꿀벌이 침을 쏘면 침은 동물 피부에 박히지만 그 상태에서도 독액을 계속 주입한다. 몸에서 분리된 작은 꿀벌 침이 어떻게 스스로 움직이며 독액을 밀어 넣는지 그 작동 원리가 밝혀졌다.

호주 맥쿼리대 피오렐라 라미레스에스키벨 박사팀은 13일 학술지 미국국립과학원회보(PNAS)에서 길이 약 2㎜인 꿀벌(Apis mellifera)의 침이 변형되는 밸브 두 개를 갖춘 이중 피스톤 미세 펌프처럼 작동한다는 사실을 확인했다고 밝혔다.

연구팀은 이 연구 결과가 꿀벌과 다른 벌목 곤충의 독 주입 펌프 작동 원리를 더 깊이 이해하는 데 도움이 된다며 미세유체 공학 및 생의학 분야에 활용할 펌프 장치 설계에 영감을 줄 수 있다고 말했다.

일벌은 표적에 내려앉아 침을 찌른 뒤 날아가면서 침을 몸에 남겨 두며 이를 '자절'(autotomy)'이라고 한다. 떨어져 나온 침은 이후 스스로 작동해 표적 조직안으로 더 깊이 파고들면서 독액을 펌프질해 주입한다.

라미레스에스키벨 박사는 "꿀벌 침의 독주머니에서 독액이 밸브라고 불리는 작은 펌프가 있는 공간으로 흘러 들어간다는 사실은 1910년 무렵부터 알려져 있었지만, 그 밸브가 정확히 어떻게 작동하는지는 밝혀지지 않았다"고 지적했다.

연구팀은 꿀벌 침의 작동 원리를 밝히기 위해 꿀벌이 사람 피부를 모방한 투명 젤에 침을 찌르도록 한 뒤 고속 영상으로 침의 움직임을 촬영했다.

또 마이크로 컴퓨터단층촬영(microCT)으로 침의 구조를 재구성하고, 펌프실과 침을 구성하는 뾰족한 창(lancet)을 확대한 작동 모형도 3차원으로 제작해 움직임과 액체 흐름을 조사했다.

침의 구조 분석 결과, 침에는 끝이 뾰족한 두 개의 창이 있으며, 침을 표적에 찌른 뒤 창들이 올리스테터(olistheter)라는 맞물림 구조를 따라 서로 상대적으로 앞뒤로 움직이는 것으로 나타났다

연구팀은 왕복 톱과 비슷한 두 창의 이런 움직임은 침이 피부 안으로 더 깊이 들어가게 할 뿐 아니라 독액을 펌프질하는 역할도 한다며 각 창에는 밸브가 하나씩 붙어 있고, 두 밸브는 펌프실 안에서 서로 반대 방향으로 움직인다고 설명했다.

또 고속 영상 분석 결과 침을 구성하는 각 창의 밸브는 아래로 움직일 때는 낙하산처럼 부풀어 올라 피스톤처럼 독액이 뿜어지도록 아래쪽으로 압력을 가하고 위로 움직일 때는 납작하게 접히는 것으로 나타났다.

밸브 자체에는 움직임을 일으키는 근육이 없어 밸브의 모양 변화는 창의 움직임에 따라 수동적으로 일어나는 것으로 추정됐다.

연구팀은 이처럼 밸브가 움직일 때 모양을 바꾸면, 밸브가 내려갈 때는 펌프실을 밀폐해 독액을 밀어내도록 압력을 가하고, 상승 때는 독액이 다시 채워지도록 하면서 역류를 줄일 수 있다고 말했다.

이어 두 밸브가 중간 지점에서 서로 마주칠 때 모양을 다시 바꿔 서로 지나가는 것도 관찰됐다며 이처럼 밸브가 밀폐 상태를 유지하면서 효과적으로 압력을 전달해 두 밸브가 독액을 연속적으로 밀어내는 것이 이 펌프의 핵심이라고 설명했다.

라미레스에스키벨 박사는 "벌에 쏘여 본 적이 있다면 매우 아프다는 것을 알 것"이라며 "이 연구에서 꿀벌의 작은 침 안에 들어 있는 작동 부품들을 확인하고 몸에서 떨어진 뒤에도 독을 뿜어낼 수 있는 작동 원리를 규명했다"고 말했다.

이어 "밸브가 접힐 수 있는 피스톤처럼 작동하고 서로 반대 방향으로 펌프질하는 것이 독액을 끊임없이 주입할 수 있게 하는 핵심"이라며 이런 설계 원리는 최소 침습 의료기기나 미세유체 기술에 쓰이는 인공 미세펌프 개발에 영감을 줄 수 있다고 덧붙였다.

◆ 출처 : PNAS, Fiorella Ramirez-Esquivel et al., "The honey bee stinger: An unusual pump with collapsible double pistons", https://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.2603916123