의 단백질이 포함된 10,000리터의 발효 국물을 얻게 됩니다.

30킬로그램은 생산 비용에 따라 가장 낙관적인 가격 기준으로 약 $3,000에서 $10,000의 가치가 있습니다. 전체 배치는 아마도 $20,000 상당의 공급 원료(설탕, 영양소, 성장 배지), 에너지 및 인건비를 나타냅니다.

이제 오염이 발생했다고 상상해 보세요. 박테리아가 원자로에 유입되었습니다. 공기 처리 시스템 때문일 수도 있습니다. 부적절하게 멸균된 밸브 때문일 수도 있습니다. 상수도 때문일 수도 있습니다. 오염은 효모의 성장을 늦추는 데 그치지 않고 엔지니어링된 균주에 필요한 영양분을 적극적으로 소비합니다. 단백질을 변성시킬 수 있는 노폐물을 생성합니다. 값비싼 배치를 회수할 수 없는 쓰레기로 만들 수 있습니다.

1리터 플라스크, 세심한 멸균 기술, 연구원들이 지속적으로 모니터링하는 소규모 실험실 환경에서는 오염이 발생하는 경우가 드뭅니다. 여러 공급 라인, 샘플링 포트, 온도 제어 시스템을 갖추고 며칠 동안 지속적으로 가동되는 10,000리터 규모의 산업용 바이오리액터에서는 오염이 지속적인 위협이 됩니다.

제약 제조는 클린룸, 이중 멸균, 일회용 바이오리액터 구성품, 모든 단계에서의 광범위한 품질 테스트 등 극단적인 조치를 통해 이를 해결합니다. 이러한 조치는 효과가 있습니다. 또한 이러한 조치를 구현하고 유지하는 데 수백만 달러의 비용이 듭니다.

킬로그램당 $2 나일론으로 경쟁하려는 생체 재료 회사들은 제약 등급의 오염 제어를 감당할 수 없습니다. 하지만 배치 손실도 감당할 수 없습니다. 가뜩이나 마진이 적은 상황에서 20개 배치에서 5%의 오염률이 발생하면 경제성이 완전히 무너질 수 있습니다.

아무도 말하지 않는 정화 비용

발효가 끝나면 효모 세포, 사용한 성장 배지, 대사 부산물, 거미줄 단백질 등 복잡한 생물학적 수프가 만들어집니다. 이제 이를 추출해야 합니다.

다운스트림 프로세싱이라고 불리는 이 공정은 생물학적 제조에서 가장 비용이 많이 드는 부분입니다. 거미줄의 경우 총 생산 비용의 40~60%를 차지하는 경우가 많습니다.

단백질을 세포 덩어리에서 분리해야 합니다. 이를 위해서는 세포를 열거나(단백질이 세포 내에 있는 경우) 세포에서 분리해야 합니다(배지로 분비되는 경우). 그런 다음 다른 모든 단백질, 핵산, 지질 및 세포 파편을 제거해야 합니다.

일반적으로 세포를 제거하는 원심분리, 큰 오염 물질을 제거하는 여과, 단백질을 다른 모든 것과 분리하는 크로마토그래피, 마지막으로 방사에 필요한 고밀도로 단백질을 농축하는 농축 등 여러 단계를 거칩니다.

각 단계마다 비용이 듭니다. 원심분리기는 에너지를 소비합니다. 필터가 막혀서 교체해야 합니다. 크로마토그래피 수지는 비싸고 재사용 주기가 제한적입니다. 농축을 위해서는 값비싼 한외 여과막이나 에너지 집약적인 증발이 필요합니다.

하지만 문제는 이러한 비용이 비례적으로 줄어들지 않는다는 점입니다. 소규모 정화 프로세스를 실행하는 데는 동일한 장비, 동일한 품질 관리, 동일한 숙련된 노동력이 필요하기 때문에 킬로그램당 비용이 대규모 정화 프로세스를 실행하는 것과 거의 비슷합니다.

이는 악순환을 낳습니다. 산업 규모로 생산할 수 있을 때까지는 산업 규모의 장비를 구입할 수 없습니다. 그러나 킬로그램당 정제 비용을 낮출 수 있는 산업 규모의 장비를 갖추기 전까지는 수익성 있는 산업 규모에 도달할 수 없습니다.

여러 거미줄 회사들은 수년간의 개발 끝에 방적 전, 부가가치를 창출하기 전에 정제 비용만으로 기존 소재와 경쟁력이 없다는 사실을 발견했습니다. 이들은 발효를 최적화하고 높은 수율을 달성했지만 여전히 경제성을 확보하지 못했습니다.

일관성: 보이지 않는 살인자

실험실에서는 변동성이 예상됩니다. 배치 A는 리터당 27그램의 단백질을 생산합니다. 배치 B는 리터당 31그램을 생산합니다. 실험 노트에 차이를 기록하고 무엇이 달라졌는지 조사한 후 계속 진행합니다.

산업 생산에서 이러한 변동성은 재앙과도 같습니다.

섬유 제조업체, 방위 계약업체, 의료 기기 회사 등 산업 고객들은 특정 특성이 보장된 소재를 필요로 합니다. 인장 강도가 1.0 GPa이고 인장 연신율이 15%인 1,000kg의 섬유를 주문할 경우, 모든 섬유가 이 사양을 충족해야 합니다.

평균적으로는 아닙니다. 대부분은 아닙니다. 매 킬로그램, 매 배치마다, 영원히.

이는 생물학적 제조에서는 매우 어려운 일입니다. 발효 성능은 온도, 혼합 속도, 사료 공급 시기, 심지어 세포 배양 기간의 미묘한 변화에 따라 달라집니다. 단백질의 품질은 발효 조건에 따라 달라지며, 동일한 유전자 균주라도 접힘, 번역 후 변형, 순도 등이 조금씩 다른 단백질을 생산할 수 있습니다.

이러한 변형은 계단식으로 이어집니다. 방적 공정에 들어가는 단백질이 조금씩 다르면 기계적 특성이 약간씩 다른 섬유가 생산됩니다. 사양보다 5% 더 강한 배치도 5% 더 약한 배치만큼이나 문제가 될 수 있으며, 고객은 허용 범위를 벗어난 재료를 사용할 수 없습니다.

배치 간 일관성을 유지하려면 철저한 프로세스 제어가 필요합니다. 모든 매개변수를 빠듯한 시간 내에 모니터링하고 유지해야 합니다. 공급 원료, 물, 공기 등 모든 투입물의 품질이 일정해야 합니다. 모든 장비는 매번 동일한 성능을 발휘해야 합니다.

제약 회사는 광범위한 문서화, 통계적 프로세스 제어, 철저한 테스트 등 프로세스 검증을 통해 이를 달성합니다. 제약 업계는 막대한 마진이 있기 때문에 이러한 비용을 감당할 수 있습니다. 단백질 치료제는 킬로그램당 $10,000달러 이상에 판매될 수 있습니다.

거미줄 단백질이 소재로서 경쟁력을 갖추려면 킬로그램당 $100 이하, 이상적으로는 $50 이하에 판매되어야 합니다. 광범위한 품질 관리 오버헤드에 대한 마진이 없습니다. 하지만 거미줄이 없으면 시장도 없습니다.

몇몇 회사는 이러한 긴장감으로 어려움을 겪었습니다. 평균 특성이 우수한 섬유를 생산할 수는 있었지만 배치마다 편차가 너무 컸기 때문입니다. 그들은 한 배치에서 90%의 천연 실크 특성을 테스트하고 흥분했습니다. 다음 배치에서는 60%로 테스트했습니다. 세 번째 배치에서는 85%로 돌아왔습니다.

산업 고객 입장에서는 이러한 불일치로 인해 해당 소재를 사용할 수 없게 됩니다. 속성을 보장할 수 없는 소재를 중심으로 제품을 설계할 수는 없습니다. 범위가 너무 넓으면 평균이 좋다고 해도 상관없습니다.

자본 지출의 함정

재료 확장에 있어 가장 잔인한 경제적 현실은 수익이 발생하기 전에 자본 지출이 먼저 발생한다는 점입니다.

거미줄 섬유를 상업적으로 적절한 양(예: 연간 100톤)으로 생산하려면 다음이 필요합니다:

- 산업 규모의 발효 용량: 50,000리터 이상의 여러 바이오리액터

- 다운스트림 처리 장비: 산업용 원심분리기, 여과 시스템, 크로마토그래피 컬럼

- 섬유 방적 장비: 맞춤형 설계 시스템(상업용 방적 장비는 거미줄에 적합하지 않기 때문에)

- 품질 관리 실험실: 분석 장비, 테스트 장비, 숙련된 인력

- 시설 인프라: 클린룸, 유틸리티, 폐기물 처리, 스토리지

연간 100톤의 거미줄 섬유를 생산할 수 있는 시설의 총 자본 비용은 얼마일까요? 업계 전문가들의 추정치는 특정 기술과 위치에 따라 1억 4천만 달러에서 1억 5천만 달러까지 다양합니다.

이 자금은 첫 번째 상업용 톤을 생산하기 전에 모금하고 지출해야 합니다. 고객을 확보하기 전입니다. 프로세스가 본격적으로 작동할지 확실히 알기 전에. 수익이 발생하기 전에.

벤처 캐피털리스트들은 이를 “자본 집약적” 비즈니스 모델이라고 부르며, 이를 싫어합니다. 이상적인 벤처 지원 비즈니스는 최소한의 추가 자본으로 확장할 수 있는 소프트웨어, 서비스 등 자산이 가벼운 비즈니스입니다. 재료 제조는 그 반대입니다. 자산이 많고 자본 집약적이며 수익성에 도달하는 속도가 느립니다.

수익률도 더 낮습니다. 모든 것이 순조롭게 진행되더라도 재료 회사는 성숙한 시장에서 20~301조원의 수익률을 달성할 수 있습니다. 성공한 소프트웨어 회사는 801조 3,000억 달러 이상의 마진을 달성할 수 있습니다. 같은 금액의 자본과 위험을 감수한다면 VC는 소프트웨어에 투자하는 편이 훨씬 낫습니다.

이것이 바로 많은 거미줄 회사가 규모에 가까워질 무렵 자금이 바닥난 이유를 설명합니다. 그들은 기술 개발을 위해 1억 4천만 달러를 모금했습니다. 파일럿 플랜트 건설을 위해 1억 4천만 달러를 추가로 모금했습니다. 이제 상업 생산을 위해서는 $ 1억 달러가 필요하지만 투자자들은 지쳐 있고, 일정은 “시장 출시까지 3년'에서 ”5년 더'로 늘어났으며, 아무도 다음 수표를 쓰고 싶어하지 않습니다.

치명적인 규모의 춤

생체 재료 스케일업 문제의 가장 잔인한 측면은 대규모로 구축하기 전에는 프로세스를 검증할 수 없지만, 프로세스를 검증하기 전에는 대규모 구축을 정당화할 수 없다는 점입니다.

소규모 생산(1리터, 1,000리터, 심지어 10,000리터)은 100,000리터에서 공정이 어떻게 작동할지 예측할 수 없습니다. 혼합 역학이 달라집니다. 열 전달이 더 어려워집니다. 오염 위험이 증가합니다. 장비 동작이 달라집니다.

제약 회사는 광범위한 파일럿 연구, 각 규모에 따른 신중한 특성 분석, 보수적인 예측 등 체계적인 확장 프로세스를 통해 이를 처리합니다. 킬로그램당 $100,000에 판매될 수 있는 제품을 목표로 하고 있기 때문에 이러한 비용을 감당할 수 있습니다.

재료 회사는 킬로그램당 $50에 판매해야 하는 제품을 개발하기 위해 노력하고 있습니다. 수년간의 신중한 파일럿 연구를 감당할 여력이 없습니다. 투자자들은 빠르게 움직이고, 상업적 규모에 빠르게 도달하고, 자금이 소진되기 전에 수익을 창출해야 한다는 압박을 받습니다.

그래서 그들은 더 큰 점프를 합니다. 제한된 데이터를 기반으로 1,000리터에서 50,000리터까지 확장할 수 있습니다. 그리고 때로는 예상과 다르게 작동하기도 합니다. 오염률이 더 높습니다. 단백질 수율이 낮아집니다. 정화 효율이 떨어집니다.

이제 예상대로 작동하지 않는 시설을 구축하는 데 $3천만 달러를 지출했습니다. 킬로그램당 비용이 모델에서 예측한 것보다 50% 더 높습니다. 경쟁력이 없습니다. 이미 대규모로 실패했기 때문에 더 이상 자금을 조달할 수 없습니다.

“상업 생산을 시작한 지 불과 몇 년밖에 안 된” 회사가 갑자기 몇 달 만에 파산 위기에 처했습니다.

“연간 킬로그램'이 함정인 이유

거미줄 회사가 ”100킬로그램의 생산 능력을 달성했습니다”라고 생산 목표를 발표할 때, 기술적으로는 맞지만 경제적으로는 의미가 없는 경우가 많습니다.

연간 100킬로그램의 용량은 하루에 약 275그램을 생산할 수 있다는 뜻입니다. 이는 연구소에 공급하고, 프로토타입 재료를 만들고, 개념 증명을 시연하기에 충분한 양입니다. 단일 산업 고객에게 단일 제품 라인을 공급하기에는 턱없이 부족합니다.

복합 부품에 고성능 섬유를 사용하는 자동차 제조업체는 한 가지 용도에만 연간 10~50톤이 필요할 수 있습니다. 방탄복을 생산하는 방위 계약업체는 연간 수백 톤이 필요합니다. 섬유 제조업체는 연간 수천 톤이 필요합니다.

“우리는 이것을 생산할 수 있다”와 “우리는 중요할 만큼 충분히 생산할 수 있다” 사이의 간극은 대부분의 생체 재료 회사가 막다른 골목에 갇혀 있는 곳입니다. 과학적 문제를 해결하고 기술을 입증했지만, 이제는 모금할 수 없는 자본, 보유하지 않은 전문성, 투자자가 제공하지 않는 시간이 필요한 스케일업 단계에 갇혀 있습니다.

그들은 킬로그램의 이정표를 축하합니다. 그것이 시작점에서부터 진정한 진전이기 때문입니다. 하지만 시장은 킬로그램에 관심이 없습니다. 시장은 톤, 일관성, 가격에 관심이 있습니다.

그렇기 때문에 30년 동안 수천 건의 연구 논문과 수억 달러의 투자에도 불구하고 여전히 상업적으로 타당한 가격으로 거미줄 섬유를 대량으로 구매할 수 없는 것입니다.

죽음의 계곡은 건너려고 시도했던 거의 모든 사람을 앗아갔습니다. 그리고 그 계곡을 건너간 소수의 생존자들은 여전히 건너편에서 몇 년이 지난 지금도 한 걸음 한 걸음 걸을 때마다 현금을 태우며 걷고 있습니다.

생체 모방의 함정: “자연 모방'이 계속 실패하는 이유

1948년, 조지 드 메스트랄이라는 스위스 엔지니어가 사냥을 갔다가 벌레에 뒤덮인 채로 돌아왔습니다. 그는 욕설을 퍼부으며 버를 뽑아내는 대신 현미경으로 버를 조사했습니다. 버의 표면에 있는 작은 갈고리들이 천의 고리에 걸린 것이었습니다. 4년 후, 그는 벨크로를 발명했습니다.

비즈니스 스쿨 사례 연구와 혁신 기조연설에서 반복되는 생체 모방의 기원, 즉 자연을 보고, 메커니즘을 모방하고, 이익을 창출하는 것이 바로 생체 모방의 기원입니다. 매력적인 프레임워크입니다. 자연은 수십억 년 동안 솔루션을 최적화해 왔습니다. 우리는 관찰하고, 이해하고, 복제하기만 하면 됩니다.

거미줄은 이러한 접근법의 포스터 어린이가 되었습니다. 진화는 4억 년에 걸쳐 슈퍼 소재를 완성했습니다. 우리는 그것을 모방하기만 하면 되었습니다.

30년이 지난 지금도 우리는 여전히 노력하고 있습니다. 그리고 계속되는 실패는 혁신 전략으로서의 생체 모방에 대한 불편한 진실, 즉 때로는 자연을 모방하는 것이 영리한 공학이 아니라는 점을 드러냅니다. 때때로 그것은 잘못된 방향으로 체계적으로 이끄는 함정일 수 있습니다.

에볼루션이 실제로 최적화하는 대상

거미줄 산업을 처음부터 파멸로 이끈 근본적인 오해는 진화가 효율성, 비용 또는 확장성을 위해 최적화되지 않는다는 것입니다. 진화는 특정 생태적 맥락에서 번식 성공을 위해 최적화됩니다.

거미의 실크 생산 시스템은 곤충을 잡아 먹히지 않기 위해 하루에 몇 미터의 섬유를 생산해야 하는 고독한 포식자에게 최적화되어 있습니다. 그게 다입니다. 이것이 바로 에볼루션이 연구한 적합성 기준입니다.

이 시스템은 거미가 번식할 수 있을 만큼 충분히 오래 살아남을 수 있을 만큼, 완벽하지는 않지만 충분히 안정적으로 작동해야 합니다. 거미가 사용할 수 있는 자원, 즉 소화된 먹이에서 나온 단백질과 같은 식사에서 나온 대사 에너지를 사용해야 합니다. 이 과정은 절대적으로 빠르거나, 경제적 측면에서 저렴하거나, 산업 제조에 중요한 방식으로 일관적일 필요는 없습니다.

거미는 매일 거미줄을 재활용하며 오래된 실크를 먹어 단백질을 회수합니다. 거미는 한 가닥이 끊어지면 다른 거미줄을 만들면 됩니다. 추운 아침에 거미줄 생산이 느려져도 괜찮습니다. 그날 거미가 잡는 곤충의 수는 줄어들지만 굶어 죽지는 않습니다. 생물학적 시스템에는 유연성, 중복성, 오류 허용 범위가 내장되어 있습니다.

산업 제조는 이런 상황을 용납할 수 없습니다. 추운 날에 20%의 섬유를 덜 생산하는 공장은 실패한 공장입니다. 재활용과 재처리를 반복해야 하는 공정은 비경제적인 공정입니다. “매번 완벽하게” 작동하는 것이 아니라 “충분히 안정적으로” 작동하는 시스템은 가동이 중단됩니다.

진화는 거미를 자연에서 생존하도록 최적화했습니다. 자본주의에서는 이윤을 위한 최적화가 필요합니다. 이는 동일한 최적화 문제가 아닙니다.

자연이 무시하는 스케일링 법칙

생체 모방 옹호자들이 거의 논의하지 않는 더 깊은 문제가 있는데, 바로 자연 시스템은 선형적으로 확장되지 않으며, 종종 전혀 확장되지 않는다는 점입니다.

거미의 회전 덕트는 길이가 약 5mm, 너비가 0.5mm입니다. 실크 도프는 초당 밀리미터 단위로 측정된 속도로 이 덕트를 통과합니다. 이러한 치수는 특정 유체 역학, 즉 층류, 제어된 전단력, 예측 가능한 이온 확산 및 pH 기울기를 생성합니다.

이제 이를 100배로 확장한다고 상상해 보세요. 100배의 실크를 처리하려면 길이 50밀리미터, 너비 5밀리미터로 100배 더 큰 덕트를 만들어야 합니다.

물리학은 확장되지 않습니다. 전혀요.

시스템의 표면적과 부피 사이의 관계는 스케일에 따라 달라집니다. 튜브의 선형 치수를 두 배로 늘리면 표면적이 4배가 되지만 부피는 8배로 증가합니다. 이는 수학적으로 피할 수 없는 방식으로 열 전달, 확산 속도 및 혼합 역학에 영향을 미칩니다.

더 중요한 것은 흐름 체계가 바뀐다는 점입니다. 거미의 작은 덕트는 점력이 지배적인 범위에서 작동하며, 흐름이 부드럽고 예측 가능합니다. 규모를 확장하고 경제적인 처리량을 유지하기 위해 유속을 높이면 관성력이 지배하는 영역으로 이동하게 됩니다. 흐름이 난류가 됩니다. 단백질을 정렬하던 조심스러운 층류 전단은 단백질을 뒤섞는 혼란스러운 혼합으로 대체됩니다.

이것은 엔지니어링으로 해결할 수 있는 문제가 아닙니다. 물리학 문제입니다. 유체 역학 방정식은 비선형적입니다. 서로 다른 스케일에서 유체의 거동은 근본적으로 다릅니다.

더 큰 방적기를 만들 수는 없습니다. 더 큰 방적기는 거미 솔루션이 작동하지 않는 다른 물리적 체제에서 작동합니다.

통합 문제

거미의 거미줄 생산 시스템은 독립된 모듈이 아닙니다. 거미의 전체 생리에 깊숙이 통합되어 있습니다.

실크샘은 거미의 소화기관에서 영양분을 공급받아 이미 원료를 분해하고 가공한 후 공급받습니다. 거미의 신진대사에 의해 구동되고 거미의 신경계에 의해 제어되는 세포에 의해 회전관의 pH 구배가 유지됩니다. 거미의 다리에서 기계적인 당기는 힘은 고유 수용성 피드백을 통해 거미에게 당기는 속도와 장력을 정확히 알려줍니다.

온도 조절? 거미의 체온. 이온 공급? 거미의 헤모림프(혈액)입니다. 노폐물 제거? 거미의 배설 시스템. 품질 관리? 거미는 거미줄이 제대로 작동하지 않으면 더 세게 당기거나 거미줄 구조를 조정하거나 완전히 재건하는 등 행동으로 보상합니다.

전체 시스템은 컨텍스트, 제어 및 수정을 자동으로 제공하는 살아있는 유기체에 내장되어 있기 때문에 작동합니다.

이제 회전하는 덕트만 추출하여 공장에서 복제해 보세요. 모든 지원 시스템을 인위적으로 제공해야 합니다. 이온을 순환시키는 펌프가 필요합니다. pH를 관리하기 위한 제어 시스템. 온도 조절. 힘 센서와 피드백 루프. 문제가 발생했을 때 이를 감지하는 분석 장비.

거미의 방추를 복사하는 것이 아닙니다. 원하지 않는 부분을 제외한 거미 전체를 복사하려고 합니다. 그리고 그것들을 깔끔하게 분리할 수 없다는 것이 밝혀졌습니다.

이것은 가장 순수한 생체 모방 함정입니다. 모방하려는 우아한 솔루션은 복잡한 생물학적 시스템에 통합되어 있기 때문에 작동합니다. “솔루션'과 ”시스템'은 분리할 수 없습니다. 둘 중 하나 없이는 다른 하나를 가질 수 없습니다.

비용 구조의 진화는 신경 쓰지 않습니다.

여기 사고 실험이 있습니다: 거미가 실크를 생산하는 데 드는 “비용'은 얼마일까요?

경제적 관점에서 볼 때 이 질문은 말도 안 되는 질문입니다. 거미는 먹이를 사지 않습니다. 거미는 먹이를 잡아 소화하고 그 결과물인 아미노산을 사용합니다. 송장도 없고, 킬로그램당 가격도 없고, 매출 원가도 없습니다.

에너지 비용은? 거미의 신진대사가 동일한 먹이를 통해 에너지를 공급합니다. 전기 요금이 들지 않습니다. 자본 장비는? 실크샘은 거미의 발달 과정에서 자연스럽게 자랍니다. 감가상각 일정이 없습니다.

거미의 “제조 시설'은 무료이며, 자체 복제 및 자체 유지 보수가 가능합니다. 원료는 무료입니다. 에너지도 무료입니다. 품질 관리는 내장된 신경 피드백으로 이루어집니다. 노동은... 거미 그 자체입니다.

이제 공장에서 실크를 생산하는 데 드는 비용을 생각해 보세요:

- 공급 원료: 발효를 위한 설탕 기질 킬로그램당 $5-15

- 에너지: 바이오리액터, 펌프, 온도 제어, 정화를 위한 전기

- 자본: 바이오리액터, 방적 장비, 품질 관리 실험실 - 시간이 지남에 따라 감가상각됨

- 노동력: 숙련된 운영자, 엔지니어, 품질 관리 기술자

- 오버헤드: 시설 유지보수, 규정 준수, 보험

- 폐기물 처리: 사용한 발효 국물, 실패한 배치, 정제 용매

거미에게 0이 아닌 모든 비용 범주는 산업 제조에서 0이 아닌 경우가 많으며, 종종 극적으로 0이 아닙니다.

진화는 이러한 모든 비용이 거미의 정상적인 신진대사와 생물학적 기능에 흡수되어 외부화되는 시스템을 최적화했습니다. 모든 입력에 대해 명시적으로 비용을 지불하면서 산출물을 복제하려고 합니다.

그렇기 때문에 “자연을 모방하는” 접근 방식은 처음부터 운명이었습니다. 우리는 제조 공정을 모방하려고 한 것이 아니었습니다. 우리는 완전히 다른 경제성과 제약 조건을 사용하면서 제조 공정의 최종 결과를 모방하려고 했습니다.

누군가가 가정집 주방에서 요리하는 모습을 보고 “나도 저걸 따라해서 식당을 차려야겠다”고 생각하는 것과 같습니다. 가정 요리사는 식품 비용 비율, 노동 효율성 또는 보건부 규정에 대해 걱정할 필요가 없습니다. 레스토랑은 이 모든 것을 걱정해야 합니다. 같은 레시피라도 상황에 따라 완전히 다른 경제성을 창출합니다.

생체 모방이 실제로 작동하는 경우

사실 생체 모방이 항상 함정이 되는 것은 아닙니다. 벨크로는 성공했습니다. 상어 가죽에서 영감을 받아 항력을 줄이는 표면이 성공적으로 상용화되었습니다. 게코에서 영감을 얻은 접착제는 실제 제품입니다.

이러한 성공 사례의 공통점은 무엇일까요? 그들은 프로세스가 아닌 원칙을 모방했습니다.

벨크로는 버를 키우려고 하지 않습니다. 표준 사출 성형으로 제조된 플라스틱 후크와 고리를 사용합니다. 고리가 고리에 걸리는 메커니즘은 생체 모방적이지만 구현 방식은 산업적입니다.

상어 가죽에서 영감을 받은 표면은 상어 가죽의 생물학적 성장 과정을 모방하지 않습니다. 마이크로 패브리케이션 기술을 사용하여 다양한 소재에 유사한 표면 패턴을 만듭니다. 패턴은 생체 모방적이지만 생산은 기존 제조 방식입니다.

거미줄이 가장 대표적인 예인데, 생물학적 과정 자체를 모방하려고 할 때 실패가 일어납니다. 공장을 유기체처럼 작동하게 만들려고 하면 실패합니다.

거미는 생물학적 제약과 생물학적 경제학에 따라 생물학적 맥락에서 진화한 생물학적 과정을 통해 실크를 생산합니다. 이러한 과정을 산업적 제약과 산업적 경제성이 있는 산업적 맥락에서 재현하려고 하는 것은 범주 오류입니다.

약정의 매몰 비용

2000년대 중반에 이르러 많은 거미줄 연구자들이 이 문제를 이해하게 되었습니다. 방적기를 복제하고 자연 과정을 최대한 가깝게 모방하는 순수한 생체 모방 방식은 더 이상 효과가 없었습니다. 자연을 모방하는 데 가까워질수록 그 과정은 경제성이 떨어졌습니다.

하지만 그 무렵에는 이 접근 방식에 수억 달러가 투자된 상태였습니다. 기업들은 생체 모방 방사를 중심으로 기술 스택을 구축했습니다. 거미 생리학을 전공한 생물학자를 고용했습니다. 그리고 생체에서 영감을 얻은 제조 공정을 설명하는 특허를 출원했습니다.

생체 모방에서 벗어난다는 것은 근본적인 접근 방식이 잘못되었다는 것을 인정하는 것을 의미했습니다. 이는 수년간의 연구를 포기하는 것을 의미했습니다. 투자자들에게 핵심 전략을 변경해야 하는 이유를 설명해야 했습니다.

많은 기업이 피벗하지 않았습니다. 그들은 두 배로 노력했습니다. 그들은 근본적으로 결함이 있는 프레임워크에서 매개변수를 조정하고, 조건을 최적화하고, 미미한 개선을 추구하면서 생체 모방 접근 방식이 작동하도록 계속 노력했습니다.

이것이 함정의 마지막 메커니즘입니다. 생체 모방이 잘못된 방향으로 이끈다는 것만이 문제가 아닙니다. 지능적, 재정적, 조직적으로 한 번 그 방향으로 나아가고 나면 방향을 바꾸는 것이 거의 불가능하다는 것입니다.

오늘날에도 거미줄을 연구하는 기업들은 대부분 순수한 생체 모방 기술을 포기했습니다. 이들은 거미줄의 원리(단백질 구조, 결정질-비결정질 구조)를 사용하면서 산업 현실에 맞게 제조 공정을 완전히 재설계하는 바이오 영감이라고 할 수 있는 방식으로 전환했습니다.

일부는 거미 단백질을 완전히 포기하고 기존의 고분자 화학을 사용하여 실크의 분자 구조를 모방한 합성 고분자를 설계하기도 합니다. 발효가 없습니다. 생물학적 과정도 없습니다. 자연의 구현을 모방하지 않고 자연에서 개념을 차용한 신중한 분자 설계만 있을 뿐입니다.

이러한 접근 방식은 실제로 효과가 있을 수 있습니다. 하지만 더 이상 생체 모방이 아닙니다. 생물학에서 영감을 얻은 재료 공학입니다.

거미줄이 실제로 우리에게 가르쳐준 것들

거미줄 이야기는 과학의 실패가 아닙니다. 이는 전략의 실패로, 자연을 너무 문자 그대로 따르다 보면 실행 가능한 혁신에서 체계적으로 멀어질 수 있다는 것을 보여주는 사례 연구입니다.

교훈은 “자연을 보지 말라”는 것이 아닙니다. 교훈은 “자연을 모방하기 전에 자연이 실제로 무엇을 위해 최적화되었는지 이해하라”는 것입니다.”

진화는 생태적 틈새에 맞게 유기체를 최적화합니다. 산업 제조는 시장 경제에서 이윤을 위해 최적화합니다. 이는 완전히 다른 제약 조건과 성공 기준을 가진 완전히 다른 최적화 문제입니다.

거미의 솔루션은 거미에게 완벽한 솔루션입니다. 공장에는 끔찍한 일입니다. 아무리 영리한 엔지니어링을 동원해도 이 근본적인 불일치를 바꿀 수는 없습니다.

거미줄의 진정한 혁신은 거미를 완벽하게 모방하는 데서 오는 것이 아닙니다. 거미줄이 분자 수준에서 작동하는 원리를 이해하고 산업적 방법, 산업 경제성 및 산업적 제약을 사용하여 유사한 결과를 얻을 수 있는 완전히 다른 공정을 설계하는 데서 비롯될 것입니다.

생체 모방이 아닙니다. 생물학적 영감. 자연이 되려고 하는 것이 아니라 자연에서 배우는 것입니다.

거미는 거미줄에 앉아 있는데, 이는 우리가 실제로 가지고 있지 않은 문제에 대한 아름다운 해결책입니다. 우리는 거미가 우아해 보였기 때문에 그것을 모방하고 싶었습니다. 자연에서의 우아함과 산업에서의 실용성은 완전히 다른 것이기 때문에 우리는 실패했습니다.

때때로 자연에서 얻은 최고의 아이디어는 우리가 인식할 수 없을 정도로 변형하고 변형한 것입니다. 그리고 때로는 거미줄이 우리에게 계속 가르치는 것처럼 자연에서 얻은 최고의 아이디어는 자연에 머물러야 하며, 감탄하되 복제하지 말고, 이해하되 상업화하지 말아야 합니다.

함정은 어떤 것이 한 맥락에서 완벽하게 작동한다고 해서 다른 맥락에서도 작동해야 한다고 생각하는 것입니다. 자연과 산업은 완전히 다른 규칙을 가진 완전히 다른 게임을 합니다. 자연의 플레이북을 모방하여 산업 게임에서 이기려고 하는 것은 처음부터 당연한 것을 30년과 수억 달러를 들여 학습하는 것과 같습니다.

거미줄이 놀랍다는 것이 기적이 아닙니다. 기적은 거미가 그것을 쉽게 보이게 만든다는 것입니다. 그리고 그 용이함, 즉 진화의 우아함 때문에 업계 전체가 문제를 실제보다 더 단순하게 생각하도록 오도한 것입니다.

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참조

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https://en.wikipedia.org/wiki/Spider_silk

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https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0011234

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https://lgross.utk.edu/LGrossTIEMwebsite/home/gross/public_html/bioed/bealsmodules/spider.html

바이오스틸 염소 - 글로브 앤 메일 (2000)
https://www.theglobeandmail.com/report-on-business/nexias-transgenic-spider-goat-to-produce-milk-of-steel/article1035969/

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https://www.sciencenewstoday.org/how-spiders-weave-webs-stronger-than-steel

케블라 - 위키백과
https://en.wikipedia.org/wiki/Kevlar

케블라 섬유 인성 - 사이언스다이렉트 (2021)
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359836821005011

다윈의 나무 껍질 거미 - 위키백과
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합성 거미줄 비용 - KraigLabs
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합성 거미줄의 기술-경제적 분석 - AIChE Proceedings (2024)
https://proceedings.aiche.org/conferences/aiche-annual-meeting/2024/proceeding/paper/161b-techno-economic-analysis-and-life-cycle-assessment-synthetic-spider-silk-production

나일론 가격 가이드 - 데런 나일론
https://www.derunnylon.com/News/nylon-6-and-nylon-66-price-guide-costprice-per-kg-from-china

케블라 비용 분석 - MDPI 폴리머
https://www.mdpi.com/2073-4360/17/16/2254

바이오스틸 섬유 - 위키백과
https://en.wikipedia.org/wiki/BioSteel_(fiber)

전 세계 폴리아미드 섬유 생산량 - Statista
https://www.statista.com/statistics/649908/polyamide-fiber-production-worldwide/

글로벌 아라미드 섬유 산업 전망 - 도시네 소재
https://www.doshinematerial.com/news/outlook-of-the-global-aramid-fiber-industry-84086734.html