Vom Spinnen-Gen zur künstlichen Spinnenseide

Spinnen erzeugen hochleistungsfähige Seidenfäden sowohl für die die Jagd nach Beutetieren (als Beutenetz) als auch als Brutstätte ihrer Jungtiere (in einem Seidenkokon). Die physikalischen Eigenschaften dieser Fäden bestechen durch eine Kombination von hoher Reißfestigkeit und Elastizität, die in keinem anderen natürlichen oder synthetischen Werkstoff zu finden sind. Gerade deswegen ist diese Material für industrielle Anwendungen außerordentlich interessant. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den Möglichkeiten dieses Materials, dem Herstellungsverfahren bei der Spinne selbst bis hin zur gegenwärtigen technologischen Fertigungstechnik.

Technologische Motivation

Ein Spinnenfaden besteht entweder aus einer einzigen oder aus mehreren hochleistungsfähigen Fasern. Hohe Bruchspannungswerte bestimmter Spinnfadenarten in Verbindung mit großen Elastizitätsmoduln bestimmen ein Material, das eine hohe Festigkeit als auch Flexibilität erlauben. Diese Materialeigenschaften sind insbesondere für die Beutenetze der Spinne notwendig: zum einen muss das Netz die hohe kinetische Energie von Fluginsekten abfangen können, zum anderen darf die Beute nicht aus dem Netz reflektiert und zurückgeschleudert werden. Eine weitere Eigenschaft des Materials ist seine sehr geringe Dichte. Dadurch werden Spinnennetze möglich, deren Fäden außerordentlich dünn sind, was es der Spinne erlaubt, ein nahezu unsichtbares Netz zu spinnen – eine wichtige Strategie für einen erfolgreichen Beutefang.
Kein synthetisches Material von heute hat auch nur annähernd vergleichbare Materialeigenschaften. Zwar erreichen Hochleistungsstahl oder Kevlar vergleichbare Festigkeitswerte, doch diese unterscheiden sich stark in Eigenschaften wie Dichte und Elastizität. Ein Material mit einer zum Spinnfaden vergleichbaren Kombination dieser Eigenschaften wurde bislang noch nicht synthetisiert. Vor diesem Hintergrund ergibt sich ein wirtschaftlich hohes Interesse an technologischen Möglichkeiten, Spinnnenfäden auf synthetischem Weg herzustellen. Bevor dies jedoch realisiert werden kann, muss zunächst der biochemische und physikalische Prozess der Entstehung der Fibroine in der Spinndrüse verstanden werden. Erst dann können technische Herstellungsprozesse dieses Verfahren nachbilden, um diese für die Massenproduktion hochwertiger Fasern zu nutzen.

Physikalische Merkmale

Im Vergleich zu Stahl hat ein Spinnenfaden eine enorme Reißfestigkeit. Allgemeiner Baustahl besitzt eine Festigkeit von ca. XXX N/mm2, höherwertige Legierungen wie legierte Vergütungsstähle erreichen Werte um XXX N/mm2. Dem gegenüber reicht die Festigkeit von Spinnenseide bis zu XXX N/mm2.

Eine weitere Charakteristik macht einen Spinnenfaden zu einem interessanten Material: es ist außerordentlich elastisch und dehnt sich bis zu XX%, bevor es schließlich reißt. Diese hohe Elastizität verschafft dem Spinnennetz die Eigenschaft, dass es unter der Wucht des Einschlages eines Insektes nicht zerreißt, sondern die kinetische Energie auffängt und relativ langsam wieder abgibt.

Auf der anderen Seite ist das Material des Spinnfadens außerordentlich leicht: die mittlere Dichte beträgt ca. 1,3 g/cm³, während Stahl mit ca. 7,8 g/cm³ fast sechsmal so schwer ist. Das nächste zum Spinnfaden vergleichbare Material ist Kevlar, dessen Festigkeitswerte bis ca. 2800 N/mm2 reichen und das mit ca. XXX g/cm³ eine ähnliche Dichte aufweist. Allerdings beträgt der Dehnkoeffizient von Keflar nur etwa X% bis zur Bruchgrenze, was es zu einem spröden und nur wenig verformbaren Material macht . Nicht zuletzt zeichnet ein Spinnenfaden die relativ energiearme Produktionsprozess aus, der in der Spinnendrüse ausschließlich mit biochemischen Prozessen unter Normaltemperatur und -Druck stattfindet, während beispielsweise Stahl erst in komplexen und energieintensiven Verfahren hergestellt werden muss.
Die Zusammenstellung der physikalischen Merkmale eines Spinnenfaden sind somit eine einzigartige Kombination aus Elastizität, Reißfestigkeit und geringem Gewicht. Könnten Fäden dieses Materials maschinell auf mehrere Kilometer Länge erzeugt und verarbeitet werden, ergäben sich Stoffe, die gleichzeitig „leicht“, „verformbar“, „zugfest“ und „dünn“ wären. Materialien, die aus Spinnenfäden produziert werden könnten, hätten ein geringes spezifisches Gewicht verbunden mit einen sehr hohen Reißfestigkeit und hoher Elastizität, was es zu einem idealen Ausgangsmaterial für modellierende Verarbeitung macht. Und schließlich können voraussichtlich niederenergetische Produktionsverfahren und gute Umweltverträglichkeit zur Erzeugung von synthetischen Spinnfasern mit keinem anderen Herstellungsprozess vergleichbarer Materialien konkurrieren.

Zusammensetzung des Spinnenfadens

Ein Spinnenfaden ist mit ca. XXX Millimeter sehr dünn, weshalb ein Spinnennetz sowohl für den Menschen als auch für die Opfertiere nur sehr schwer zu sehen ist. Ein solcher Faden besteht nahezu vollständig aus Proteinen sowie aus Konservierungsstoffen, um die Spinnen-Netze sowie die Kokons der Jungtiere widerstandsfähig gegenüber Zersetzung zu machen.

Fadengerüst

Spinnenfäden bestehen überwiegend aus Proteinen. Diese bilden sich aus einer Sequenz von Aminosäuren zu einer Kette einzelner Aminosäure-Einheiten. Diese sind dabei über Peptidbindungen miteinander verbunden. Für den Aufbau dieser Ketten wurden hauptsächlich die Aminosäuren Glycin, L-Alanin, L-Glutamin und L-Prolin identifiziert. Aus diesen vier Bausteinen werden verschiedene Strukturen herausgebildet, die sich insgesamt in vier Klassen unterteilen lassen.
Die Primärstruktur bildet die einfache Aneinanderreihung von ca. 10-15 Aminosäuren zu einem Modul, das sich seinerseits bis zu einhundert Mal wiederholend aneinander reiht.

Die Sekundärstruktur entwickelt Faltenmuster zu einer sogenannten beta-Faltblattstruktur und der Alpha-Helix. Die Tertiärstruktur ergibt sich aus der Sekundär-Struktur durch weitere Faltung und Verknäuelung der Polypeptide. Die Quartärstruktur schließlich weist eine Aggregation vieler Aminosäureketten der Tertiärstruktur aus. In der Quartärstruktur sind die geordneten Bereiche als winzige Kristalle ausgeprägt, die eher ungeordneten Bereiche dieser Struktur bilden eine sogenannte Amorphe Matrix aus ungeordneten Proteinketten aus. Saladitt und Glisovic untersuchten Spinnenfäden mit Hilfe von Röntgendiagrammen und fanden eine starke Ausrichtung der Kristallite zugunsten einer bevorzugten Orientierung zur Fadenachse. (Salditt 2005). Die Kristallite sind über die ungeordneten Proteinketten der Amorphen Matrix miteinander vernetzt.

Konservierungsmaßnahmen

Damit sich der Spinnenfaden nicht zu schnell zersetzt, wird er von der Spinne mit Konservierungsstoffen versehen. Man hat drei verschiedene Substanzen identifizieren können, die für die Konservierung verantwortlich sind:
Pyrrolidin ist stark hydroskopisch. Da die Fäden mit dem geringen Durchmesser und großer Länge eine sehr große Oberfläche haben, besteht die Gefahr des Austrocknens des Materials. Indem die Spinne bei der Synthese des Fadens der Faser Pyrrolidin mitgibt, wird dem Netz dauerhaft Wasser aus der Luftfeuchtigkeit zugeführt, so dass dieses nicht spröde wird und seine Elastizität verliert.

Kaliumhydrogenphosphat erhöht den Säureanteil des Fadens und reduziert damit die Lebensbedingungen für Schimmelpilze und Fäulnisbakterien. Kaliumnitrat wiederum wirkt dem Ausflocken der Proteine in saurem Milieu entgegen.

Morphologie der Spinne für die Fadenherstellung

Zur Synthese des Spinnenfadens hat sich bei der Spinne ein sogenannter Spinnapparat, lat. Arachnidium, herausgebildet. Der Spinnapparat besteht aus den sogenannten Spinndrüsen, die die Proteine für die Fadenerstellung produzieren, sowie den Spinnwarzen, die für die Synthese des Spinnfadens aus der Proteinlösung zu einem festen Faden liefern.

Spinndrüsen

Je nach Spinnenart besitzt die Spinne zwei bis sieben verschiedene Spinndrüsen, in denen der Rohstoff der Seidenfäden produziert wird. Glandulae Tubuliformes ist eine Spinndrüse, die eine grobe Seide für die harte Hülle eines Ei-Kokons erzeugt wird. Glandular Aggregatae erzeugt einen Klebstoff für die Verbindung von Seidenfäden zu einem Netz Glandula Flagelliformis ist für die Herstellung besonders elastischer Fäden verantwortlich, die für die Fangnetze Verwendung findet Glandula Ampullacea Minor erstellt die Spinnfäden, die von der Spinne als Hilfsgerüst beim Bau der Fangnetze verwendet wird und die sie nach Fertigstellung des Netzes wieder abbaut (in dem sie sie verspeist) Glandula Ampullaecea Major ist die Spinndrüse, die den Tragfaden erzeugt, an dem sich die Spinne abseilt und die sie als Sicherung immer hinter sich herzieht. Weiterhin wird von der Spinne aus diesem Material das Gerüst der Fangnetze gebildet: Rahmen und radiale Achsen.

Glandulae Aciniformes produziert die Seide, mit der die Spinne ein Beutetier umschließt. Als sehr weiche Seide wird sie auch als Unterlage im Inneren eines Kokons verwendet. Glandulae Piriformes schließlich liefert eine sehr reißfeste Seide zur Verankerung der Fangnetze an Wänden, Pflanzen oder Hauswänden.

Spinnen-Gen

Für die industrielle Herstellung von Spinnenseide wäre eine große Zahl von Spinnen erforderlich, die diese Seide im großen Stil herstellt. Allerdings neigen Spinnen zu territorialen Verhalten, das bis hin zu Kannibalismus führt. Hohe Zahlen von Seide-produzierenden Spinnen sind daher nicht in Produktions-Einheiten zu halten. Aus diesem Grund muss die technologische Spinnfaden-Herstellung synthetisch erfolgen. Bevor solche Verfahren im industriellen Maßstab erfolgen kann, muss sowohl das Verfahren zur Produktion der notwendigen Proteinketten als auch die prozessuale Verfahrensweise zur Synthetisierung des Fadens verstanden und technologisch abgebildet werden. Herstellung des Spin-Proteine. Um das erste Problem zu lösen, isolierten Forscher der Firma Nexia/Kanada im Jahr 2002 das Genom zur Produktion der Seiden-Proteine und implantierte diese in das Erbgut von Ziegen, die auf diese Weise die gewünschten Seiden-Proteine in den Milchdrüsen erzeugen. Die Milchdrüse ist der Seidendrüse der Spinne sehr ähnlich, so dass aus dieser Kombination eine hohe Ertragswirtschaftlichkeit der Proteine in der Milch ergibt. Bestimmt durch die Vererbungsmetrik nehmen nur ein Teil der Ziegen dieses Gen an. So bald diese transgenen Ziegen unter maternen Bedingungen Milch produzieren, wird diese Milch gesammelt und das Spinnseide-Protein in hohen Mengen erzeugt.

Literatur

Regashamy 2005
Rengasamy, Jassal, Rameshkumar: „Studies on Structure and Properties of Nephila-Spider Silk Dragline“, AUTEX Research Journal, Vol. 5, No1, March 2005

Saladitt 2005
Saladitt Tim und Glisovic Anja, „Am seidenen Faden“, Georgia Augusta 4, 2005

Spahn 2010,
„Spinnenseidenproteine“ , Vortrag von Franziska Spahn im Rahmen der „Übungen im Vortragen mit Demonstrationen – Organische Chemie“, SS 08

Sullivan 1988
Sullivan D O.; „Spider Silk Gene Route to High Tensile Fibers“, Chemical Engineering News, 66, July 25, 24-25, 1988.
Ulrich 2010

http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/umat/proteine_spinne/spinnenseide.htm

http://wwwuser.gwdg.de/~sulrich/research/, „Random networks of cross-linked directed polymers“, Stephan Ulrich, Annette Zippelius, and Panayotis Benetatos, Phys. Rev. E 81, 021802 (2010)

Westheide und Rieger 2007,
Spezielle Zoologie, Bd.1 : „Einzeller und Wirbellose Tiere“, Westheide, Wilfried; Rieger, Reinhard M., 2007

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