Der Verlust der Artenvielfalt ist in vielerlei Hinsicht dramatisch: Wichtige Ressourcen für Medikamente gehen verloren und über kurz oder lang wird unsere Ernährungssicherheit betroffen sein. Zudem dient die Natur oftmals der Industrie als Vorbild und verhilft zu neuen Materialien und Technologien. Der Effekt der Lotosblüte wird beispielsweise zum Schutz von Fassaden genutzt oder die Struktur der Haifischhaut im Flugzeugbau eingesetzt. Nun entschlüsselten Forscher das Geheimnis des Spinnenfadens und läuteten damit eventuell die Ära neuer reißfester Materialien ein.
Spinnenfaden ist reißfester als Stahl
Manch einen ekelt es bei der Vorstellung allein, und läuft man tatsächlich mal durch ein Spinnennetz, ist das klebrige Gebilde ganz schön lästig; ganz von der Befürchtung abgesehen, der Erbauer könne noch darin wohnen. Wohl kaum einer denkt dabei an die mögliche chemische Zusammensetzung des Netzes und dessen unglaubliche Eigenschaften: Vergleicht man einen hauchdünnen Faden aus Stahl mit Spinnenseide, ist diese fünfmal so reißfest.
Keine synthetische Faser der Welt kann mit ihr mithalten. Alle Versuche, Fäden mit annähernd ähnlicher Festigkeit herzustellen, sind bisher gescheitert. Man fragte sich lange Zeit, wie es die Spinne wohl schaffe, die Seidenproteine in der Spinndrüse zu speichern und in Sekundenschnelle im Spinnkanal zu Fäden mit einer so hohen Festigkeit zu spinnen. Nun haben Wissenschaftler der TU München (TUM) und der Universität Bayreuth (UBT) herausgefunden, was den Fäden die Stabilität verleiht.
Wie die Spinne zum Faden kommt
Spinnenfäden sind aus langen Ketten von Eiweißmolekülen (Proteine) zusammengesetzt. Diese sind bis zu ihrem Einsatz in der Spinndrüse in hoher Konzentration gespeichert, allerdings liegen sie hier völlig unsortiert herum. Würden sie parallel angeordnet und nah beieinander vorliegen, würden sie sofort verfestigen und verklumpen. Dies geschieht erst im Spinnkanal. Hier werden die Eiweißmoleküle kurz vor ihrem Einsatz aus dem Chaos in parallele Ketten sortiert.
Warum sich die Proteine nicht schon vorher sortieren und verklumpen, haben Forscher erst im letzen Jahr herausgefunden: Die Eiweißmoleküle lagern in der Drüse schon in Ketten. Die Enden der Ketten befinden sich außen, die Wasser abweisenden Teile der Moleküle befinden sich in der Mitte, so dass sich die Moleküle nicht zusammen lagern können.
Eine wichtige Rolle dabei spielt die sogenannte C-terminale Domäne am Ende der Kette. Es ist ein Abschnitt in der Molekülkette, der als eine Art Schalter je nach Salzkonzentration die Eigenschaft der gesamten Molekülkette verändert. Bei hoher Salzkonzentration wird die Bildung des Fadens verhindert. Im Spinnkanal liegt eine niedrigere Salzkonzentration vor. Verbunden mit der Tatsache, dass die Ketten im engeren Raum aneinander gerieben werden, verbinden sich die Moleküle und verfestigen sich zum Spinnfaden.
Festigkeit des Spinnenfadens – die Quervernetzung macht`s
Dieses Jahr untersuchten die Forscher die Kopfstücke der Kette und fanden die N-terminalen Domänen. Diese liegen in der Spinndrüse als Monomere vor, als Einzelstücke sozusagen. Erst im Spinnkanal setzen sich die einzelnen Teile wie bei einem Puzzle zusammen. Dabei spielt diesmal nicht der Salzgehalt allein eine Rolle, sondern auch der pH Wert.
Im Spinnkanal wird das Milieu saurer. Hier lagern sich die N-terminalen Enden zusammen und aus den Spinnseidenproteinen wird eine endlos lange Kette. Das Zusammenspiel von Verklebung durch die C-terminale Domäne und der Vernetzung durch die N-terminale Domäne bringt die Festigkeit der Spinnseide hervor. Bei der bisherigen künstlichen Faserherstellung konzentrierte man sich nur auf die Länge des Fadens. Auf die Idee, die Enden noch einmal quer zu vernetzen, kam man nun durch die Ergebnisse des Forscherteams und dessen Assistentin der Schwarzen Witwe. Die Entdeckung wird höchst wahrscheinlich neue Materialien mit verbesserten Eigenschaften hervorbringen.
So eine Spinne ist ein kleines Chemielabor auf acht Beinen. Ob es sie für Spinnenphobiker sympathischer macht, sei dahingestellt, faszinierend ist sie allemal. Und wer weiß, vielleicht haben wir den gefürchteten Krabbeltieren schon bald die laufmaschenfreie Strumpfhose und das lochresistente T-Shirt zu verdanken.
Quelle:
Pressemitteilung Technische Universität München vom 17.08.2011: Ursache der extremen Festigkeit der Spinnenseide entschlüsselt, Warum fällt die Spinne nicht vom Faden?
Bildnachweis: © Martin Ostheimer / Pixelio.de
