150 Megajoule pro Kubikmeter 01.03.2015, 07:59 Uhr

Künstliche Spinnenseide genauso belastbar wie natürliches Vorbild

Bayreuther Wissenschaftlern ist es gelungen, eine künstliche biotechnologische Faser herzustellen, die genauso belastbar ist, wie die echte Seide der Spinnen. Zudem haben sie den Prozess entschlüsselt, der für die große Belastbarkeit der Spinnenseide sorgt.

Spinnennetz aus Biotech-Spinnenseide.

Spinnennetz aus Biotech-Spinnenseide.

Foto: Gregor Lang/Universität Bayreuth

Bis vor wenigen Tagen galt die Spinnenseide als das stärkste natürliche Material. Das ist Geschichte, die Napfschnecke hat die Spinne in Sachen Materialstärke überholt. Trotzdem ist Spinnenseide ein technologisch hochinteressantes Material, denn sie verbindet Festigkeit und Elastizität in einzigartiger Weise.

Forscher der Universität Bayreuth um Prof. Dr. Thomas Scheibel haben jetzt der Spinne einmal genau in die Spinndrüsen geschaut. Und haben es geschafft, den Prozess der Seidenherstellung in der Spinne vollständig zu entschlüsseln. Gleichzeitig haben sie herausgefunden, weshalb Spinnenseide so unglaublich belastbar ist.

Top Stellenangebote

Zur Jobbörse
Hochschule Esslingen-Firmenlogo
Professor:in für das Lehrgebiet "Konstruktion" Hochschule Esslingen
Göppingen, Esslingen Zum Job 
Safran Data Systems GmbH-Firmenlogo
Testingenieur / Certified Tester (m/w/d) Safran Data Systems GmbH
Bergisch Gladbach Zum Job 
Fraunhofer-Gesellschaft e.V.-Firmenlogo
Sachgebietsleiter*in Technisches Gebäudemanagement - Betrieb, Wartung & Weiterentwicklung Fraunhofer-Gesellschaft e.V.
München Zum Job 
Stadtwerke München GmbH-Firmenlogo
Commissioning Manager Control, Field and Automation Engineering (m/w/d) Stadtwerke München GmbH
München Zum Job 
Hochschule Esslingen-Firmenlogo
Professor:in für das Lehrgebiet "Elektrotechnik und Elektrische Energieversorgung" Hochschule Esslingen
Göppingen, Esslingen Zum Job 
Rhein-Sieg Netz GmbH-Firmenlogo
Ingenieur (m/w/d) Netzbetrieb Rhein-Sieg Netz GmbH
Siegburg Zum Job 
Röhm GmbH-Firmenlogo
Ingenieur (m/w/d) Elektrotechnik / Automatisierungstechnik / EMSR Röhm GmbH
Wesseling Zum Job 
Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes-Firmenlogo
Bauingenieurinnen / Bauingenieure (m/w/d) Fachrichtung konstruktiver Ingenieurbau Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes
Brunsbüttel, Rendsburg Zum Job 
BMI Deutschland GmbH-Firmenlogo
Sicherheitsfachkraft / Fachkraft für Arbeitssicherheit (m/w/d) BMI Deutschland GmbH
Dülmen Zum Job 
SWM Services GmbH-Firmenlogo
Inbetriebsetzungsleiter*in für Verfahrenstechnik (m/w/d) SWM Services GmbH
München Zum Job 
Fachhochschule Dortmund-Firmenlogo
Vertretungsprofessur "Produktions- und Qualitätsmanagement"; Fachbereich Maschinenbau Fachhochschule Dortmund
Dortmund Zum Job 
BMI Deutschland GmbH-Firmenlogo
Sicherheitsfachkraft / Fachkraft für Arbeitssicherheit (m/w/d) BMI Deutschland GmbH
Dülmen, Heyrothsberge Zum Job 
Herrenknecht AG-Firmenlogo
Technischer Redakteur (m/w/d) Herrenknecht AG
Schwanau Zum Job 
Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes-Firmenlogo
Bauingenieurin /Bauingenieur (m/w/d) Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes
Brunsbüttel Zum Job 
ONTRAS-Firmenlogo
Spezialist Strategische Technologie (m/w/d) ONTRAS
Leipzig Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Techniker als Fachexperte für Vertragsmanagement, Ausschreibung, Vergabe & Abrechnung (w/m/d) Die Autobahn GmbH des Bundes
Krailling bei München Zum Job 
Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO-Firmenlogo
Wissenschaftliche*r Referent*in der Institutsleiterin Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO
Stuttgart Zum Job 
FH Münster-Firmenlogo
Professur für "Strömungstechnik" im Fachbereich Maschinenbau FH Münster
Münster Zum Job 
Technische Hochschule Rosenheim-Firmenlogo
Professorin / Professor (m/w/d) für Applied Embedded Computing Technische Hochschule Rosenheim
Rosenheim Zum Job 
FUNKE Wärmeaustauscher Apparatebau GmbH-Firmenlogo
Verfahrensingenieur (m/w/d) im technischen Vertrieb Rohrbündelwärmeaustauscher FUNKE Wärmeaustauscher Apparatebau GmbH
Gronau (Leine) Zum Job 

Anwendungsmöglichkeiten in der Textilindustrie oder der Medizintechnik

Mit diesem Wissen haben die Bayreuther Forscher aus biotechnologisch hergestellten Spinnenseidenproteinen Fasern entwickelt, die genauso belastbar sind wie das natürliche Vorbild. Ihre Forschungsergebnisse haben sie jetzt in der Online-Ausgabe der Zeitschrift Advanced Materials vorgestellt.

„Das Ergebnis hat uns selbst überrascht“, sagt 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.“ 

Nachgebaute Spinnenseide ist der echten ebenbürtig

Die natürliche Spinnenseite bringt es auf eine Belastbarkeit von etwa 150 Megajoule pro Kubikmeter, die nachgebaute biomimetische Seide ebenfalls. Das in schusssicheren Westen eingesetzte Kevlar 49 ist mit einem Wert von um die 50 Megajoule pro Kubikmeter dreimal weniger belastbar. Der Trick der Spinne: Jede Faser aus Spinnenseide enthält Millionen von Proteinen, die auf eine  einzigartige Weise miteinander vernetzt sind. Jedes Protein besteht aus drei Teilen, Domänen genannt.

So spinnt die Spinne: Drei Stadien in der Produktion von Spinnenseidefasern.

So spinnt die Spinne: Drei Stadien in der Produktion von Spinnenseidefasern.

Quelle: Christian Goeppne/Universität Bayreuth

Es gibt eine große Kerndomäne, das ist eine lange Kette von kurzen, sich aber hundertfach wiederholenden Aminosäuresequenzen. An einem Ende dieser Kerndomäne befindet sich eine Molekülgruppe, die eine freie Aminogruppe enthält. Die Bayreuther Forscher sprechen von der N-terminalen Domäne. Am anderen Ende der Kerndomäne hängt eine Molekülgruppe, die von den Wissenschaftlern wegen ihrer Carboxy-Gruppe als C-terminale Domäne bezeichnet wird.

Es ist das Zusammenspiel der drei Proteindomänen

„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.“

Kugelförmige Strukturen

Und genau diese beiden Domänen übernehmen wichtige Steuerungsfunktionen, um die einzelnen Spinnenseidenmoleküle in eine reißfeste Seidenfaser zu verarbeiten. Im Spinnenkörper finden sich die einzelnen, im Drüsengewebe entstandenen Proteine im Spinndrüsensack zusammen. Und hier bilden sie kugelförmige Strukturen. „Diese kugelförmige Anordnung der Seidenprotein-Paare ist eine extrem stabile Speicherform, die eine ungewollte Faserbildung komplett unterdrückt“, erklärt Prof. Scheidel.

Biomimetische Spinnenseide ist genauso belastbar wie das natürliche Vorbild und zahlreichen anderen Fasern überlegen. Die Belastbarkeit wird in Megajoule pro Kubikmeter (MJm-3) gemessen.

Biomimetische Spinnenseide ist genauso belastbar wie das natürliche Vorbild und zahlreichen anderen Fasern überlegen. Die Belastbarkeit wird in Megajoule pro Kubikmeter (MJm-3) gemessen.

Quelle: Prof. Dr. Thomas Scheibel/Universität Bayreuth

Gleichzeitig sind die Seidenproteine so vororientiert, dass eine rasche Faserproduktion problemlos möglich ist. Die Spinne drückt einfach die Spinnlösung aus dem Drüsensack in den Spinnkanal. Dort werden störende Wassermoleküle, die sich noch an den Oberflächen der Seidenproteine befinden, entfernt. Fertig ist die perfekte Spinnenseide, die von der Spinne dann rasch zu diesen unglaublich perfekten geometrischen Netzen versponnen wird.

Ein Beitrag von:

  • Detlef Stoller

    Detlef Stoller ist Diplom-Photoingenieur. Er ist Fachjournalist für Umweltfragen und schreibt für verschiedene Printmagazine, Online-Medien und TV-Formate.

Themen im Artikel

Zu unseren Newslettern anmelden

Das Wichtigste immer im Blick: Mit unseren beiden Newslettern verpassen Sie keine News mehr aus der schönen neuen Technikwelt und erhalten Karrieretipps rund um Jobsuche & Bewerbung. Sie begeistert ein Thema mehr als das andere? Dann wählen Sie einfach Ihren kostenfreien Favoriten.