Viele Wissenschaftler möchten unbedingt die außergewöhnliche Fähigkeit von Spinnen verstehen, extrem starke, schwere und flexible Seidenfäden zu spinnen. Tatsächlich ist Spinnenseide stärker als Stahl und widerstandsfähiger als Kevlar. Bisher ist es jedoch niemandem gelungen, die Arbeit der Spinne nachzubilden.

Die Biophysikerin Irina Iachina von der Universität Süddänemark hält Seidenfasern in der Hand, die von der Goldspinne produziert werden. Bildnachweis: AndersBoe/Universität Süddänemark

Wenn wir synthetische Materialien mit diesen Eigenschaften entwickeln könnten, wäre eine ganz neue Welt möglich: Künstliche Spinnenseide könnte in der Industrie Materialien wie Kevlar, Polyester und Kohlefaser ersetzen, beispielsweise bei der Herstellung leichter, flexibler kugelsicherer Westen.

Irina Iachina, Postdoktorandin und Biophysikerin am Institut für Biochemie und Molekularbiologie der Universität Süddänemark (SDU), beteiligt sich am Wettlauf um die Formel für Superspinnenseide. Ihre Faszination für Spinnenseide entwickelte sie während ihres Masterstudiums an der University of Southern Denmark und forscht derzeit mit Unterstützung der Villum Foundation am MIT in Boston zu diesem Thema.

Die Biophysikerin Irina Iachina von der Universität Süddänemark untersucht Spinnenseide am Computer. Bildnachweis: AndersBoe/Universität Süddänemark

Im Rahmen ihrer Forschung arbeitet sie mit dem Biophysiker Jonathan Brewer zusammen, einem außerordentlichen Professor an der Universität Süddänemark, der sich mit der Verwendung verschiedener Mikroskope zur Untersuchung biologischer Strukturen auskennt.

Jetzt haben sie zum ersten Mal gemeinsam mithilfe der Lichtmikroskopie die innere Struktur von Spinnenseide untersucht, ohne sie auf irgendeine Weise aufschneiden oder öffnen zu müssen. Die Ergebnisse wurden jetzt in den Fachzeitschriften Scientific Reports und Scan veröffentlicht.

„Wir haben mehrere fortschrittliche Mikroskopietechniken eingesetzt und außerdem ein neues optisches Mikroskop entwickelt, das es uns ermöglicht, bis ins Innere der Fasern zu sehen“, erklärt Jonathan Brewer.

Spinnen mit goldenen Umlaufbahnen produzieren Seide von hinten. Bildnachweis: AndersBoe/Universität Süddänemark

Bisher wurde Spinnenseide mit verschiedenen Techniken analysiert, die alle neue Erkenntnisse lieferten. Wie Jonathan Brewer betont, haben diese Techniken jedoch auch Nachteile, da sie häufig das Schneiden der Fäden (auch Fasern genannt) in Abschnitte erfordern, um Querschnitte für die Mikroskopie zu erhalten, oder das Einfrieren der Proben, was die Struktur der Seidenfasern verändern kann.

„Wir wollten reine Fasern untersuchen, die nicht geschnitten, eingefroren oder auf andere Weise manipuliert wurden“, sagt Irina Iachina. Zu diesem Zweck nutzte das Team weniger invasive Techniken wie kohärente Anti-Stokes-Raman-Streuung, konfokale Mikroskopie, hochauflösende konfokale Fluoreszenzverarmungsmikroskopie, Raster-Heliumionenmikroskopie und Heliumionensputtern.

Verschiedene Studien haben gezeigt, dass Spinnenseidenfasern aus mindestens zwei äußeren Lipidschichten oder Fetten bestehen. Dahinter, also im Inneren der Fasern, befinden sich viele sogenannte Filamente, die in geraden Linien und dicht nebeneinander angeordnet sind (siehe Abbildung). Der Durchmesser der Fasern liegt zwischen 100 und 150 und liegt damit unter der Messgrenze gewöhnlicher optischer Mikroskope.

Abbildung aus dem Artikel „Scientific Reports“: Schematische Darstellung (nicht maßstabsgetreu) der vorgeschlagenen Struktur der in dieser Studie entdeckten Spinnenseidenfasern. (A) Faserseitenansicht, (B) Faserquerschnitt. Die äußere Schicht ist eine nichtleitende lipidreiche Schicht (grün) mit einer Dicke zwischen 0,6 und 1 Mikrometer, und die innere Schicht besteht aus zwei leitfähigen autofluoreszierenden Proteinschichten: eine mit einer starken Affinität zu FITC (blau) und die andere mit einer starken Affinität zu Rhodamin B (orange). Der innere Proteinkern besteht aus kristallinen Fasern, die parallel zur Längsachse der Faser ausgerichtet sind und von amorphen Proteindomänen umgeben sind. Bildnachweis: University of Southern Denmark Ichner/Brühl.

„Sie sind nicht so stark verdreht, wie die Leute dachten, daher wissen wir jetzt, dass es nicht nötig ist, sie zu verdrehen, wenn man versucht, synthetische Spinnenseide herzustellen“, sagte Iachina.

Die von Ichina und Brewer verwendeten Spinnenseidenfasern stammen von der Madagaskar-Goldohrspinne (Nephila Madagascariensis). Diese Spinne produziert zwei verschiedene Arten von Spinnenseide: Die eine heißt MAS (Major Ampullate Silkfibers) und wird zum Bau von Spinnennetzen verwendet. Außerdem handelt es sich um die Seide, die Spinnen zum Aufhängen verwenden und die als Lebensader der Spinnen angesehen werden kann. es ist sehr stark und hat einen Durchmesser von etwa 10 Mikrometern.

Die andere heißt MiS (Minor Ampullate Silk Fiber) und ist ein Hilfsmaterial für den Bau. Es ist elastischer und hat typischerweise einen Durchmesser von 5 Mikrometern. Laut der Analyse des Paares enthält MAS-Seide Fasern mit einem Durchmesser von etwa 145 Nanometern. Der Durchmesser von MiS beträgt etwa 116 Nanometer. Jede Faser besteht aus Protein, und es sind viele verschiedene Proteine ​​beteiligt. Diese Proteine ​​werden von Spinnen produziert, wenn sie Seidenfasern herstellen.

Es ist wichtig zu verstehen, wie sie so starke Fasern erzeugen, aber ihre Herstellung ist auch eine Herausforderung. Daher verlassen sich Forscher auf diesem Gebiet häufig auf Spinnen, um Seide für sie zu produzieren.

Alternativ können sie auf rechnerische Methoden zurückgreifen, woran Irina-Ichna derzeit am MIT arbeitet: „Im Moment mache ich Computersimulationen, wie Proteine ​​in Seide umgewandelt werden. Das Ziel ist natürlich, zu lernen, wie man künstliche Spinnenseide herstellt, aber ich bin auch daran interessiert, den Menschen zu helfen, die Welt um uns herum besser zu verstehen.“