Spinnenseide ist härter als Stahl und zugleich elastischer als Gummi - ein in der Natur vorkommendes Supermaterial, das Forscher seit langem zu kopieren versuchen. Selbst Fasern aus reinem Spinnenseiden-Protein erreichen bis heute nicht die hohe Elastizität und Reißfestigkeit von natürlicher Spinnenseide. Die größte Schwierigkeit dabei ist, Spinnenseide in industriellem Maßstab zu fertigen.
Spinnenseide: stabil und elastisch
Spinnenfäden bestehen aus Eiweißmolekülen. Dabei handelt es sich um lange Ketten aus Aminosäuren. Die Stabilität des Spinnenfades resultiert aus der Vernetzung mehrerer Eiweißketten untereinander. Über Bindungen bestehen demnach Querverbindungen zwischen den Molekülketten, die die Reißfestigkeit der Fäden erhöhen. Zwischen den vernetzten Bereichen befinden sich unvernetzte Abschnitte – sie geben dem Faden seine hohe Elastizität.
Bedingungen in Spinndrüse und Spinnkanal sind unterschiedlich
Das Rohmaterial, die Seiden-Proteine, bevorratet die Spinne in ihrer Spinndrüse. Die hochkonzentrierten Proteine befinden sich hier in einer wässrigen Lösung. Damit die Proteine über ihre netzfähigen Bereiche nicht miteinander verklumpen, liegen die Moleküle hier in einer anderen Form vor. Die quervernetzenden Abschnitte zweier Eiweißketten liegen nicht parallel zusammen. So wird die Vernetzung, die später für die Stabilität des Spinnenfadens verantwortlich ist, unterbunden. Zudem weisen die wasserliebenden Molekülteile nach außen, wodurch eine gute Löslichkeit der Proteine in der wässrigen Umgebung erreicht wird.
Produziert die Spinne nun einen neuen Faden, so wandern die vorgehaltenen Proteinmoleküle aus der Spinndrüse in den Spinnkanal. Hier herrschen allerdings völlig andere Bedingungen: die Salzkonzentration und -zusammensetzung der wässrigen Lösung weichen stark von der innerhalb der Spinndrüse ab. Die Speicherform der Moleküle, wie sie in der Spinndrüse vorliegt, zerfällt und durch die Strömung in dem engen Spinnkanal treten Scherkräfte auf, welche die Eiweißketten parallel zueinander ausrichten. Nun kann auch die Querverbindung der Eiweißketten erfolgen und der Spinnenseide dadurch ihre Stabilität verleihen. Der stabile Spinnenseidenfaden entsteht also erst innerhalb des Spinnkanals.
Industrie-Spinndüse
Das kalifornische Unternehmen Bold Threads hat eine Verfahren zur industriellen Produktion von Spinnenseide entwickelt. Für die Herstellung werden genetisch veränderte Mikroorganismen eingesetzt. Damit können, auf eine ähnliche Weise wie in der Spinndrüse der Spinne, lange Fäden hergestellt werden. Das Verfahren beruht auf einer Art Gärung (Fermentierung), bei dem Spinnenseide-Proteine in großen Mengen erzeugt werden können. Dazu sind die Rohstoffe Hefe, Zucker und Wasser nötig. Der chemische Nachbau liefert aber noch nicht alle gewünschten Eigenschaften der Spinnenseide. Daher wird zusätzlich noch ein Nassspinnverfahren eingesetzt, welches die Vorgänge in der Spinndrüse nachahmt.
Anwendungsmöglichkeiten für künstliche Spinnenseide
Künstliche Spinnenseide ist in der Medizin bereits sehr beliebt, denn das Material hat ausgezeichnete mechanische Eigenschaften und lässt sich sehr gut verformen. Bei künstlicher Seide können durch biotechnologische Verfahren auch noch weitere Eigenschaften hinzugefügt werden - zum Beispiel, dass sie zur Zelladhäsion oder als Gerüst für die Regeneration von beschädigtem Gewebe nutzbar werden.
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Quellen: