(The Formation Zone is critical in radula development and regeneration. Light microscopy images showing a, the Formation Zone (FZ) and b–e, Stages I to IV of the limpet radula respectively (scale bar = 500 µm). f–h Images of the isolated FZ in vitro, including higher magnification of regenerated Stage I radula (n = 36 FZ from 6 independent cultures, scale bars = 500 µm). i Reconstructed X-ray computed tomograms depicting mineral deposition within Stage I radula regenerated in the presence of Fe(II)SO4 (n = 12 FZ were treated with Fe(II)SO4 with one selected for XRM, scale bar = 100 µm). j light microscopy image of cells migrated directly from Stage II radula (n = 3 donor limpets, scale bar = 50 µm). k FZ cell viability on differently coated glass surfaces (NT = No Treatment; HL = Hemolymph; Lam = Laminin; PLL = Poly-l-lysine) (n = 16 wells per group across 4 independent donor limpets, p = 7.0858 E-10, Univariate analysis with Tukey’s post-tests cf NT, data are presented with individual data points and mean with standard deviation error bars). Light microscopy images of cells isolated from l, the FZ and m–p, Stages I to IV of the radula respectively on haemolymph coated glass after two weeks of culture in vitro (scale bar = 50 µm). Light microscopy images of self-organized structures generated by cells isolated from the FZ and all four radula Stages I to IV pooled together, q visualized at macro scale with arrows denoting the "head" ends (scale bar = 500 µm) and r, s. at microscale showing "head" and "tail" respectively (n = 3 donor limpets, scale bar = 20 µm). t, Individual limpet tooth derived from primary FZ cells passaged after 6 weeks in culture (n = 3 donor limpets scale bar = 20 µm). Credit: Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-31139-0)
사갓조개 (limpet)는 바위에 붙어 먹이를 갈아먹으면서 이동합니다. 과학자들은 사갓조개의 혀에 붙어 있는 미세한 이빨이 지구상에서 가장 단단한 생물질 (biomaterial)이라는 사실을 발견했습니다. 그 강도는 거미줄을 능가할 뿐 아니라 인공물인 탄소 섬유나 케블라 섬유와 견줄 수 있는 수준입니다. 그러면서도 부드럽고 생분해가 가능해 재활용이 어려운 탄소/케블라 섬유보다 우월한 특징을 지니고 있습니다.
포츠머스 대학의 로빈 럼니 박사 (Dr. Robin Rumney)가 이끄는 연구팀은 사갓 조개의 초강력 이빨의 비밀을 연구했습니다. 연구팀에 따르면 사갓조개 이빨 구조는 사실 탄소 섬유 강화 플라스틱과 유사합니다. 키틴 (chitin) 소재를 주형 삼아 철의 수산화물인 침철석 (goethite, FeO(OH)) 결정이 중간 중간에 들어가 소재를 강화시켰습니다.
연구팀은 이 소재를 흉내내기 위해 유리 위에 키틴과 산화철을 뿌려 삿갓조개의 치설 (radula, 작은 이가 붙어 있는 것 같은 연체동물의 혀)과 유사한 환경을 만들고 여기에 치설 세포를 2주 간 배양했습니다. 그리고 0.5cm 너비의 작은 인공 치아 조직을 만들었습니다. (사진)
이 생물학적 소재는 매우 튼튼할 뿐 아니라 생체 적합성 물질이고 생분해가 가능해 앞으로 의료용 임플란트 등 의학 분야에서 가능성이 있는 신소재로 생각됩니다. 연구팀은 여기에 덧붙여 생산 과정에서도 독성 물질을 내뿜지 않고 매우 친환경적이라는 점을 강조했습니다.
다만 제조 방식을 감안하면 실제로 상용화될 수 있을지는 다소 의문입니다. 연구팀은 대량 생산을 위한 후속 연구에 착수한 상태이지만, 아마도 간단한 문제는 아닐 것으로 생각합니다.
참고
https://phys.org/news/2022-07-biomaterial-super-strength-limpets.html
https://newatlas.com/materials/natures-strongest-limpet-material-green-kevlar/
Robin M. H. Rumney et al, Biomimetic generation of the strongest known biomaterial found in limpet tooth, Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-31139-0
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