비 온 뒤 길가에 남은 미끄러운 흔적 속 생체 재료의 암호
아침 일찍 공원 산책로를 걷다 보면 신발 밑창에 미끄럽고 끈적이는 물질이 닿곤 한다. 대부분의 사람들은 달팽이가 지나간 자리에 남은 흔적을 흔히 볼 수 있는 분비물 정도로 여긴다. 하지만 2026년 8월 6일 학술지 《사이언스》(Science)에 발표된 연구에 따르면, 이 평범해 보이는 액체는 사실 매우 정교한 지능형 생체 재료다. 흔한 숲달팽이(grove snail, 학명 Cepaea nemoralis, 유럽 공원에서 흔히 볼 수 있으며 껍데기에 노란색과 검은색 줄무늬가 있는 육상 달팽이)는 자체 생리 작용을 통해 물리적 특성이 완전히 다른 5가지 점액을 정밀하게 만들어 낼 수 있다.
이 점액들의 강도 범위는 매우 넓어, 배다리의 이동을 돕는 윤활제부터 추위와 더위를 견디는 단단한 막까지 포함한다. 연구진은 점액이 부드러운 액체로 남을지 아니면 플라스틱처럼 단단한 보호 덮개로 변할지를 결정하는 물리적 스위치가 체내에 흔히 존재하는 칼슘 이온(calcium ions)이라는 사실을 밝혀냈다. 발밑에서 밟히는 달팽이 점액 흔적은 달팽이가 현재 생존 환경에 맞춰 그때그때 배합해 낸 결과물이다.
유리 그릇부터 사육장까지: 과학자들은 어떻게 5가지 점액을 수집했나
자연계에서 점액은 동물이 생존하고 자신을 보호하는 핵심 무기다. 예를 들어 먹장어(hagfish, 엄청난 양의 점액을 분출해 포식자의 기도를 막는 무턱고기류)는 점액으로 적을 막고, 튜브입술놀래기(tube-lipped wrasse, 입술이 두꺼운 점액으로 덮인 산호초 물고기)는 점액으로 가시 산호로부터 입술을 보호한다. 그리고 숲달팽이는 이 점액의 활용도를 극대화했다. 독일 포츠담에 위치한 막스 플랑크 교질 및 계면 연구소(Max Planck Institute of Colloids and Interfaces) 연구진은 달팽이가 서로 다른 상태에서 분비하는 점액의 촉감이 크게 다르다는 점에 주목했다.
생화학자 프란치스카 예레(Franziska Jehle)는 달팽이가 유리 표면을 미끄러지듯 기어갈 수도 있고, 수직 유리 벽에 단단히 붙어 있을 수도 있다는 점에 착안하여 이번 연구를 시작했다. 점액 구성 성분의 차이를 밝혀내기 위해 물리학 화학 박사과정 연구원 마리엘라 가블러(Mariella Gabler)와 동료들은 정밀한 샘플 수집 작업에 나섰다. 연구진은 깨끗한 유리 그릇 위로 달팽이가 지나가게 하여 바닥의 윤활 점액을 긁어모았고, 달팽이가 사육장 벽에 단단히 붙어 있을 때는 껍데기 입구 테두리의 접착 입자를 떼어냈다. 또한 주걱으로 껍데기를 살짝 긁어 자극을 줌으로써 분출되는 방어용 거품과 끈적한 노란색 분비물을 수집했다.
이동용 윤활 점액, 무지갯빛 접착 점액, 거품 방어 점액, 노란색 끈적한 방어 점액 외에도 연구진을 가장 놀라게 한 것은 다섯 번째 점액인 휴면 봉인막(epiphragm, 달팽이가 겨울이나 여름 가뭄 때 체내 수분 증발을 막기 위해 껍데기 입구를 막는 단단한 막)이었다. 이 봉인막은 건조된 후 매우 높은 강도를 가져 덮개처럼 달팽이의 몸을 완벽하게 보호한다.
그림: 젖은 바위 위를 기어가는 숲달팽이. 출처: Science News (막스 플랑크 교질 및 계면 연구소 제공)
칼슘 스위치로 강도 조절: 단 하나의 단백질이 만드는 화학적 변화
상식적으로 서로 다른 기능을 가진 5가지 재료를 만들려면 5가지의 완전히 다른 단백질 원료가 필요하다고 생각하기 쉽다. 하지만 연구실의 화학 분석 결과는 직관에 반하는 사실을 보여주었다. 이 5가지 점액은 모두 동일한 단백질 기반을 공유하고 있었다. 주요 성분은 모두 콜라겐 VI(collagen VI, 동물의 체내에서 결합 조직을 형성하고 세포 망상 구조를 지지하는 기본 단백질)였다.
원료가 같은데 무엇이 점액의 물리적 상태를 결정하는 것일까? 연구진은 칼슘 이온이 분자 수준의 지퍼 및 교차 결합제 역할을 한다는 점을 발견했다. 미시적 관점에서 칼슘 이온은 콜라겐 분자 사슬 사이에 끼어들어 느슨하게 얽혀 있던 단백질 네트워크를 단단히 고정한다.
칼슘 이온의 첨가량은 최종 재료의 물리적 강도를 직접 결정한다. 껍데기 입구를 막는 휴면 봉인막의 칼슘 함량은 건조 중량 1그램당 420밀리그램(42%)에 달하며, 이는 이동용 윤활 점액의 칼슘 농도보다 거의 17배 높은 수치다. 이 칼슘 농도는 칼슘 알약 한 통을 점액 속에 직접 압축해 넣은 것과 같아, 부드러운 액체를 순식간에 단단한 갑옷으로 변화시킨다.
휴대용 미세 광물 창고: 족부 조직 현미경 연구
단순히 칼슘 이온 농도를 높이는 것 외에도 달팽이는 강도가 높은 점액에 무기 광물 입자를 추가했다. 휴면 봉인막과 고강도 접착 점액에서는 미세한 방해석(calcite, 탄산칼슘으로 이루어진 단단한 결정으로 대리석과 조개껍데기의 주요 성분) 미세 결정이 검출되었다. 광물 결정이 콜라겐 망상 구조에 얽히면서 콘크리트의 철근과 자갈처럼 막에 강화 구조를 제공한다.
달팽이가 어떻게 칼슘 이온을 필요에 따라 조절하는지 밝히기 위해 연구진은 숲달팽이의 조직 절편을 현미경으로 관찰했다. 그 결과 달팽이 배다리 하단의 점액 선에 대량의 탄산칼슘(calcium carbonate, 자연계의 암석과 석회석에 광범위하게 존재하는 흰색 광물)이 저장되어 있음을 확인했다. 이는 달팽이 자체가 이동식 광물 창고와 같아서 분비 통로에 언제든지 서로 다른 양의 칼슘원을 주입할 수 있음을 의미한다.
텍사스 대학교 엘패소 캠퍼스의 생체 재료 학자 빅토르 아지사페(Victor Ajisafe)는 과학계가 이전까지 칼슘 이온이 주로 뼈나 단단한 껍데기 같은 강성 조직을 구성하는 데 쓰인다고 생각했다고 지적했다. 이번 연구는 칼슘 이온이 유연한 생체 재료에서도 예상보다 훨씬 뛰어난 조절 능력을 가지며, 단순한 농도 변화만으로 재료 특성을 여러 단계로 조절할 수 있음을 증명했다.
그림: 거친 나무 껍질 표면을 천천히 기어가는 정원달팽이. 출처: C&EN
전단 박화 현상과 응고: 지능형 생체 재료의 새로운 영감
강도 조절 외에도 달팽이가 이동할 때 분비하는 윤활 점액은 독특한 유체 역학적 특성을 지닌다. 이 점액은 전단 박화(shear thinning, 미끄러지는 힘을 받으면 묽어지고 힘이 멈추면 빠르게 다시 끈적하게 굳는 물리적 특성) 특성을 가지고 있다. 달팽이 배다리 근육이 점액을 압착할 때는 기름처럼 매끄럽게 흐르고, 배다리가 멈추어 쉴 때는 점액이 다시 끈적해져 몸을 제자리에 고정한다.
마리엘라 가블러는 인터뷰에서 달팽이 재료의 정교함에 깊은 감명을 받았다고 밝혔다. 공학자들은 이 메커니즘을 응용하여 새로운 의료용 보호 코팅과 하이드로겔 상처 드레싱을 개발하고 있다. 이상적인 상처 드레싱은 바를 때는 액체처럼 고르게 퍼지고, 상처를 덮은 후에는 체액의 이온 변화를 통해 빠르게 굳어 세균을 차단하는 유연한 보호 장벽을 형성해야 한다.
미끄러운 윤활 흔적부터 단단한 봉인 덮개에 이르기까지 숲달팽이는 자연계의 매우 효율적인 재료 공학을 보여준다. 복잡한 합성 과정 없이 단 하나의 단백질과 조절 가능한 칼슘 이온 농도만으로 5가지 서로 다른 작동 조건의 재료 전환을 완수한다. 다음에 비 온 뒤 길가에서 기어가는 달팽이를 본다면 발밑에 남겨진 그 흔적을 생각해 보라. 그것은 생물이 수억 년의 진화를 거쳐 조합해 낸 프로그래밍 가능한 지능형 재료다.
참고 링크:
- Science News 보도
- NPR 보도
- C&EN 연구 해설
