5'00" 읽기
- 척추동물의 무릎, 손목 관절은 보호막으로 둘러싸여 있으나 곤충은 캡슐화 되지 않았다.
- 검은 딱정벌레(Zophabas morio)의 무릎 관절 조사
- 마찰을 작게 하고 이로써 관절 마모를 줄이는 왁스 같은 윤활제를 발견
- 이 물질은 어떤 액체에도 잘 녹지 않아 화학적 분석 어렵다. 더 많은 테스트 자료 필요
- 인공 윤활제 미니 로봇에 적용 관심 커

강력한 윤활제가 딱정벌레 관절을 마모로부터 보호한다.

인간과 같은 척추동물의 무릎이나 손목 관절은 보호막으로 둘러싸여 있다.
이 보호막에는 연골 사이의 마찰을 최소화하여 팔과 다리를 통증 없이 구부리거나 늘릴 수 있는 액체가 함유돼 있다. 곤충의 관절은 구조가 완전히 다르다. 관절은 캡슐화되지 않고 열려 있으므로 환경에 직접 노출된다. Christian-Albrechts-Universität zu Kiel(CAU) 동물학 연구소의 연구팀은 곤충의 개방 관절이 어떻게 작동하는지 알아내고자 검은 딱정벌레(Zophabas morio)의 무릎 관절을 조사했다. 그들은 테플론처럼 마찰을 작게 하고 이로써 관절 마모를 줄이는 왁스 같은 윤활제를 발견했다. 연구팀은 최근 그 결과를 영국 왕립학회 회보(Proceedings of the Royal Society B)에 발표했다. 

▲ 검은 딱정벌레 Adult Zophobas morio. Source:Transferred from nl.wikipedia to Commons. Author:Evanherk at Dutch Wikipedia

달리고, 날고, 뛰고, 땅을 파고, 오르고.
다양한 종류의 곤충이 관절을 사용해 매우 다른 활동을 한다. CAU의 기능 형태학 및 생체 역학 교수인 스타니슬라브 고르브(Stanislav Gorb)는 "연구에서는 이러한 움직임에 대처하기 위해 곤충 관절이 어떻게 만들어지고 어떤 재료로 만들어졌는지에 대해 거의 알지 못한다"고 말했다. 동료 연구원인 콘스탄틴 나다인(Konstantin Nadein) 박사는 보호캡슐 없는 곤충 관절의 기능을 연구했다.

이번 연구에서 그는 중미, 쿠바, 남미 일부 지역에서 주로 발견되는 2cm 정도 크기의 딱정벌레 종인 검은 딱정벌레의 무릎 관절을 조사했다. 주사 전자 현미경으로 생물학자는 무릎 관절의 접촉면에서 각각 1/1000mm 크기의 무수한 미세한 구멍을 발견했다. 딱정벌레들은 비정상적이고 밀랍 같은 일관성을 가진 물질의 얇은 가닥을 분비하며, 그중 일부는 부서져 작은 덩어리를 형성한다.

▲ 그림 1. 검은색 딱정벌레 Zophabas morio(a)와 대퇴-경골 관절의 구조(b–k). (b) 대퇴 경골 관절, 외관. (c) 대퇴-경골 관절의 대퇴골 대응물, 파선은 대퇴골 내강(fic)과 대퇴골 대응부 사이의 경계를 나타낸다. (d) 대퇴 경골 관절의 경골 대응물. (e) 대퇴 경골 관절, 시상 섹션. (b-e) SEM 현미경 사진. (f–k) 대퇴 경골 관절의 마이크로 CT 용적 재구성. (f) 외관, 전방 측면 모습. (g) 시상 단면, 파선은 대퇴골 내강(fic)과 대퇴골 관절 대응물 사이의 경계를 나타낸다. (h), 정면도. (i), 대퇴골의 내부 모습. (j) 반투명 시각화의 등쪽 보기. (k) 동일한 전방 측면 보기. ap, 모공으로 덮인 영역; et, 탄성 힘줄; f, 대퇴골; fc, 대퇴과; fic, 대퇴골 내강; m, 관절막; mas, 막 부착 부위; t, 경골; tc, 경골 오목. 스케일 바, (a) 0.5cm, (b,c,e) 200μm, (d) 100μm. (출처: 관련논문 Insects use lubricants to minimize friction and wear in leg joints, https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspb.2021.1065)

딱정벌레 윤활제는 테프론 만큼 강력하다.

연구팀은 이것이 일종의 관절 윤활제라고 의심했다.
이를 확인하기 위해 그들은 물질을 수집하고 두 유리 표면 사이에 놓았다다. 그런 다음 알렉산더 코발레브(Dr. Alexander Kovalev)박사의 도음으로 두 표면이 서로에 대해 움직일 때 작용하는 마찰력을 측정했다. 비교를 위해 두 번째 실험에서 그들은 두 개의 유리 판 사이에 플라스틱 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 적용했다. 이것은 팬 코팅으로 사용되는 상표명 Teflon으로 더 잘 알려져 있다. 나다인 박사는 “우리 실험에 따르면 딱정벌레 물질의 미끄러짐 효과는 현재 인공적으로 생산할 수 있는 최고의 마찰 방지 효과가 있는 것으로 알려진 테프론과 유사하다”고 결과를 요약했다.
 
이 물질의 특별한 일관성은 딱정벌레 관절에 두 가지 이점이 있다.
하나는 단단한 가닥과 덩어리는 관절 표면 사이의 직접적인 접촉을 방지하여 마모를 줄이는 쿠션 역할을 한다. 그것이 나오는 구멍이 관절 전체에 분포되어 있어, 전체 표면이 효과적으로 보호된다. 둘째는 척추동물 관절낭에 있는 액체 윤활제와 달리 고체 보호 물질은 곤충의 노출된 관절에서도 불필요하게 체액을 잃지 않도록 작용한다.

▲ 그림 2. Zophabas morio의 대퇴 경골 관절에서 윤활 분비물. (a) 기공 개구부에서 돌출된 윤활유(대퇴골 대응물의 질감이 있는 표면 위에 수많은 작은 조각이 보인다). (b) 경골에 대응하는 구멍 구멍에서 돌출된 윤활제 흐름. (c-e) 동일한 구멍 구멍, 경골 대응물에서 여러 번 압출되는 것을 포함하여 윤활제의 모양이 다양하다. (f,g) 윤활유는 일련의 농축물, 대퇴부 대응물과 함께 흐른다. (h) 막 부착 부위에서 대퇴부 대응물에 응집된 압출 윤활제 덩어리. (i) 경골 오목부의 표면을 덮고 있는 윤활제 조각. (j) 수많은 윤활제 조각으로 덮인 대퇴과의 표면. (a,b,f–j) SEM 현미경 사진. (c–e) Cryo-SEM 현미경 사진. l, 윤활제; p, 기공 개방. 스케일 바, (a–f,i) 10 µm, (e) 5 µm, (g) 2 µm, (h) 15 µm, (j) 25. (출처:관련논문 Fig 2)

 

마이크로 로봇이나 작은 보철물에 적용 가능

 

곤충 관절은 기본적으로 기계적 또는 인공 미세 관절과 유사해 고성능 유기 딱정벌레 윤활유도 기술 응용 분야에서 관심을 가질 수 있다. 예를 들어 마이크로 로봇이나 작은 보철물에 사용하면 마모를 줄여 기능을 향상시키고 수명을 늘릴 수 있다.

그때까지는 저비용, 대량으로 딱정벌레 물질을 합성적으로 제조할 수 있는 방법을 찾아야 한다. 덴마크 오르후스 대학교 화학과의 얀 퇴거슨(Jan Thøgersen)과 토비아스 바이드너(Tobias Weidner)는 적외선 분광법을 사용해 물질의 화학적 및 물리적 특성을 조사한 결과 이 ​​물질이 대부분 단백질로 구성되어 있음을 발견했다.

그러나 연구팀은 아직 모든 구성 요소의 이름을 자세히 알 수는 없다. “그 물질은 어떤 액체에도 잘 녹지 않기 때문에 화학적으로 분석하기 어렵다. 이를 위해서는 훨씬 더 많은 테스트 자료가 필요하고 손으로 ​​이를 위해 조사 물질을 손으로 수집하는 것은 시간이 많이 걸린다”고 Nadein은 설명했다.

▲ 그림 5. 윤활유(a,c,e)의 SEM 시각화 및 윤활유 기능(b,d,f)의 해당 개략도. (a) 특히 표피 융기부에 축적된 윤활제의 변형되지 않은 고유 파편으로 덮인 대퇴부 대응 표면. (b) 접촉면 사이의 거리 간격이 1μm 이상일 때 윤활유의 파편. (c) 윤활제의 부분적으로 압축된 파편으로 덮인 대퇴부 대응 표면(삽입 참조). (d) 접촉면 사이의 간격이 약 0.5μm일 때 윤활유 조각. (e) 강하게 압축되고 변형된 윤활제 조각으로 덮인 대퇴부 대응 표면. (f) 접촉면 사이의 거리 간격이 0.5 µm 미만인 경우 윤활유 조각. l, 윤활제; p, 기공 개방. 스케일 바, (a) 10 μm, (c) 15 μm, (e) 20 μm. (출처:관련논문 Fig 5)

연구원들은 곤충 관절의 기본 원리를 발견했다고 추정한다.
검은 딱정벌레의 다리는 땅을 파거나 점프하는 것과 같은 특수 능력을 위해 설계되지 않았기 때문에 연구팀은 발견된 윤활유가 곤충 관절의 일반적인 작동 원리일 수 있다고 가정한다.
"이것은 딱정벌레와 밀접한 관련이 있다고 입증되지 않은 아르헨티나 산림 바퀴벌레와 같은 다른 곤충 종의 무릎 관절에서도 이미 발견되었다는 사실이 뒷받침한다".
예를 들어 곤충이 다리를 어떻게 세부적으로 움직이는지, 열린 관절을 오염으로부터 보호하는 방법에 대한 질문을 포함해 추가 연구가 여기에 더 필요하다.
(Proceedings of the Royal Society B, 2021; doi: 10.1098 / rspb.2021.1065)
출처: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]