Das Dehnen von Spinnenseide macht sie stärker, indem die Protein-Ketten ausgerichtet werden

7. März 2025

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von Northwestern University

Wenn Spinnen ihre Netze spinnen, verwenden sie ihre Hinterbeine, um Seidenfäden aus ihren Spinnerets zu ziehen. Dieses Ziehen hilft nicht nur der Spinne, die Seide freizusetzen, sondern ist auch ein entscheidender Schritt zur Stärkung der Seidenfasern für ein langlebigeres Netz.

In einer neuen Studie haben Forscher der Northwestern Universität herausgefunden, warum die Rolle des Dehnens so wichtig ist. Durch die Simulation von Spinnenseide in einem Rechenmodell entdeckte das Team, dass der Dehnungsprozess die Proteinmolekülketten innerhalb der Fasern ausrichtet und die Anzahl der Bindungen zwischen diesen Ketten erhöht. Beide Faktoren führen zu stärkeren, widerstandsfähigeren Fasern.

Das Team validierte diese computerbasierten Vorhersagen dann durch Laborversuche mit künstlich hergestellter Spinnenseide. Diese Erkenntnisse könnten Forschern dabei helfen, Proteine zu designen, die von Spinnenseide inspiriert sind, und Spinnverfahren für verschiedene Anwendungen zu entwickeln, darunter starke, biologisch abbaubare Nähte und robuste, leistungsstarke und splittergeschützte Schutzausrüstung.

Die Studie erscheint in Science Advances.

'Forscher wussten bereits, dass dieses Dehnen für die Herstellung wirklich starker Fasern erforderlich ist,' sagte Sinan Keten von der Northwestern University, der leitende Autor der Studie. 'Aber niemand wusste unbedingt warum. Mit unserer Rechenmethode konnten wir untersuchen, was auf Nanoskala passiert, um Einblicke zu gewinnen, die experimentell nicht sichtbar sind. Wir konnten untersuchen, wie das Dehnen mit den mechanischen Eigenschaften der Seide zusammenhängt.'

'Spinnen führen den Dehnungsprozess natürlich durch,' sagte der Northwestern-Forscher Jacob Graham, Erstautor der Studie. 'Wenn Spinnen Seide aus ihrer Seidendrüse spinnen, verwenden sie ihre Hinterbeine, um den Faden zu greifen und herauszuziehen. Das streckt den Faden während seiner Bildung. Dadurch wird der Faden sehr stark und sehr elastisch. Wir fanden heraus, dass man die mechanischen Eigenschaften des Fadens einfach durch die Menge des Streckens verändern kann.'

Als Experte für bioinspirierte Materialien ist Keten Jerome B. Cohen Professor für Ingenieurwissenschaften, Professor und stellvertretender Vorsitzender für Maschinenbau und Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen an der McCormick School of Engineering der Northwestern University. Graham ist Doktorand in Ketens Forschungsgruppe.

Forscher waren schon lange an Spinnenseide aufgrund ihrer bemerkenswerten Eigenschaften interessiert. Sie ist stärker als Stahl, widerstandsfähiger als Kevlar und elastisch wie Gummi. Aber die Züchtung von Spinnen für ihre natürliche Seide ist teuer, energieintensiv und schwierig. Deshalb wollen Wissenschaftler stattdessen Seide-ähnliche Materialien im Labor herstellen.

'Spinnenseide ist die stärkste organische Faser,' sagte Graham. 'Sie hat auch den Vorteil, biologisch abbaubar zu sein. Daher ist sie ein ideales Material für medizinische Anwendungen. Sie könnte für chirurgische Nähte und Klebegels zur Wundversorgung verwendet werden, weil sie im Körper natürlich und unschädlich abgebaut würde.'

Fuzhong Zhang, Mitautor der Studie und Francis F. Ahmann Professor an der Washington University (WashU) in St. Louis, hat seit mehreren Jahren Mikroorganismen entwickelt, um Spinnenseidenmaterialien herzustellen. Durch das Extrudieren von künstlich hergestellten Spinnenseidenproteinen und anschließendes Dehnen von Hand hat das Team künstliche Fasern entwickelt, die den Fäden des Goldseiden-Kreuzspinnen-Webers ähneln, einer großen Spinne mit einem spektakulär starken Netz.

Trotz der Entwicklung dieses 'Rezepts' für Spinnenseide verstehen Forscher immer noch nicht vollständig, wie der Spinnprozess die Faserstruktur und -festigkeit verändert. Um diese offene Frage zu untersuchen, entwickelten Keten und Graham ein Rechenmodell, um die molekularen Dynamiken innerhalb von Zhangs künstlicher Seide zu simulieren.

Durch diese Simulationen untersuchte das Team der Northwestern University, wie das Dehnen die Anordnung der Proteine in den Fasern beeinflusst. Insbesondere betrachteten sie, wie das Dehnen die Proteinreihenfolge, die Verbindung der Proteine untereinander und die Bewegung von Molekülen innerhalb der Fasern verändert.

Keten und Graham fanden heraus, dass das Dehnen die Proteine zum Ausrichten brachte, was die Gesamtstärke der Faser erhöhte. Sie fanden auch heraus, dass das Dehnen die Anzahl der Wasserstoffbrücken erhöhte, die wie Brücken zwischen den Proteinketten zur Bildung der Faser dienen. Der Anstieg der Wasserstoffbrücken trägt zur Gesamtstärke, Widerstandsfähigkeit und Elastizität der Faser bei, so fanden die Forscher heraus.

'Sobald eine Faser extrudiert wurde, sind ihre mechanischen Eigenschaften tatsächlich ziemlich schwach,' sagte Graham. 'Aber wenn sie bis zu sechsmal ihre ursprüngliche Länge gedehnt wird, wird sie sehr stark.'

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Um ihre computerbasierten Ergebnisse zu validieren, verwendete das Team spektroskopische Techniken, um zu untersuchen, wie die Proteinketten in echten Fasern des WashU-Teams gedehnt und ausgerichtet wurden. Außerdem wurde Zugversuchen durchgeführt, um zu sehen, wie viel Dehnung die Fasern tolerieren konnten, bevor sie brachen. Die experimentellen Ergebnisse stimmten mit den Vorhersagen der Simulation überein.

"Wenn man das Material nicht dehnt, hat man diese kugelförmigen Klumpen von Proteinen", sagte Graham. "Aber durch Dehnen verwandeln sich diese Klumpen in ein mehr miteinander verbundenes Netzwerk. Die Proteinketten stapeln sich aufeinander, und das Netzwerk wird immer stärker miteinander verbunden. Gebündelte Proteine haben mehr Potenzial, sich zu entfalten und weiter zu erstrecken, bevor die Faser bricht, aber anfänglich vorgestreckte Proteine sorgen für weniger dehnbare Fasern, die mehr Kraft zum Brechen benötigen."

Obwohl Graham früher dachte, Spinnen seien einfach gruselige Krabbeltiere, sieht er jetzt ihr Potenzial, echte Probleme zu lösen. Er merkt an, dass künstliche Spinnenseide eine stärkere, biologisch abbaubare Alternative zu anderen synthetischen Materialien bietet, die hauptsächlich aus Erdöl stammen Plastik.

"Ich sehe Spinnen definitiv mit anderen Augen", sagte Graham. "Früher dachte ich, sie seien lästig. Jetzt sehe ich sie als eine faszinierende Quelle."

Weitere Informationen: Jacob Graham et al, Das Umfeld der mechanischen Eigenschaften synthetischer Seidenfasern durch die Vorhersage des Herstellungsprozesses kartieren, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adr3833. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr3833

Journal-Informationen: Science Advances

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