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.

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.

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