Computersimulation Forscher lüften Geheimnis der Spinnenfäden

Fester als Stahl und elastischer als Gummi: Spinnen produzieren eine unverwüstliche Naturfaser, deren Geheimnis jetzt Forscher gelüftet haben - mit Hilfe einer Computersimulation. Das Modell könnte helfen, das begehrte Material künstlich nachzuahmen.
Spinnennetz: Begehrtes Material

Spinnennetz: Begehrtes Material

Foto: HAZIR REKA/ REUTERS

Spinnseide gilt als wahrer Wunderstoff: fester als Stahl, elastischer als Gummi oder Nylon, zäher als Kevlar. Seit jeher versuchen Forscher wie Unternehmer, die unverwüstliche Naturfaser zu kopieren. "Die Eigenschaften von Spinnseide nachzuahmen, galt viele Jahre lang als Heiliger Gral der Materialforschung", sagte einmal Jeffrey Turner. Dem ehemaligen Chef einer kanadischen Biotech-Firma war es mit Hilfe von Gentechnik gelungen, künstliche Seidenproteine herzustellen und diese zu Spinnenfäden zu verarbeiten. Seinen Durchbruch veröffentlichte er seinerzeit im

Wissenschaftsmagazin "Science". Doch trotz solcher und zahlreicher anderer wissenschaftlicher Erfolgsmeldungen ist die Spinne uns noch um Längen voraus. Immer noch arbeiten Materialforscher weltweit emsig daran, einen künstlichen Spinnenfaden herzustellen, der dem Original aus der Natur möglichst nahe kommt. Von einem serienreifen Produktionsverfahren ist man aber noch weit entfernt.

Jetzt sind Forscher um Frauke Gräter vom Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS) dem dem Geheimnis dieser Naturfaser immerhin noch ein Stück näher gekommen: Wie im "Biophysical Journal"  nachzulesen ist, sind sie mit Hilfe von Computermodellen hinter das molekulare Geheimnis der Zähigkeit von Spinnenfäden gekommen.

Natürliche Spinnenseidenfasern zeichnen sich durch eine spezielle Struktur aus. Sie bestehen im Wesentlichen aus zweierlei Komponenten: den sogenannten kristallinen und den amorphen Einheiten. Die kristallinen Einheiten sind aus kleinen Peptiden aufgebaut. Das sind quasi Proteinbruchstücke, eine Kette aus sechs bis zehn Aminosäuren. Diese Peptide lagern in einer sehr strukturierten Art und Weise aneinander, wie die Atome in einem geordneten Kristallgitter, und bilden so winzige, sehr feste Kristallblöcke. Diese machen etwa 10 bis 25 Prozent des Volumens in der Spinnenseide aus.

Auf die richtige Verknüpfung kommt es an

Gräter und ihre Kollegen fanden heraus, auf welche Weise die geordneten Einheiten mit den amorphen, also den weichen, Komponenten zusammenwirken. "Die geordneten Strukturen kann man sich wie ein Gerüst mit Quer- und Längsbalken vorstellen. Sie verknüpfen die unstrukturierten Einheiten", beschreibt Gräter das Prinzip.

Bestünde die Spinnenseide nur aus den kristallinen Einheiten, wäre sie brüchig. Demnach sorgen die amorphen Bestandteile für die hohe Elastizität - die steifen Bestandteile für die Reißfestigkeit.

Die Forscher simulierten am Computer die Zusammensetzung der Spinnenseide. Je nach Art und Weise, wie die Einheiten miteinander verknüpft waren, führte das zu unterschiedlichen Eigenschaften der Seide. So kamen die Wissenschaftler zu dem Resultat, dass eine scheibenartige Anordnung der weichen Einheiten und der geordneten Strukturen hintereinander zu besseren Ergebnissen führt, als eine zufällige oder parallele Anordnung.

Die Forscher hoffen, dass die neuen Erkenntnisse einen großen Beitrag zur Spinnenseidenproduktion beitragen wird. Gräter zufolge lassen sich nun bessere Modelle entwickeln, wie man die extrem elastische und reißfeste Faser nachbauen könnte. Die Industrie steht in den Startlöchern, doch wann es eine Spinnenseidenmaschine endlich geben wird, ist immernoch unklar - es ist nicht leicht, der Natur alle Geheimnisse zu entlocken.

cib/dpa