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News: Wenn Spinnen spinnen...

Wie Perlen einer Kette reihen sich die Tautropfen auf den seidenen Fäden aneinander und lassen das Spinnennetz in der Sonne als ein filigranes Kunstwerk erscheinen. Mit Perfektion hat sein wundersamer Baumeister, die Spinne, ein todbringendes Instrument zum Beutefang erschaffen. Die ultrafeinen Spinnenfäden erweisen sich als spektakuläres Baumaterial: Sie sind außergewöhnlich stabil, dehnbar und widerstandsfähig. Wissenschaftler entdeckten nun eine flüssig-kristalline Lösung, die den spinnenden Achtbeinern als Ausgangssubstanz dient.
Unangefochten ist sie die leistungstärkste Polymerfaser, welche die Natur fein abgestimmt über einige Hundert Millionen Jahre der Evolution hervorgebracht hat: Der kunstvolle Seidenfaden der Spinnen ist 1400-mal dünner als ein Menschenhaar und kann bis zu 250 Meter lang sein. An der Spitze des Spinnenhinterleibs sitzen 400 bis 600 so genannte Spinndrüsen, die eine Flüssigkeit erzeugen. Sobald diese ausgepresst wird und mit Sauerstoff in Berührung kommt, erstarrt sie sofort zu feinsten Fäden. Mit diesen weben die Spinnen ihre Netze und manchmal hängt ihr Leben selbst am seidenen Faden, wenn sie sich abseilen, um gefangene Beute zu schnappen oder Gefahren zu entgehen. Doch einer Zerreissprobe ausgesetzt, zeigen die Fäden erst ihre eigentlichen hervorragenden Eigenschaften: Sie sind wesentlich härter und elastischer als jene in Kokons aufgewickelten Fäden der Seidenraupe und als jede andere synthetische Polymerfaser.

Spinnenseide besteht aus langen Proteinmolekülen. Diese Proteine bilden kristalline Bereiche, die in eine unstrukturierte, formlose Grundsubstanz eingebettet sind. Die formlosen Regionen dehnen sich leicht und verleihen der Seide ihre Elastizität. Die kristallinen Domänen hingegen bleiben straff in Falten und Spiralen angeordnet und sind für die Belastbarkeit des Spinnfadens verantwortlich.

Auf der Suche nach neuen umweltfreundlichen Superfasern enthüllten nun Fritz Vollrath und David Knight von der University of Oxford ein weiteres Geheimnis der Spinn(en)kunst: Das Augangsmaterial, aus dem die Spinnenart Nephila clavipes mit Leichtigkeit ihre seidenen Fäden produziert, ist "Dope", eine flüssig-kristalline Lösung. In dieser frei fliessenden Lösung können sich die Seidenproteinmoleküle frei bewegen. Doch sie bleiben weiterhin untereinander und entlang der Achse der sich entwickelnden Faser verbunden, während sich das Dope durch das zunehmend einengendere Spinnorgan bewegt. Diese Anordnung sorgt für zusätzliche Stärke.

Überraschenderweise machen die Seidenproteine über 50 Prozent der wässrigen Ausgangssubstanz aus. Derartig konzentrierte Lösungen könnten bei der industriellen Faserherstellung nicht verarbeitet werden: Sie wären zu zähflüssig, um eine robuste Faser zu bilden. Doch wie gelingt es dann den Spinnen, ihren "roten" Faden nicht zu verlieren? Die Wissenschaftler nehmen an, dass die Tiere dieses Problem folgendermaßen umgehen: Vermutlich verwenden die Spinnen Seidenproteinmoleküle, die anfangs zusammengerollt sind, um die Dope-Lösung flüssiger zu halten. Erst in späteren Stadien des Spinnvorgangs spulen die Tiere die Proteine ab und verbinden sie miteinander. Das Abwickeln entblößt zudem klebrige Proteinflicken, wodurch die einzelnen Moleküle zu dem endgültigen Faden zusammenschwirren.

Die Menschheit hat viele Konstruktionsprinzipien der Natur nachgeahmt, doch einen derartig komplexen Prozess wie das Seidenspinnen der Spinnen hat bislang kein Forscher wiederholt. "Das Problem besteht darin, dass die Seidenproteine sehr empfindlich auf jede gleitende Bewegung reagieren", erklärt John Gosline von der University of British Columbia. "Wenn eine Lösung mit Seidenproteinen umgerührt wird, gerinnen die Moleküle zu Klümpchen und müssen vor der Verarbeitung wieder aufgelöst werden. Wir befinden uns jedoch gerade erst am Anfang, die komplexen Zusammenhänge zu verstehen." Der Wissenschaftler ist aber überzeugt, dass aus Seidenproteinfasern nützliche Materialien mit einzigartigen Eigenschaften entwickelt werden – nicht zuletzt deshalb weil sie im Gegensatz zu den bisherigen Kunstfasern umweltfreundlich und vollständig biologisch abbaubar sind.

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  • Quellen
Nature 410: 541–548 (2001)
Nature Sciene Update

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