Zum ersten Mal ist es Wissenschaftlern gelungen, mithilfe gentechnisch veränderter Seidenraupen Spinnenseidenfasern in voller Länge herzustellen. Die hohe Festigkeit und Zähigkeit der Seide verspricht eine skalierbare, nachhaltige und bessere Alternative zu bestehenden synthetischen Fasern wie Nylon. Der Erstautor Mi Junpeng, ein Forscher an der Fakultät für Biowissenschaften und Medizintechnik der Donghua-Universität in China, sagte: „Seidenseide ist derzeit die einzige tierische Seidenfaser, die in großem Maßstab kommerzialisiert wird und über eine perfekte Züchtungstechnologie verfügt. Daher kann durch die Verwendung gentechnisch veränderter Seidenraupen zur Herstellung von Spinnenseidenfasern eine kostengünstige Kommerzialisierung in großem Maßstab erreicht werden.“

Die Faser, aus der Seidenraupen ihre Kokons spinnen, wird seit Tausenden von Jahren kultiviert. Obwohl diese Faser reichlich vorhanden ist, gilt sie als spröde. Spinnen hingegen produzieren beneidenswert robuste Seide, doch der Anbau in großem Maßstab war schon immer unerreichbar. Die Forscher wiesen darauf hin, dass „die fleischfressende Natur der Spinnen ein Zusammenleben der Spinnen unmöglich macht, da sonst fast alle Individuen bis zum Tod kämpfen.“

Diese neueste Forschung bietet das Beste aus beiden Welten und verändert die Art und Weise, wie dieses schwer fassbare Naturmaterial nachhaltig hergestellt wird. Wissenschaftler versuchen seit mehr als einem Jahrzehnt, dieses bionische „Rezept“ zu perfektionieren.

Um Seidenraupen mit einzigartigen Spinnensinnen zu entwickeln, konzentrierten sich Mi und Kollegen auf ein kleines Seidenprotein der ostasiatischen Umlaufspinne Araneus ventricosus. Mithilfe der CRISPR-Cas9-Technologie wurde das MiSp-Protein in die DNA von Seidenraupen eingefügt und ersetzte das Gen, das für das Hauptseidenprotein von Seidenraupen kodiert.

Den Wissenschaftlern gelang es außerdem, Gene in der DNA der Seidenraupe gezielt anzusprechen und erfolgreich zu aktivieren, ohne irgendeinen anderen Aspekt der natürlichen Seidenproduktion der Seidenraupe zu beeinträchtigen.

„Das in diesem Papier vorgeschlagene ‚Positionierungs‘-Konzept sowie das vorgeschlagene minimale Strukturmodell sind ein großer Durchbruch gegenüber früheren Forschungen“, sagte Mi. „Wir glauben, dass die groß angelegte Kommerzialisierung unmittelbar bevorsteht.“

Die resultierenden Fasern übertrafen die Erwartungen der Forscher und wiesen eine hohe Zugfestigkeit (1.299 MPa) und Zähigkeit (319 MJ/m3) auf. Darüber hinaus war die Faser weitaus flexibler als erwartet; MiSp-Protein ist dafür bekannt, Seide zu produzieren, die stark, aber nicht dehnbar ist.

„Spinnenseide ist eine strategische Ressource, die dringend weiterentwickelt werden muss. Die in dieser Studie hergestellte Faser verfügt über extrem hohe mechanische Eigenschaften und großes Potenzial in diesem Bereich. Diese Faser kann als chirurgisches Nahtmaterial verwendet werden, um den Bedarf von mehr als 300 Millionen Operationen weltweit jedes Jahr zu decken.“

Die neuen Fasern haben ein breites kommerzielles Potenzial, darunter intelligente Materialien für das Militär, die Luft- und Raumfahrttechnik, die biomedizinische Technik und Bekleidung. Die resultierende Seide ist sechsmal stärker als das in kugelsicheren Westen verwendete Kevlar.

Die Forscher planen nun, gentechnisch veränderte Seidenraupen zu entwickeln, die natürliche und manipulierte Aminosäuren verwenden, um Spinnenseidenfasern herzustellen. Mi sagte: „Die Einführung von mehr als hundert manipulierten Aminosäuren hat den manipulierten Spinnenseidenfasern ein unbegrenztes Potenzial verliehen.“

Die Forschung wurde in der Zeitschrift Matter veröffentlicht.