Materialforschung
Eine Spinne mit vielen Seiden
Ein Spinnennetz ist eine von Webspinnen (Araneae), aber auch den rezenten Arten der Gliederspinnen hergestellte Konstruktion, die vorwiegend dem Beutefang (fast immer Insekten) dient. Bild. pixabay/Traphitho
Die Spinnenseide hat erstaunliche Eigenschaften - sie ist reißfest, extrem belastbar und zudem biologisch abbaubar. Die hauchfeinen Fäden könnten der Elektromobilität und Luftfahrt zu neuartigen Werkstoffen verhelfen.
Mit einer Geschwindigkeit von bis zu einem Meter pro Sekunde zieht eine Spinne die Seidenfäden zu einem Netz. Beeindruckend ist nicht nur die Geschwindigkeit, mit der die Tiere spinnen – das Material selbst ist erstaunlich.
„Während Kunstfasern wie Nylon bei hohen Drucktemperaturen produziert werden müssen, entsteht Spinnenseide unter natürlichen Umgebungsbedingungen aus einer wässrigen Lösung. Eine Spinne stellt ihre Seide äußerst ressourcenschonend her“, erklärt Imke Greving, Physikerin am Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG). Das Helmholtz-Zentrum für Material- und Küstenforschung betreibt eine Außenstelle am DESY in Hamburg.
Dort nutzt die Forscherin elektromagnetische Strahlung, sogenannte Synchrotronstrahlung, um der Natur ihre Geheimnisse zu entlocken. Bionik nennt sich dieses Fachgebiet und nutzt das geballte Knowhow von Biologen, Physikern, Ingenieuren und Biochemikern, um Naturstoffen, die für die technische Anwendung interessante Eigenschaften besitzen, auf den Grund zu gehen.
Spinnenseide im Labor
Während ihrer Promotion in Oxford war Imke Greving teil der Forschungsgruppe von Professor Vollrath, der als eine Koryphäe auf dem Gebiet der Spinnenseide gilt und die goldene Radspinne in einem großen Gewächshaus auf dem Dach der Universität züchtet
Dort liefern die kleinen Krabbeltiere stetig seidenen Nachschub für die Wissenschaftler. Denn um mit dem Kraftmesser die mechanischen Eigenschaften der Seidenfäden zu ergründen oder mit Streuexperimenten ihrer Struktur auf die Spur zu kommen, müssen die Forscher ihre Spinnen melken. „Dazu nimmt man die Spinnenseide hinten an den Spinneret – so heißen die Organe – ab und wickelt sie dann auf“, berichtet Greving von der Seidenernte. Die Auswahl der einzelnen Seidenfasern geschieht unter einem Mikroskop.
Denn Spinnenseide ist nicht gleich Spinnenseide. So unterscheidet sie sich nicht nur zwischen den verschiedenen Arten der Webspinnen, sondern auch innerhalb eines einzelnen Tiers. „Spinnen können bis zu sieben verschiedene Arten von Seide herstellen und für jede haben sie ein anderes Organ.“ Da gibt es beispielsweise die major Ampullate, eine feste Seide, die für die gekreuzten Hauptstrukturen der Spinnennetze Verwendung findet. Verbunden werden diese Fäden mit einer anderen, elastischen Seide.
Kommerzielle Verwertung
„Spinnenseide hat außerdem hervorragende mechanische Eigenschaften, die keine menschengemachte Faser bisher erreichen konnte“, erklärt Greving. „Die Seidenfasern können um das Dreifache ihrer Länge gedehnt werden ohne zu reißen und haben gleichzeitig aber eine sehr hohe Festigkeit.“ Verglichen mit einem gleichschweren Stahlfaden ist die feste Seide der Spinne vier Mal belastbarer. Und die spiralförmigen Fangleinen im Spinnennetz sind wiederum derart elastisch, dass sie auch der Bewegungsenergie eines fliegenden Insekts problemlos standhalten.
Große Festigkeit und hohe Elastizität: zwei Eigenschaften, die für Ingenieure geradezu verlockend klingen. In Faserverbundwerkstoffen könnte Spinnenseide eines Tages vielleicht sogar das bisher verwendete Karbon ersetzen. Als leichtes und dennoch strapazierfähiges Material für Elektrofahrzeuge zum Beispiel. Oder in der Luftfahrt.
Der Vorteil: Während Kohlefaserverbunde empfindlich auf den Einschlag von Objekten reagieren und die Maschinen damit in die Flugzeugwerft zwingen, würde Spinnenseide auch bei wiederholten Treffern die Energie sehr viel besser absorbieren ohne Schaden zu nehmen. Das zumindest hält der europäische Flugzeugbauer Airbus für möglich und kooperiert dafür noch bis Ende 2019 mit dem Münchner Startup AMSilk. Das Unternehmen, eine Ausgründung des Lehrstuhls für Biomaterialien der Universität Bayreuth, hat sich auf künstliche Spinnenseide spezialisiert.
Künstliche Spinnenseide
Denn je nach Seidentyp liefert eine Spinne zwar bis zu 50 Meter Faden pro Melkvorgang, doch für einen industriellen Einsatz würde das schlichtweg nicht reichen und wäre obendrein viel zu teuer. Um künstliche Spinnenseide herstellen zu können, mussten erst einmal die Baustoffe ihrer natürlichen Vorlage untersucht werden. Auch Greving war an diesem Vorhaben beteiligt. In Experimenten beschoss sie die Proteine der Spinnenseide mit Röntgenstrahlen, beobachtete die Streuung und erhielt auf diese Weise Einblick in die Struktur der Proteine.
„Im Vergleich zu den Proteinen, die standardmäßig mit Streumethoden untersucht werden, sind die Proteine der Spinnenseide sehr groß, sie haben eine lange Aminosäuresequenz die bis heute nicht vollends entschlüsselt ist“, erzählt sie von ihren Erfahrungen. „Daher sind Standard Methoden zur Auswertung hier oft nicht anwendbar.“
Ist das Protein bekannt, kommen ganz spezielle „Bioreaktoren“ ins Spiel. An der Universität von Utah waren es im Jahr 2014 beispielsweise Ziegen, die mit Spinnen-DNA erweitert, die Seidenproteine in ihrer Milch ansammelten. Unternehmen wie AMSilk setzen hingegen auf wesentlich kleinere Helfer: genetisch veränderte Bakterien wie den Darmkeim Escherichia coli. Bereits die reinen Seidenproteine lassen sich vielfältig nutzen, zum Beispiel als Nagellack oder zur Beschichtung von Implantaten. Denn Spinnenseide ist nicht nur vollständig biologisch abbaubar und gleichzeitig antibakteriell, auch die Abwehrreaktion des menschlichen Körpers ist minimal.
Als Wundverband wird natürliche Spinnenseide deshalb schon sehr lange genutzt. Ihr künstliches Pendant, so glauben die Experten, wird sich darum wohl auch als erstes in der Kosmetik und der Medizintechnik behaupten. Bis die Fasern fester Bestandteil alltäglicher Produkte werden, könnte es allerdings noch eine Weile dauern. Der Sportschuh aus künstlicher Spinnenseide, den AMSilk zusammen mit Adidas 2016 entwickelt hatte, liegt beispielsweise immer noch als Prototyp in der Schublade.
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