Spinnenseide entschlüsselt: Wie flüssiges Protein zu festen Fasern wird
Labore suchen industrielle Spinnverfahren, um die Zugfestigkeit von 1,5 Gigapascal der Natur zu erreichen.
Von Letizia Giugliano
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Natürliche Dragline-Seide hält einer Zugkraft von 150 Newton pro Quadratmillimeter stand, bevor sie reißt – das entspricht hochwertigem Stahl bei einem Bruchteil des Gewichts. Dieses Leistungsniveau über einen künstlichen Fertigungsprozess nachzubilden, bleibt eine schwer fassbare technische Grenze der Materialwissenschaft. Derzeit entschlüsseln Laborteams, wie Spinnentiere flüssige Drüsenproteine in zähe, feste Fäden für Textilien und medizinische Anwendungen verwandeln.
Die Mechanik hinter biologischen Fäden in Stahlqualität
Spinnenseide erreicht eine Zugfestigkeit von bis zu 1,5 Milliarden Pascal (GPa) und ist damit laut einem Bericht von Interesting Engineering ähnlich widerstandsfähig wie hochwertiger Stahl. Spinnen nutzen diese vielseitigen Biomaterialien für unterschiedliche spezialisierte Aufgaben – vom Weben von Radnetzen und dem Anlegen von Sicherheitsfäden bis zum Fangen von Beute und dem Schutz von Eiern. Die Kombination aus hoher Elastizität, extremer Zähigkeit, geringem Gewicht und natürlicher biologischer Abbaubarkeit macht das Material zu einem attraktiven Ziel für industrielle Innovation und weckt großes Interesse bei jedem Biotech-Start-up, das sich auf nachhaltige Textilien und Wundheilungsanwendungen konzentriert.
„Forscher haben reichlich Proteinsuppe hergestellt, so wie es eine Spinne tut, aber anders als Spinnen konnten sie dieses Protein nicht in feste Fäden in einem für die Öffentlichkeit relevanten Maßstab spinnen.“
— Sarah Stellwagen, Assistenzprofessorin an der UNC Charlotte
„Die Förderung gibt uns die Möglichkeit, den nächsten Schritt zu gehen: mehr Versuche durchzuführen, den Herstellungsprozess zu verbessern und genügend Material zu produzieren, um Garn und Textilien zu testen.“
— Anna Rising, Professorin an der Schwedischen Universität für Agrarwissenschaften
Den Spinn-Engpass im Labor überwinden
Die Haltung von Spinnentieren im kommerziellen Maßstab ist nicht machbar, weil Spinnen pro Tier wenig Seide produzieren und bei Enge Kannibalismus zeigen. Folglich müssen Forscher die Seidenproteine in Kultursystemen synthetisieren, doch die Umwandlung dieser Flüssigkeit in einen haltbaren Strang stellt erhebliche technische Hürden dar. Wie Sarah Stellwagen, Assistenzprofessorin in der Abteilung für Biowissenschaften an der University of North Carolina at Charlotte, gegenüber Interesting Engineering erklärte, haben Labore Schwierigkeiten, den natürlichen Zusammenbau nachzubilden. Eine Spinne zieht flüssiges Protein aus einer inneren Drüse durch einen mikroskopischen Kanal und verändert dabei die lokale chemische Umgebung, um die Moleküle zu dichten kristallinen Strukturen namens Beta-Faltblätter zu packen. Das ausgerichtete Polymer verlässt die Spinnwarzen der Spinne als kontinuierlicher fester Faden.
Versuche im größeren Maßstab für Garn und biomedizinische Geräte
Frühere Forschungen von Wissenschaftlern am King's College London und der San Diego State University identifizierten die molekularen „Kleber“, die Seidenfasern stärker als Stahl und zäher als Kevlar machen. Aufbauend auf den strukturellen Erkenntnissen zeigten die Forscher Anna Rising und Benjamin Schmuck von der Schwedischen Universität für Agrarwissenschaften, dass Seidenproteine in größeren Mengen und zu geringeren Kosten hergestellt werden können. Mit Unterstützung einer Förderung von 200.000 EUR durch die H&M Foundation bereitet das schwedische Team größere Chargen vor, um die Garnleistung in kommerziellen Stoffen zu bewerten. Die Gruppe testet die entstehenden Biopolymere zudem für die Entwicklung eines fortschrittlichen Medizinprodukts, wodurch diese im Labor entwickelte Erfindung näher an die Produktionsreife und mögliche Patentanmeldungen rückt.
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