미생물에서 추출한 단백질 대체섬유: 지속 가능한 미래 섬유 산업의 혁신

미생물이 만드는 차세대 단백질 섬유

 

현대 섬유 산업은 지속 가능한 소재 개발과 환경 보호를 동시에 고려해야 하는 중요한 전환점을 맞이하고 있다. 기존 섬유 소재 중 명주실과 울과 같은 동물성 섬유는 뛰어난 품질을 자랑하지만, 대량 생산을 위해 동물을 이용해야 하며 환경적 부담이 크다는 단점이 있다. 이에 따라 친환경적이면서도 기능성이 우수한 새로운 소재를 찾는 연구가 활발하게 진행되고 있다.

이러한 흐름 속에서 미생물을 이용해 단백질 기반 섬유를 생산하는 기술이 주목받고 있다. 미생물에서 추출한 단백질 대체 섬유는 유전자 조작을 통해 특정 단백질을 합성하는 미생물을 배양하고, 이로부터 얻은 단백질을 정제하여 섬유화 하는 방식으로 제작된다. 이 과정에서 동물을 이용하지 않기 때문에 윤리적인 문제를 해결할 수 있으며, 탄소 배출량을 획기적으로 줄일 수 있다.

또한, 이러한 섬유는 기존의 명주실과 비슷한 질감을 가지면서도 강도와 내구성이 높고, 필요에 따라 기능을 추가할 수도 있다. 이에 따라 패션, 운동복, 의료용 섬유, 군사 및 산업용 소재까지 다양한 분야에서 활용될 가능성이 크다. 본 글에서는 미생물에서 추출한 단백질 대체 섬유의 개념, 제조 과정, 장점, 실제 사례 및 미래 전망에 대해 자세히 알아본다.

 

미생물 단백질 대체섬유란? – 개념과 제조 과정

 

 

1. 미생물을 이용한 단백질 섬유의 개념
미생물에서 추출한 단백질 대체 섬유는 유전자 변형 미생물을 이용해 특정 단백질을 합성하고, 이를 섬유로 가공한 소재를 의미한다.

일반적으로 명주실과 같은 단백질 섬유는 누에고치에서 얻거나 거미줄에서 채취해야 하지만, 이러한 방식은 대량 생산이 어렵고 환경적 부담이 크다. 예를 들어, 명주실 1kg을 생산하기 위해 약 5,000마리의 누에고치가 필요하며, 공정 과정에서 다량의 물과 에너지가 소모된다. 또한, 거미줄 섬유는 강도가 뛰어나지만 거미는 공격적인 습성을 가지고 있어 대량 사육이 어렵기 때문에 상업적 생산이 불가능하다.

이에 따라 과학자들은 거미줄이나 명주실의 단백질 구조를 모방하여 미생물을 통해 합성하는 연구를 진행했다. 예를 들어, 유전자 변형 박테리아나 효모를 이용해 명주실 단백질과 유사한 단백질을 생산하고, 이를 섬유로 가공하는 기술이 개발되었다. 이 과정은 생명공학과 섬유 공학이 융합된 첨단 기술의 집약체라고 볼 수 있다.

2. 미생물 단백질 섬유의 제조 과정
미생물 단백질 섬유를 만드는 과정은 크게 유전자 조작, 발효 배양, 단백질 정제, 섬유화 및 가공의 총 네 단계로 이루어진다.

• 유전자 조작: 먼저, 명주실 단백질이나 거미줄 단백질과 유사한 단백질을 생산할 수 있도록 미생물의 유전자를 조작한다. 예를 들어, 거미줄 단백질을 생산하려면 거미의 DNA에서 관련 유전자를 분리하여 박테리아(예: 대장균)나 효모(예: Pichia pastoris)에 삽입한다. 이렇게 하면 미생물이 번식하면서 자연스럽게 단백질을 합성하게 된다.
• 발효 배양: 조작된 미생물을 배양 탱크에서 대량으로 키운다. 이때 온도, pH, 산소 농도 등을 정밀하게 조절하여 최적의 성장 환경을 유지해야 한다. 일정 시간이 지나면 미생물이 원하는 단백질을 충분히 생성하게 된다.
• 단백질 추출 및 정제: 배양이 끝난 미생물에서 단백질을 분리해 순도를 높이는 과정이다. 이 과정에서는 원심 분리, 여과, 크로마토그래피 등의 기술이 사용된다. 정제된 단백질은 물에 용해되며, 이후 섬유로 가공하기 위한 준비를 한다.
• 섬유 형성 및 가공: 마지막 단계에서는 정제된 단백질을 용액 상태로 만들고, 이를 방사(spinning) 공정을 통해 실 형태로 뽑아낸다. 이후 열처리, 신장 가공 등을 거쳐 원하는 특성을 갖춘 섬유로 완성된다. 이 과정은 기존의 명주실이나 울 생산 방식보다 친환경적이며, 대량 생산이 가능하고 생산 속도가 빠르다는 장점을 가지고 있다.

미생물 단백질 섬유의 특징과 장점

 

1. 친환경적 생산 공정
미생물 단백질 섬유는 기존 동물성 섬유 대비 환경에 미치는 영향을 최소화할 수 있다. 명주실을 대량 생산하려면 엄청난 양의 물과 사료가 필요하지만, 미생물 기반 섬유는 배양 탱크에서 효율적으로 생산할 수 있어 자원 소모가 적다.

또한, 기존 섬유 산업은 화학 염색 과정에서 유해 물질을 배출하는데, 미생물 섬유는 천연 염색 기술과 결합하면 더욱 친환경적인 방식으로 제조가 가능하다.

 

2. 높은 기능성과 다양성
미생물 기반 단백질 섬유는 단순히 기존 섬유를 대체하는 것뿐만 아니라, 필요에 따라 기능을 추가할 수 있다는 점이 가장 큰 장점이다. 
거미줄 단백질 기반 섬유는 강철보다 강하면서도 가볍다. 명주실 단백질 기반 섬유는 부드럽고 우아한 촉감을 가지면서도 내구성이 뛰어나다. 나노기술과 결합하여 방수, 항균, 항바이러스 기능을 추가할 수도 있다.

 

미생물 단백질 섬유를 개발하는 주요 기업

 

• Bolt Threads: Bolt Threads는 미생물 발효 기술을 활용하여 거미줄 단백질과 유사한 구조를 가진 섬유를 생산하는 기업이다. 박테리아에 명주실 단백질을 생성하는 유전자를 삽입한 후, 이를 발효 공정을 통해 대량 생산하는 방식으로 "마이크로실크(Micro silk)"를 개발하였다. 이 섬유는 자연에서 발견되는 거미줄 단백질과 매우 유사한 구조를 가지며, 강도와 내구성이 뛰어나면서도 기존 명주실보다 탄성이 좋다. 또한, 동물을 사용하지 않는 친환경 생산 방식이라는 점에서 지속 가능성이 높다.
• Spiber: Spiber는 미생물을 이용해 거미줄 단백질과 유사한 단백질을 발효 생산하는 기술을 연구하는 기업이다. Bolt Threads와 마찬가지로, 거미줄 단백질 유전자를 박테리아에 삽입하고 이를 대량 발효하는 방식으로 섬유를 개발하고 있다. Spiber가 개발한 "브루스틸(Brewed Protein)"은 기존 명주실보다 가볍고 강도가 뛰어나며, 합성섬유와 달리 생분해가 가능하다는 점에서 지속 가능성이 높은 소재이다.
• AM Silk: 독일 기업으로, AM Silk는 세계 최초로 미생물을 이용해 바이오 명주실을 상용화한 기업이다. AM Silk는 주로 거미줄 단백질을 기반으로 한 단백질 섬유를 개발하며, 이를 다양한 산업에 적용하고 있다. 이 회사의 "Bio Silk"는 기존 명주실보다 강도와 내구성이 높으며, 천연 항균 기능이 있어 의료 및 화장품 산업에서도 활용할 수 있다.