Wissenschaftlern ist es gelungen, die komplexe molekulare Struktur von Spinnenseide nachzubilden, indem sie sie mithilfe künstlicher Drüsen spinnen und so den Prozess der Natur zur Herstellung einer der härtesten Fasern der Welt nachahmen. Wissenschaftler glauben, dass dieser Durchbruch ein großer Schritt auf dem Weg ist, dieses äußerst anpassungsfähige und begehrte Material mit einem breiten Spektrum an realen Einsatzmöglichkeiten herzustellen.
Forschern des RIKEN Center for Sustainable Resource Science und des RIKEN Cluster for Pioneering Research gelang dieses Kunststück mit einer neuen Methode: Sie konstruierten eine künstliche Seidendrüse, die die physikalischen und chemischen Veränderungen im Körper der Spinne widerspiegeln sollte.
Es ist nicht einfach, künstliche Spinnenseide herzustellen, da es schwierig ist, diese komplexen biologischen Prozesse nachzubilden. Biopolymerfasern bestehen aus großen Proteinen mit sich stark wiederholenden Sequenzen, die als Spinnenseide bekannt sind. Betablätter sind molekulare Unterstrukturen in Spinnenseidenfasern, die sauber angeordnet sein müssen, um der Seide ihre beeindruckenden Eigenschaften zu verleihen.
Darüber hinaus erfordern künstliche Drüsen präzise mikrofluidische Mechanismen, die es Proteinen ermöglichen, sich selbst zu filamentösen Fasern zusammenzufügen, die nicht nur wie die echten Drüsen aussehen, sondern sich auch wie die echten verhalten.
„In dieser Studie haben wir versucht, mithilfe der Mikrofluidik-Technologie den Produktionsprozess natürlicher Spinnenseide zu simulieren, bei dem kleine Flüssigkeitsmengen in engen Kanälen fließen und manipuliert werden“, sagte Keiji Numata, der die Forschung bei RIKEN leitete. „Tatsächlich könnte man sagen, dass die Seidendrüse der Spinne ein natürliches mikrofluidisches Gerät ist.“
Die künstliche Drüse, die einem unscheinbaren rechteckigen Kasten mit entlang ihrer Länge verlaufenden vertieften Kanälen ähnelt, ist das Ergebnis von Versuchen und Irrtümern bei der Schaffung der richtigen Umgebung für das Funktionieren eines komplexen Prozesses wie in der Natur. Ein Fehler bestand darin, das Protein mit Gewalt durch das Mikrofluidsystem zu drücken. Es war ein Unterdruck erforderlich, um die Rückenmarkslösung durch das Gerät zu ziehen.
Nachdem diese Hürde jedoch überwunden war, gelang es dem Team, Endlosfilamentfasern mit ausgerichteten Beta-Blättern herzustellen, die dem Material naturähnliche Eigenschaften verliehen.
„Es ist überraschend, wie leistungsfähig das Mikrofluidiksystem sein kann, wenn unterschiedliche Bedingungen erst einmal geschaffen und optimiert sind“, sagte der leitende Wissenschaftler Ali Malay, Mitautor der Studie. „Der Aufbau der Fasern verlief spontan, extrem schnell und hoch reproduzierbar. Wichtig ist, dass die Fasern eine ausgeprägte Schichtstruktur aufwiesen, die man bei natürlichen Seidenfasern findet.“
„Hohe Reproduzierbarkeit“ ist ein Schlüsselmerkmal; Eine erfolgreiche Replikation hat Probleme mit der Skalierbarkeit und die Zucht von Spinnen ist aus logistischen und biologischen Gründen nahezu unmöglich. Eine kostengünstige und effiziente Produktion von Seide könnte die umweltschädliche Textilindustrie revolutionieren, und ihre Biokompatibilität macht sie zu einem idealen Kandidaten für eine Vielzahl medizinischer Anwendungen, darunter Nähte, künstliche Bänder und Bindegewebsoperationen.
„Idealerweise wollen wir einen realen Einfluss haben“, sagte Numata. „Um das zu erreichen, müssen wir die Faserproduktionsmethode skalieren und sie zu einem kontinuierlichen Prozess machen. Wir werden auch mehrere Metriken verwenden, um die Qualität der künstlichen Spinnenseide zu bewerten und darauf basierend weitere Verbesserungen vorzunehmen.“
Die Forschung wurde in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.