11. – 13. Schuljahr

Nora Eckhardt und Kristin Liebelt

Vom Spinnennetz zum modernen Laufschuh

Künstliche Spinnenseide als Werkstoff für nachhaltige Produkte

Kaputte Sportschuhe landen meist über den Restmüll in einer Müllverbrennungsanlage und werden auf diesem Wege entsorgt. Umweltschonend ist das nicht. Doch nachhaltig produzierte Laufschuhe aus biologisch abbaubarem Material, welche trotzdem langlebig und zusätzlich leicht und angenehm zu tragen sind, fehlen bisher auf dem Markt. Adidas® hat im November letzten Jahres den Prototyp eines Sportschuhs vorgestellt, der bald in den Schuhläden zu kaufen sein soll [1] (vgl. Abb.1 ).
Sportschuhe bestehen meist aus Nylon oder Polyester, die über verschiedene Syntheseschritte aus dem fossilen Rohstoff Erdöl gewonnen werden. Bei der Produktion der Adipinsäure, einem Ausgangsstoff für die Nylonsynthese, entsteht außerdem in großen Mengen das Treibhausgas Lachgas (N2O) [2]. Der von Adidas® vorgestellte Prototyp hingegen besteht aus einer 100% naturbasierten Faser, dem sogenannten BioSteel®. Diese künstliche Faser aus nachwachsenden Rohstoffen hat interessante Eigenschaften. Sie ist leicht, weich, glatt und extrem elastisch aber gleichzeitig reißfest und robust. Zudem ist sie zu 100% bioabbaubar und hautfreundlich [1, 3, 4] (vgl. Abb.2 ).
Vom Spinnenfaden zur künstlichen Spinnenseide
Biosteel® ist eine besondere Faser mit einer besonderen Geschichte. Denn für diese Faser diente die Natur als Vorbild. Ausgerechnet die Spinne, ein Tier, vor dem sich die meisten Menschen ekeln, besitzt eine spezielle Fähigkeit: Sie kann verschiedene Fäden spinnen, die unterschiedlichste Eigenschaften aufweisen [3, 4].
So ist zum Beispiel der Sicherungsfaden zum Abseilen fünf Mal stabiler als Stahl, während der Faden zum Einspinnen der Beute besonders weich und der Fangfaden extrem elastisch ist [3, 4, 5]. Durch die besonderen
Eigenschaften des Fangfadens könnte ein Spinnennetz aus bleistiftdicken Spinnenfäden eine vollbeladene Boeing 747 mit einem Gewicht von 380 Tonnen auffangen [1]. Die Fäden haben außerdem antimikrobielle Eigenschaften und sind biologisch abbaubar die Spinne selbst frisst ihr Netz, um die Ausgangsstoffe zurückzugewinnen.
Es ist nicht verwunderlich, dass der Spinnenfaden aufgrund seiner Eigenschaften ein begehrtes Material ist. Anders als bei der Seidenraupe ist jedoch eine Spinnenzucht zur Gewinnung der Spinnenseide im großen Maßstab nicht möglich, denn Spinnen sind Tiere, die kannibalisch leben [3]. Sie lassen sich nicht in großen Gruppen halten.
Viele Forscher haben daher jahrzehntelang versucht, einen entsprechenden Faden synthetisch zu erzeugen. Natürliche Spinnseidenfäden bestehen hauptsächlich aus Proteinen, die über Polykondensation von Aminosäuren gebildet werden [6, 4, 3]. Bei dieser Reaktionsart werden funktionelle Gruppen unter Abspaltung eines Nebenproduktes verknüpft (vgl. Abb.3 ).
Demnach ist die Reaktionsart dieselbe wie bei einem Nylon- oder Polyesterfaden. Doch die künstliche Synthese eines Spinnenfadens ist komplizierter als die Herstellung eines Nylonfadens. Denn aus den in der Spinndrüse der Spinne gespeicherten Seidenproteinen muss im Spinnkanal noch ein stabiler Faden erzeugt werden. Dazu müssen sich die Eiweißketten zu Beta-Faltblattstrukturen zusammenlagern [6, 7, 4]. Damit die Spinne sich den Faden schließlich aus dem Spinnkanal ziehen kann, müssen verschiedene chemische und physikalische Prozesse ablaufen. Für die Herstellung eines künstlichen Spinnenfadens werden also nicht nur Kenntnisse über die molekularen Grundlagen der Seidenproteine benötigt, sondern auch genaue Kenntnisse über die Prozesse, die bei der Fadenbildung ablaufen.
Ein großer Schritt zur Herstellung künstlicher Spinnenseide gelang den Forschern um Prof. Dr. Scheibel an der TU München. Sie meldeten 2004 ein Verfahren zur biotechnologischen Herstellung von Seidenproteinen zum Patent an.
Mehr als 90% der natürlichen Seidenproteinsequenzen bestehen aus sich...

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