Spinnenfäden besitzen erstaunliche Eigenschaften: Obwohl sehr leicht und elastisch, sind sie fünfmal so zugfest wie Stahl. Anwendungen für künstliche Spinnenseide gäbe es daher viele, doch gelang es bislang niemandem, die Wunderfäden technisch herzustellen. Ein deutsches Forscherteam hat nun entdeckt, wie Spinnen innerhalb kürzester Zeit aus den im Inneren der Spinndrüse gelagerten Seidenmolekülen extrem stabile und elastische Fäden ziehen können: Molekulare Schalter sorgen sowohl für die sichere Lagerung in der Drüse als auch für die Bildung der Fäden im Spinnkanal. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wird inzwischen an der Herstellung eines künstlichen Spinnapparates gearbeitet.
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 so die Spinndrüse verstopfen könnten. Andererseits würde eine zu späte Verbindung der Eiweißketten zu instabilen Netzen führen.
Die Wissenschaftler um Horst Kessler identifizierten mit Hilfe der Kernresonanz-Spektroskopie die Struktur und Wirkungsweise eines molekularen Schalters am Ende jeder produzierten Kette, der die zeitlich korrekte Quervernetzung der Spinnfäden sicherstellt. In der Spinndrüse sind jeweils zwei dieser Regulatoren derart miteinander verknüpft, dass die sich vernetzenden Bereiche zweier Ketten nicht parallel zueinander anordnen können. “Die Vernetzung ist damit wirkungsvoll unterbunden”, berichtet 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.
Zukünftige Anwendungsmöglichkeiten für künstliche Spinnenseide sind vielfältig. Da Spinnenseide 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 die Seide verwendet werden. 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.
Horst Kessler (Technische Universität München) et al.: Nature, Bd. 465, S. 239, doi:10.1038/nature08936 ddp/wissenschaft.de ? Gwydion Brennan
