Künstliche Spinnenseide: belastbar wie von der Spinne

Forscher der Universität Bayreuth haben erstmals herausgefunden, wie Spinnen ihre Spinnenseide herstellen. Den chemischen Prozess haben sie im Labor fast vollständig nachgeahmt und künstliche Spinnenfäden produziert. Diese biomimetische Spinnenseide ist so belastbar wie ihr natürliches Vorbild.

 

Biotechnologisch hergestellte Spinnenseide. Diese biomimetische Spinnenseide ist belastbar wie natürliche Spinnenseide. Sie ist etwa 6-mal belastbarer als Kohlefasern, 3-mal belastbarer als Kevlar und doppelt so belastbar wie Nylon. Foto: Universität Bayreuth

Biotechnologisch hergestellte Spinnenseide. Diese biomimetische Spinnenseide ist belastbar wie natürliche Spinnenseide. Sie ist etwa 6-mal belastbarer als Kohlefasern, 3-mal belastbarer als Kevlar und doppelt so belastbar wie Nylon. Foto: Universität Bayreuth

Spinnenfäden sind viermal so belastbar wie die gleiche Masse Stahl, gleichzeitig können sie sich um das Dreifache ihrer Länge dehnen, ohne zu reißen. Spinnenseide ist damit belastbarer als alle bekannten natürlichen oder vom Menschen produzierten Fasern. Gleichzeitig ist sie leicht, wasserfest und biologisch abbaubar. Daher ist Spinnenseide ein technologisch hochinteressantes Material. Das Forschungsteam um Prof. Dr. Thomas Scheibel entschlüsselte die chemischen Details, die Spinnenfäden so außergewöhnlich machen.

Mit dem Know-how der Spinne produzierten die Wissenschaftler aus künstlich hergestellten Spinnenseidenproteinen Fasern, die dem natürliche Vorbild entsprechen. „Das Ergebnis hat uns selbst überrascht“, berichtet Prof. Scheibel. „Denn die auf diesem Weg hergestellte biomimetische Seide besitzt tatsächlich eine mechanische Belastbarkeit wie natürliche Spinnenseide. Damit stehen die Türen jetzt weit offen für das Erkunden von Anwendungsmöglichkeiten, wie etwa in der Textilindustrie oder der Medizintechnik.“

Grundstrukturen der Spinnenseidenproteine

Spinnfäden bestehen aus Proteinen, die einzigartig miteinander vernetzt sind. Jedes Protein besteht aus drei Teilen, den sogenannten Domänen: Eine lange Kette kurzer, sich hundertfach wiederholender Aminosäuresequenzen bildet die große Kerndomäne. Die Molekülgruppe an ihrem einen Ende enthält eine freie Aminogruppe und heißt deshalb N-terminale Domäne. Die Molekülgruppe am anderen Ende der Kette wird wegen ihrer Carboxy-Gruppe (COOH) als C-terminale Domän“ bezeichnet.

Chemische Struktur der Spinnenseide. Grafik: Universität Bayreuth

Chemische Struktur der Spinnenseide. Grafik: Universität Bayreuth

„Die herausragenden Eigenschaften der Spinnenseide resultieren aus dem Zusammenspiel dieser drei Proteindomänen“, erläutert Prof. Scheibel. „Dabei hängen die Festigkeit, Elastizität und weitere mechanische Eigenschaften einer Seidenfaser entscheidend davon ab, aus welchen Aminosäuren sich die Kerndomäne zusammensetzt. In dieser Hinsicht gibt es große Unterschiede von Seidenart zu Seidenart und von Spinne zu Spinne. Die C- und die N-terminale Domäne sind hingegen bei allen Spinnen annähernd gleich. Sie übernehmen wichtige Steuerungsfunktionen, wenn es darum geht, die einzelnen Spinnenseidenmoleküle in eine reißfeste Seidenfaser zu verarbeiten. Die Bedeutung dieser beiden Steuerdomänen ist in früheren Forschungsarbeiten häufig unterschätzt worden.“

So spinnt die Spinne

Damit die künstlichen Spinnenseidenfasern so leistungsfähig wie ihre natürlichen Vorbilder sind, orientiert sich der Herstellungs- und Verarbeitungsprozess weitgehend an der Spinne. Sie sammelt die verschiedenen von Drüsen produzierten Proteine in ihrem Spinndrüsensack. Die Bayreuther Wissenschaftler fanden heraus, dass die Proteine dort kugelförmige Strukturen bilden.

„Diese kugelförmige Anordnung der Seidenprotein-Paare ist eine extrem stabile Speicherform, die eine ungewollte Faserbildung komplett unterdrückt“, erklärt Prof. Scheibel. „Sie hat zugleich den Vorteil, dass sie die Seidenproteine so vororientiert, dass sie für eine rasche Faserproduktion zur Verfügung stehen.“ Denn sobald die Spinne eine Faser benötigt, drückt sie die Spinnlösung aus dem Drüsensack in den Spinnkanal. Dort werden störende Wassermoleküle von den Oberflächen der Seidenproteine entfernt. Zugleich sinkt der pH-Wert. Dadurch ändern die bisher losen N-terminalen Domänen der Seidenprotein-Paare ihre Struktur und verklammern sich mit anderen N-terminalen Domänen. Im Spinnkanal erhalten die vernetzten Seidenproteine ihre endgültige Ausrichtung als Fasern. Die Spinne kann die Fasern dann beispielsweise mithilfe ihrer Hinterbeine aus dem Spinnkanal ziehen.

Link + Fachveröffentlichung

Lehrstuhl für Biomaterialien der Universität Bayreuth
http://www.fiberlab.de

Aniela Heidebrecht, Lukas Eisoldt, Johannes Diehl, Andreas Schmidt, Martha Geffers, Gregor Lang, Thomas Scheibel: Biomimetic Fibers Made of Rekombinant Spidrions with the same Toughness as Natural Spider Silk, in: Advanced Materials (2015), DOI: 10.1002/adma.201404234
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201404234/abstract

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