Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Spinnen wie die Spinne: Biotech-Spinnenseide gleicht dem natürlichen Vorbild

23.02.2015

Ein Forschungsteam der Universität Bayreuth hat den Prozess der Seidenherstellung in der Spinne erstmals entschlüsselt und auch im Detail erfolgreich nachgeahmt. Die auf diese Weise hergestellte biomimetische Spinnenseide zeigt die gleiche Belastbarkeit wie natürliche Spinnenseide.

Spinnenseide ist ein technologisch hochinteressantes Material, weil sie Festigkeit und Elastizität in einzigartiger Weise verbindet. Sie ist daher stärker belastbar als alle anderen in der Natur vorkommenden oder vom Menschen produzierten Fasern.


Spinnennetz aus biotechnologisch hergestellten Spinnenseidenproteinen.

Foto: Gregor Lang, Universität Bayreuth; zur Veröffentlichung frei.

Einem Forschungsteam an der Universität Bayreuth um Prof. Dr. Thomas Scheibel ist es jetzt erstmals gelungen, den Prozess der Seidenherstellung in der Spinne vollständig zu entschlüsseln und dabei die Gründe aufzuklären, weshalb Spinnenseide so außerordentlich belastbar ist.

Aufbauend auf diesen Einsichten in das ‚Know-how‘ der Spinne haben die Wissenschaftler aus biotechnologisch hergestellten Spinnenseidenproteinen Fasern entwickelt, die genauso belastbar sind wie das natürliche Vorbild. In der Online-Ausgabe der Zeitschrift „Advanced Materials“ stellen sie ihre Forschungsergebnisse vor.

Biomimetik in den Bayreuther Laboratorien

Dem Forschungsteam am Lehrstuhl für Biomaterialien der Universität Bayreuth ist es gelungen, die in der Spinne ablaufenden Prozesse nicht nur zu entschlüsseln, sondern auch in fast allen Schritten nachzuahmen. „Das Ergebnis hat uns selbst überrascht“, berichtet 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.“

Grundstrukturen der Spinnenseidenproteine

Jede Faser aus Spinnenseide enthält Millionen von Proteinen, die auf einzigartige Weise miteinander vernetzt sind. Jedes Protein besteht dabei aus drei Teilen, aus sogenannten Domänen: Eine lange Kette von kurzen, sich hundertfach wiederholenden Aminosäuresequenzen bildet die große Kerndomäne. An ihrem einen Ende befindet sich eine Molekülgruppe, die eine freie Aminogruppe enthält und deshalb „N-terminale Domäne“ heißt; am anderen Ende der Kette hängt eine Molekülgruppe, die wegen ihrer Carboxy-Gruppe (COOH) als „C-terminale Domäne“ bezeichnet wird.

„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. Sie übernehmen wichtige Steuerungsfunktionen, wenn es darum geht, die einzelnen Spinnenseidenmoleküle in eine reißfeste Seidenfaser zu verarbeiten. Die Bedeutung dieser beiden Steuerdomänen ist in früheren Forschungsarbeiten häufig unterschätzt worden.“

Von der kugelförmigen Mizelle bis zur fertigen Seidenfaser

Um Spinnenseidenfasern zu erhalten, die sich durch mechanische Eigenschaften wie in der Natur auszeichnen, muss sich der Herstellungs- und Verarbeitungsprozess weitgehend an der Spinne orientieren. In der Spinne finden sich die einzelnen, im Drüsengewebe entstandenen Proteine im Spinndrüsensack zusammen. Hier bilden sie – wie die Bayreuther Wissenschaftler herausgefunden haben – kugelförmige Strukturen (Mizellen), die Eigenschaften von Flüssigkristallen aufweisen. Die Kerndomänen der Seidenproteine sind im Inneren der Mizelle platziert, ihre Enddomänen befinden sich hingegen an der Mizellenoberfläche. Dabei sind die C-terminalen Domänen paarweise verknüpft, während die N-terminalen Domänen lose Enden bilden.

„Diese kugelförmige Anordnung der Seidenprotein-Paare ist eine extrem stabile Speicherform, die eine ungewollte Faserbildung komplett unterdrückt“, erklärt Prof. Scheibel. „Sie hat zugleich den Vorteil, dass sie die Seidenproteine so vororientiert, dass sie für eine rasche Faserproduktion zur Verfügung stehen.“ Denn sobald die Spinne eine Faser benötigt, drückt sie die Spinnlösung aus dem Drüsensack in den Spinnkanal. Hier werden störende Wassermoleküle, die sich noch an den Oberflächen der Seidenproteine befinden, entfernt.

Zugleich sinkt der pH-Wert, so dass die bisher losen N-terminalen Domänen der Seidenprotein-Paare ihre Struktur schalterartig ändern und sich mit anderen N-terminalen Domänen verklammern. Durch die im Spinnkanal vorherrschenden Scherverhältnisse erhalten die vernetzten Seidenproteine ihre endgültige Ausrichtung als Fasern. Die Spinne kann die Fasern dann aus dem Spinnkanal herausziehen, indem sie beispielsweise ihre Hinterbeine zuhilfe nimmt.

Forschungsförderung

Die in „Advanced Materials“ veröffentlichten Forschungsarbeiten wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft, insbesondere im Rahmen des an der Universität Bayreuth angesiedelten Sonderforschungsbereichs „From particulate nanosystems to mesotechnology“, sowie von der Technologie AllianzOberfranken (TAO) gefördert. TAO ist ein Verbund der Universitäten Bayreuth und Bamberg sowie der Hochschulen für angewandte Wissenschaften Coburg und Hof. Die Partner kooperieren in den Bereichen „Energie“, „Mobilität“ und „Gesundheit“, die durch die Querschnittsthemen „Mensch und Technik“, „Werkstoffe“ und „IT/Sensorik“ miteinander verbunden sind.

Veröffentlichung

Aniela Heidebrecht, Lukas Eisoldt, Johannes Diehl, Andreas Schmidt, Martha Geffers, Gregor Lang, and Thomas Scheibel, Biomimetic Fibers Made of Rekombinant Spidrions with the same Toughness as Natural Spider Silk.
in: Advanced Materials (2015), DOI: 10.1002/adma.201404234

Kontakt:

Prof. Dr. Thomas Scheibel
Universität Bayreuth
Lehrstuhl für Biomaterialien
D-95440 Bayreuth
Tel.: +49 (0)921 / 55-7360
E-Mail: thomas.scheibel@uni-bayreuth.de

Weitere Informationen:

http://www.uni-bayreuth.de/presse/Aktuelle-Infos/2015/031-Biotech-Spinnenseide.pdf - Pressemitteilung als pdf mit Abbildungen

Christian Wißler | Universität Bayreuth

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Innovation im Leichtbaubereich: Belastbares Sandwich aus Aramid und Carbon
21.02.2018 | Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V.

nachricht Wie verbessert man die Nahtqualität lasergeschweißter Textilien?
20.02.2018 | Hohenstein Institute

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Attoseconds break into atomic interior

A newly developed laser technology has enabled physicists in the Laboratory for Attosecond Physics (jointly run by LMU Munich and the Max Planck Institute of Quantum Optics) to generate attosecond bursts of high-energy photons of unprecedented intensity. This has made it possible to observe the interaction of multiple photons in a single such pulse with electrons in the inner orbital shell of an atom.

In order to observe the ultrafast electron motion in the inner shells of atoms with short light pulses, the pulses must not only be ultrashort, but very...

Im Focus: Good vibrations feel the force

Eine Gruppe von Forschern um Andrea Cavalleri am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg hat eine Methode demonstriert, die es erlaubt die interatomaren Kräfte eines Festkörpers detailliert auszumessen. Ihr Artikel Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, nun online in Nature veröffentlich, erläutert, wie Terahertz-Laserpulse die Atome eines Festkörpers zu extrem hohen Auslenkungen treiben können.

Die zeitaufgelöste Messung der sehr unkonventionellen atomaren Bewegungen, die einer Anregung mit extrem starken Lichtpulsen folgen, ermöglichte es der...

Im Focus: Good vibrations feel the force

A group of researchers led by Andrea Cavalleri at the Max Planck Institute for Structure and Dynamics of Matter (MPSD) in Hamburg has demonstrated a new method enabling precise measurements of the interatomic forces that hold crystalline solids together. The paper Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, published online in Nature, explains how a terahertz-frequency laser pulse can drive very large deformations of the crystal.

By measuring the highly unusual atomic trajectories under extreme electromagnetic transients, the MPSD group could reconstruct how rigid the atomic bonds are...

Im Focus: Verlässliche Quantencomputer entwickeln

Internationalem Forschungsteam gelingt wichtiger Schritt auf dem Weg zur Lösung von Zertifizierungsproblemen

Quantencomputer sollen künftig algorithmische Probleme lösen, die selbst die größten klassischen Superrechner überfordern. Doch wie lässt sich prüfen, dass der...

Im Focus: Developing reliable quantum computers

International research team makes important step on the path to solving certification problems

Quantum computers may one day solve algorithmic problems which even the biggest supercomputers today can’t manage. But how do you test a quantum computer to...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Von festen Körpern und Philosophen

23.02.2018 | Veranstaltungen

Spannungsfeld Elektromobilität

23.02.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2018

21.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

„Molekularer Schraubstock“ ermöglicht neue chemische Reaktionen

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Internationale Forschungskooperation will Altersbedingte Makuladegeneration überwinden

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Workshop zu flexiblen Solarzellen und LEDs auf der Energiemesse „New Energy“

23.02.2018 | Seminare Workshops

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics