Bionik: Starke Spinnennetze als Vorbild für Materialien
Die Spinnenseide der Schwarzen Witwe ist unheimlich stark und fest. Das Wissen, wie sie hergestellt wird, könnte zu gleichsam starken Synthetik-Materialien führen.
Die Schwarze Witwe und verwandte Arten sind weit verbreitet: Man findet sie in den gemässigten Klimazonen in Nordamerika, Europa, Asien, Australien, Afrika und Südamerika. Sie produzieren eine Palette an Seide mit aussergewöhnlichen Eigenschaften.
Forscher der Northwestern University und San Diego State University (SDSU) haben den komplexen Prozess, durch den die Schwarze Witwe ihre Proteine in Fasern so stark wie Stahl umwandeln, weiter beleuchtet. Durch dieses Wissen könnten synthetische Materialien mit derselben Stärke entwickelt werden.
Es ist bereits seit geraumer Zeit bekannt, aus welchen Aminosäuren in welcher Abfolge die Proteine der Spinnenseide bestehen. Auch die Struktur der Fasern und Spinnennetze kennen die Forscher schon länger. Die bisherige These besagte, dass die Proteine der Spinnenseide in Form nanoskaliger Mizellen mit amphiphilen Eigenschaften (hydrophobe und hydrophile Eigenschaften gleichzeitig an verschiedenen Stellen) darauf warten, gesponnen zu werden. Dabei werden sie durch den Spinnapparat der Spinne geschleust, um die seidenen Fäden zu bilden. Als Forscher versuchten, genau diesen Prozess zu replizieren, gelang es aber nicht, ein Material zu produzieren, das dieselbe Stärke wie die richtige Spinnenseide aufweist.
Die Wissenslücke lag laut Nathan C. Gianneschi der Northwestern University, wahrlich in der Mitte des Prozesses. „Wir verstanden bis anhin nicht wirklich genau, was auf Nano-Ebene geschieht. Das heisst, die Phasen in der Spinndrüse und im Spinnkanal waren nicht bekannt – das umfasst die Aufbewahrung, Umwandlung und der Transport von Proteinen auf ihrem Weg zur Faser.“
Die jetzt gestellte Theorie der „modifizierten Mizellen“ besagt, dass die Proteine nicht in der kugeligen Form vorliegen, wie bisher angenommen. Stattdessen sollen sie einer komplexeren Form von verbundenen Mizellen existieren, eine einzigartige Struktur, welche möglicherweise massgeblich ist für die Herstellung der so beeindruckenden Spinnenfasern.
„Wir wissen jetzt also, dass die Seide der Schwarzen Witwe hergestellt wird aus hierarchisch angeordneten Nano-Einheiten von Proteinen (Grösse zwischen 200 bis 500 Nanometer) im Unterleib der Spinne und nicht aus einer Lösung mit zufällig angeordneten, einzelnen Proteinen in Kugelform“, erklärt Greg Holland, Co-Autor der Studie (SDSU). „Die möglichen Folgen dieser Erkenntnis auf Materialien und das Ingenieurwesen kann man nicht genügend betonen, sollte es uns gelingen, diesen natürlichen Prozess zu replizieren“, sagt Gianneschi. Holland fügt hinzu: „Die praktischen Anwendungen für solche Materialien sind praktisch unendlich.“
Originalartikel (EN): https://news.northwestern.edu/stories/2018/october/researchers-further-unravel-mystery-of-how-black-widow-spiders-create-steel-strength-silk-web/