Wechselwirkungen beeinflussen MaterialeigenschaftenSpinnenseide: Proteine organisieren sich selbst

Haben Spinnen eine Schraube locker? Nicht im Wortsinne, doch Teile ihres Spinnfadens wickeln sich zu Schrauben auf, die sich bei Zugspannung wieder entfalten. Diesen Mechanismus untersuchten Forscher und beantworteten so einen Teil der Frage, weshalb Spinnenseide derart dehnbar ist. Ihr Ziel ist, künftig die Eigenschaften von künstlicher Spinnenseide noch naturgetreuer nachzubilden.

Animation des Spinnenproteins bevor die Spinnlösung in den Spinnkanal kommt

Die Animation zeigt das Spidroin in Lösung. Die C-terminale Domäne (Cyan) ist verknüpft, der Kernbereich ist ungefaltet (weiß) und die N-terminalen Domänen sind unverknüpft. Rechts angedeutet ist der Spinnkanal, in dem sich auch die N-terminalen Domänen verknüpfen und der Kernbereich sich faltet. Foto: Hannes Neuweiler/Julius-Maximilians-Universität Würzburg

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Spinnen stellen verschiedene Arten von Fäden her, darunter die extrem reißfesten Haltefäden. Diese sind zum einen extrem leicht und dabei zum anderen sowohl sehr reißfest und dehnbar. Die Spinnlösung wird aus bis zu sieben unterschiedlichen Spinndrüsen abgegeben und härtet an der Luft aus. Nicht nur Hersteller von Sportschuhen interessieren sich dafür, Spinnenseide künstlich herstellen zu können.

Vielfache Anwendungsideen

In der Medizin gibt es viele Ideen, die auf Spinnenseide basieren. Die Medizinische Hochschule Hannover hat Spinnenzimmer eingerichtet, in dem die tropische Spinnenart Nephila lebt. Die Spinne nutzt ihren Spinnfaden nicht nur zum Bauen von Fangnetzen, sondern stellt ihn für medizinische Zwecke zur Verfügung. Die Spinnen werden regelmäßig „gemolken“, wobei ein bis zu 400 Meter langer Faden direkt auf einen Rahmen wickelt wird. Ein Netz aus diesem Spinnenfaden ist die Grundlage für künstliches Hautgewebe – vorerst für Versuchstiere. Der Spinnenfaden wird nach der Implantation vom Körper abgebaut und ist nicht toxisch.

Link zu weiteren Details: https://www.faz.net/aktuell/wissen/medizin-ernaehrung/plastische-chirurgie-im-zeichen-der-weber-11752492.html

Für die industrielle Gewinnung von Spinnenseide ist der Weg über Bakterien oder Hefen möglich, deren Erbgut um Gene für die Seidenproduktion erweitert wurde. Doch wie entstehen die besonderen Eigenschaften? Was macht Spinnenseide so einzigartig?

Selbstregulierte Spinnprozesse auf Abruf: Schraube und Faltblätter in einem Strang

Eine aktuelle Studie gibt neue Einblicke in die Bioproduktion. Im Spinndrüsensack bilden Aminosäuren die Proteine, die Spidroine, beispielsweise für die Rahmenfäden des Netzes. Die beiden Enden des Aminosäurestranges unterscheiden sich in ein sogenanntes C- und ein N-terminales Ende. Dahinter verbergen sich am Ende von je fünf aneinander gelagerten Helices eine Carboxylgruppe (–COOH) bzw. eine Aminogruppe (–NH2). Diese Enden werden auch als Domänen bezeichnet. Die C-Enden sind paarweise miteinander verknüpft, jedoch bleiben die N-Enden offen. Dazwischen befindet sich der Kernbereich: solange das Protein in Lösung ist, bleibt er im Wesentlichen unstrukturiert.

Beim Aushärten bildet der Kernbereich vor allem beta-Faltblätter. Damit das Protein in Lösung bleibt, ist es wichtig, dass die Enden vor einer vorzeitigen Faltung schützten. Eine salzige Lösung verhindert zusätzlich, dass sich bereits vor dem Spinnkanal ein Polymer bildet. Wird die Spinnlösung in den Kanal gepresst, wird der Proteinfaden verstreckt und zeitgleich findet bei der Passage ein Ionenaustausch statt. Der Spinnlösung wird Wasser entzogen und nun reagieren auch die N-terminalen Domänen, sodass ein stabiler Faden entsteht.

Die neu gefundene Klammer

Wie jetzt aufgeklärt wurde, läuft die Verknüpfung der C-terminalen Domänen im Drüsensack in zwei Schritten ab. Zuerst kommen sich zwei Reaktionspartner nahe und lagern sich zusammen. Erst im zweiten Schritt folgt die Faltung, also die räumliche Neuorientierung der Aminosäurestränge, die durch verschiedene Wechselwirkungen mit ihrer Umwelt beeinflusst wird. Dabei bildet sich eine geschraubte Struktur, die sogenannte Helix-Struktur, die wie eine Klammer zwei Stränge des Spidroins zusammenhält.

Diese geschraubte Struktur könnte auch für die Dehnbarkeit der Spinnenfaser wesentlich sein. Zusätzlich gibt es weitere Helices im geschützten Kernbereich, die sich durch Zugkräfte entfalten und den Faden dehnen.

Für die Experimente züchteten Forscher von der Julius-Maximilians-Universität Würzburg die Raubspinne Euprosthenops australis. Sie wurde gentechnisch verändert: ihre Proteine sind nun mit Fluoreszenzfarbstoffen ausgestattet, sodass sie durch Licht zum Leuchten angeregt und genau untersucht werden können.

Die biomimetische Forschung ahmt zunächst die biologischen Prozesse nach. Als Vision wäre Spinnenseide dann biotechnologisch je nach Verwendungszweck herstellbar: Die Dehnbarkeit ließe sich sich gezielt durch Änderungen der Gene für die C-terminale Domäne beeinflussen.

 

Weitere Lektüre:

Zur Forschungsgruppe in Würzburg: https://www.biozentrum.uni-wuerzburg.de/super-resolution/aktuelles/meldungen/single/news/molekulare-einblicke-in-spinnenseide-4/

Der Originalartikel (auf englisch): https://www.nature.com/articles/s41467-018-07227-5

Einführung zur Spinnenseide: https://www.smnk.de/forschung/zoologie/wissenswertes/spinnseide/

 

Unterrichtsmaterialien zum Thema finden Sie im Themenheft "Strukturen nach Maß"

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