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  • 근섬유와 유사한 자가조립 고분자등록일 : 2015/12/09
  • 근육의 움직임은 생물분자 모터(biomolecular motor)의 집합적인 움직임에 의해 유발된다. 과학자들 및 공학자들은 오랫동안 이런 과정을 모방하려는 노력을 해 왔다. 최근 프랑스 과학자들은 이 목표에 한 걸음 근접한 연구결과를 도출했다. Angewandte Chemie에 게재한 연구에 따르면, 연구팀은 계층적 자가조립 고분자 섬유를 기반으로 하는 인공 근육을 제조하는 방법을 제시하고 있다. 이 기술을 사용하여, 연구팀은 분자의 움직임을 좀 더 큰 움직임으로 증폭시킬 수 있었다.

    우리의 근육 조직은 계층적인 구조를 하고 있다: 근섬유(muscle fiber)의 가장 작은 기능단위를 근절(sarcomere, 근육원섬유마디)이라고 부른다. 근절은 액틴 필라멘트(actin filament)와 미오신 필라멘트(myosin filament)로 구성되어 있다. 미오신의 구조는 작은 골프 클럽 다발과 유사한데, 머리 부위가 더 얇은 액틴 필라멘트로 돌출되어 있다.

    수천 개의 머리 부분들의 조화로운 움직임을 통해, 미오신 섬유가 액틴 필라멘트를 따라 미끄러지듯 이동하게 한다. 이것은 근절을 수축시킨다. 이런 근절 단위의 많은 부분이 근원섬유(myofibril)에 길이 방향으로 결합되어 있으며, 근원섬유는 측방으로는 섬유다발 형태로 되어 있다.

    스트라스부르크 대학(University of Strasbourg)의 Nicolas Giuseppone 및 파리 디드호 대학(University of Paris Diderot)이 이끄는 연구팀은 이런 구조적 원리를 모방하였다. 연구팀이 개발한 개별 구조단위는 로탁산(rotaxane)으로, 막대기 형태의 분자들로 구성된 유연한 분자 시스템이 더 큰 분자고리(molecular ring)를 통과하는 형태이다.

    만약 고리가 막대기의 한 쪽 끝에 단단히 결합되어 있다면 로탁산으로 이량체(dimer)를 만드는 것이 가능해진다. 이량체(dimer) 내에서 각 분자의 막대 부위는 다른 고리를 통과하면서 엮이게 된다. 이런 시스템은 이전에 분자 스위치의 근간으로 사용된 바 있으며, 고리의 상호 간 위치 변위가 미세한 수축과 팽창을 가능하게 한다.

    연구팀은 로탁산 이량체를 만들었으며, 각 고리는 두 개의 "lock down" 상태를 가진다. 이런 상태에서, 고리는 축에 고정되어 있으며, 특정 원자 그룹에 의한 인력에 의해 유지된다. 산성 및 염기성 조건을 변경함으로써, 이 고리들은 두 가지 상태 간에 상호 변화시킬 수 있어서 원하는 방식대로 이량체의 길이를 조절할 수 있게 된다.

    과학자들은 처음으로 수 천 개의 이량체를 마이크로미터 길이의 고분자 섬유로 연결시키는데 성공하였다. 이를 위해 연구팀은 이량체의 끝의 특정 부위에 수소결합(hydrogen bond)을 통해 연결이 가능한 연결단위(linking unit)를 사용하였다. 이것은 DNA 이중 나선구조에서 발견되는 염기쌍(base pairing)과 유사하다. 또한 이런 연결단위는 π–π stacking 및 판데르 발스(van der Waals) 힘에 의해 서로 잡아당김으로써, 개별 섬유가 10∼20nm 두께의 번들을 형성하게 한다. 전자현미경 관찰에 의하면, 이 번들이 수축할 때 섬유는 긴장된 근육처럼 두꺼워지며, 신장될 때는 길게 늘어진 형태를 한다.

    그림> 로탁산의 분자식 및 개발된 고분자의 원자현미경 영상

    원문정보: Antoine Goujon et al. Hierarchical Self-Assembly of Supramolecular Muscle-Like Fibers, Angewandte Chemie International Edition (2015). DOI: 10.1002/anie.201509813
  • 키워드 : 근섬유, 근절, 로탁산
  • 출처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑