Wunderfäden Forscher lüften das Geheimnis der Spinnenseide

Spinnenfäden sind leicht, elastisch und zugfester als Stahl - doch eine künstliche Herstellung war bisher unmöglich. Das könnte sich bald ändern: Forscher haben den Mechanismus der Spinndrüse enträtselt.

Spinne mit Beute: Forscher enträtseln die Entstehung von Spinnenfäden
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Spinne mit Beute: Forscher enträtseln die Entstehung von Spinnenfäden


Spinnenseide zeichnet sich durch extreme Reißfestigkeit und hohe Elastizität aus. Diese Eigenschaften verdankt der Naturstoff dem komplexen molekularen Aufbau verschiedener Eiweißmoleküle. Die fertigen Fäden sind hauptsächlich aus langen Ketten von Eiweißen aufgebaut, die über stabile chemische Verbindungen miteinander vernetzt und für die extreme Stabilität verantwortlich sind. Dazwischen liegende unvernetzte Abschnitte sorgen wiederum für die hohe Elastizität.

Innerhalb der Spinndrüse sind die Seidenbestandteile jedoch flüssig, die Eiweiße lagern hier in hoher Konzentration und warten auf ihre Verarbeitung. Zunächst sind die Ketten aufgewickelt und liegen dicht nebeneinander. Entscheidend für die Qualität der Seide ist nun der Zeitpunkt, zu dem die Ketten miteinander verbunden werden: Einerseits dürfen sich die vernetzten Bereiche der einzelnen Fäden nicht zu nahe kommen, da sie sonst verklumpen und die Spinndrüse verstopfen könnten. Andererseits würde eine zu späte Verbindung der Eiweißketten zu instabilen Netzen führen.

Wie den Spinnen das Kunststück gelingt, dennoch stabile Fäden zu produzieren, hat jetzt ein Team um Franz Hagn und Horst Kessler von der Technischen Universität München herausgefunden. Wie die Wissenschaftler im Fachblatt "Nature" schreiben, haben sie mit Hilfe der Kernresonanz-Spektroskopie die Struktur und Wirkungsweise eines molekularen Schalters identifiziert. Er stellt demnach am Ende jeder produzierten Eiweißkette die zeitlich korrekte Quervernetzung der Spinnfäden sicher.

In der Spinndrüse sind jeweils zwei dieser Schalter derart miteinander verknüpft, dass sich die vernetzenden Bereiche zweier Ketten nicht parallel zueinander anordnen können. "Die Vernetzung ist damit wirkungsvoll unterbunden", so Kessler. Nach dem Transport der Ketten in den Spinnkanal bewirkt die veränderte chemische Umgebung dann, dass bestimmte Bereiche der Schalter instabil werden und die Ketten sich entfalten können. Durch die im Kanal herrschenden starken Scherkräfte werden die Eiweißketten parallel zueinander ausgerichtet und die Vernetzungsbereiche nebeneinander gebracht - der Spinnenseidenfaden entsteht.

In einer weiteren Studie in "Nature" beschreibt ein Team um Glareh Askarieh von der Universität Oslo die genaue Funktionsweise des chemischen Schalters.

Zukünftige Anwendungsmöglichkeiten für künstliche Spinnenseide sind vielfältig. Da das Material im menschlichen Körper keine Abstoßungsreaktion verursacht, könnten die Fäden als Nähgarn bei Operationen verwendet werden. Durchtrennte Nerven könnten per Spinnenseide verbunden werden und so entlang des Fadens wieder zusammenwachsen. Auch für künstliche Bänder oder Sehnen könnte man die Seide verwenden. Eine andere Anwendungsmöglichkeit des Naturstoffes wären technische Fasern für den Automobilbereich. Im Rahmen eines Verbundprojekts des Bundesministeriums für Bildung und Forschung arbeiten die Wissenschaftler mit Partnern aus der Industrie bereits an der Entwicklung eines künstlichen Spinnapparates.

mbe/ddp



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