IVK: Natur als Vorbild für Fasern der Zukunft

Die Natur dient seit jeher als unerschöpfliche Quelle der Inspiration für die Entwicklung innovativer Materialien. Ein besonders faszinierendes Beispiel hierfür ist die Spinnenseide, deren außergewöhnliche Eigenschaften Wissenschaftler seit langem in den Bann ziehen. Forschern der Washington University in St. Louis, Missouri/USA, ist nun ein bahnbrechender Durchbruch bei der künstlichen Herstellung von Spinnenseide gelungen, der das Potenzial hat, die Textilindustrie und andere Bereiche in ferner Zukunft maßgeblich zu beeinflussen und eine nachhaltige Alternative zu herkömmlichen Kunstfasern zu bieten.

Natürliche Spinnenseide ist ein Material von bemerkenswerter Güte, das sich durch seine außergewöhnliche Festigkeit und Elastizität auszeichnet. Im Verhältnis zu ihrem Gewicht ist sie sogar fünfmal belastbarer als Stahl und dabei gleichzeitig wesentlich flexibler.¹ Diese herausragenden mechanischen Eigenschaften prädestinieren Spinnenseide für zahlreiche hochwertige Anwendungen, beispielsweise in der Medizin für die Herstellung von Wundverbänden oder chirurgischem Nahtmaterial. Die Crux hierbei war jedoch stets die mangelnde Verfügbarkeit in ausreichender Menge, da Spinnen, im Gegensatz zu Seidenraupen, nicht in Massen gehalten werden können.²
Ein Team von Forschern der Washington University in St. Louis nahm sich dieser Herausforderung an und konnte bereits im Jahr 2018 künstliche Spinnenseide im Labor erzeugen. Dabei integrierten die Wissenschaftler den genetischen Bauplan der Seidenproteine in Bakterien, die daraufhin das Grundmaterial für die Fasern produzierten. Ein wesentliches Problem blieb jedoch bestehen: die geringe Menge des gewonnenen Materials. Dies war darauf zurückzuführen, dass die Bakterien nur bedingt in der Lage waren, die sehr langkettigen Proteine herzustellen, auf denen die herausragenden Eigenschaften der natürlichen Spinnenseide basieren.²
Die jüngste Entwicklung des Teams stellt nun einen entscheidenden Wendepunkt dar. Die innovative Idee bestand darin, die Bakterien kleinere Seidenprotein-Stücke produzieren zu lassen, die sich anschließend miteinander verketten sollten. Ein klebriges Protein aus Muscheln, das für seine Haftfähigkeit unter Wasser bekannt ist, erwies sich dabei als entscheidender Faktor. Dieses Muschelfuß-Protein konnte das Team bereits zuvor ebenfalls mithilfe genetisch modifizierter Bakterien im Labor herstellen und hatte dabei festgestellt, dass die Muschelfuß-Proteine untereinander eine starke Bindungskraft aufweisen. Diese Eigenschaft wurde nun für das Spinnenseidenprojekt genutzt: Indem jeweils ein Muschelfuß-Protein-Stück an die Enden einer verkürzten Spinnenseidenprotein-Sequenz gesetzt wurde, verketteten sich die kürzeren Fusionsproteine miteinander.
Das Ergebnis dieser cleveren Methode ist beeindruckend: Aus einem Liter Bakterienkultur konnten 8 Gramm Fasermaterial gewonnen werden, was eine weitaus größere Ausbeute darstellt als zuvor. Zudem konnten die Forscher in Tests eine verbesserte Leistungsfähigkeit der so hergestellten sogenannten btMSilk-Fasern nachweisen.²
Diese »Super-Faser« demonstriert eindrucksvoll, wie die Natur als Inspirationsquelle für die Entwicklung innovativer Materialien dienen kann. Sollte es zukünftig gelingen, die synthetische Spinnenseide in industriell nutzbaren Mengen zu produzieren, könnte sie einen wichtigen Beitrag zur Herstellung leistungsstarker biobasierter Materialien, beispielsweise für die Textilindustrie, leisten und somit Fasermaterialien wie Nylon oder Polyester ersetzen. Obwohl die Forschung in diesem Bereich noch in den Kinderschuhen steckt, sind die bisherigen Ergebnisse überaus vielversprechend und lassen auf eine spannende Zukunft hoffen.

Quellen:
¹ https://www.wissenschaft.de/technik-digitales/kuenstliche-spinnenseide-hergestellt/

² https://www.wissenschaft.de/technik-digitales/kuenstliche-spinnenseide-dank-muschel-kleber/