25.10.2018 - Arizona State University

Die Hauptmerkmale der Spinnenseide entschlüsselt

Wissenschaftler der ASU feiern ihren jüngsten Erfolg auf dem Weg zum Verständnis, was die Faser, die Spinnen spinnen - Gewicht für Gewicht - mindestens fünfmal so stark wie Stahl macht.

Eines der grundlegenden Geheimnisse der Spinnenseide, das die Fähigkeit der Wissenschaftler, künstliche Seiden in der Qualität von Naturseide herzustellen, eingeschränkt hat, wurde gerade von Forschern der ASU School of Molecular Sciences in Zusammenarbeit mit einem Team der San Diego State University und der Northwestern University erklärt.

"Spinnenseide hat eine einzigartige Kombination aus mechanischer Festigkeit und Elastizität, die sie zu einem der zähesten Materialien macht, die wir kennen", sagt Jeff Yarger, Professor an der School of Molecular Sciences am College of Liberal Arts and Sciences.

Spinnenseide ist ein außergewöhnliches biologisches Polymer, das mit Kollagen (dem Stoff aus Haut und Knochen) verwandt ist, aber in seiner Struktur viel komplexer ist. Das ASU-Chemieteam untersucht seine Molekularstruktur, um Materialien herzustellen, die von Anwendungen im Bauwesen und Maschinenbau bis hin zu künstlichen, aber biokompatiblen Sehnen reichen.

"Jeder kennt Seide, weil er mit Seidenraupe vertraut ist. Der Seidenhandel gibt es schon seit langem. Aber Spinnenseide hat eine viel größere Vielfalt an Eigenschaften", erklärt Yarger.

Leider produzieren Spinnen keine Seide in großen Mengen. "Man kann viele Seidenraupen auf engstem Raum platzieren und sie genetisch so modifizieren, dass sie in 20-30 Tagen vom Larvenzustand zur Motte werden. Spinnen brauchen länger. Aber kommen wir zum Kernstück - Spinnen mögen sich nicht. Sie essen sich gegenseitig", sagt Yarger. Dies schließt natürlich die Möglichkeit aus, sie massenhaft zu züchten.

Wissenschaftler haben geniale Wege gefunden, um dieses Problem zu umgehen. Sie verwenden gentechnisch veränderte Seidenraupen, E. coli und sogar Ziegen, um Spinnenseide herzustellen. Leider produzieren diese Organismen zwar die gleichen Proteine wie Spinnen, haben aber nicht die gleichen mechanischen Eigenschaften wie das Naturprodukt. Sie sind zum Beispiel nicht so stark oder flexibel.

Hier setzt die aktuelle Forschung an - Professor Yarger wurde von Dian Xu, Samrat Amin und Brian Cherry, alle ebenfalls von der ASU, außerordentlicher Professor für Chemie von der San Diego State University, Gregory Holland, und Professor für Chemie von der Northwestern University, Nathan Gianneschi, unterstützt.

"In wenigen Millisekunden kann eine Spinne eine konzentrierte Proteinlösung, die in ihrem Bauch gespeichert ist, entnehmen und dieses Material schnell durch Kanäle und Spinndüsen ziehen, um Seidenfasern herzustellen", schwärmt Yarger.

"Auf molekularer Ebene zu verstehen, wie Spinnen diesen komplexen Prozess durchführen, und ihn im Labor zu reproduzieren, ist das primäre Forschungsziel unserer Gruppe."

Das Team beschäftigte eine Reihe von Magnetresonanzgeräten - NMR (oder MRT) an der ASU und dem Staat San Diego sowie Kryotransmissionselektronenmikroskopie an der Northwestern University. Sie untersuchten die Vorläuferlösung der Dragline-Seide von lokalen Black Widow (oder Latrodectus Hesperus) Spinnen.

"Wir sind einem molekularen Verständnis dieses Prozesses nun einen Schritt näher gekommen", erklärt Yarger. Wir haben eine hierarchische mizellare Nanopartikelstruktur entdeckt, die auf der molekularen Organisation der im Bauchraum von Spinnen gespeicherten Proteine basiert. Dies hat uns zum ersten molekularen Modell der Bildung von Spinnenseidenproteinfasern geführt und hoffentlich einen Schritt näher an die Laborproduktion von Spinnenseidenproteinfasern herangeführt."

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