In den Comics schleudert Spiderman seine Spinnenseide nach Belieben. Im wirklichen Leben ist die Herstellung von künstlicher – oder synthetischer – Spinnenseide nicht annähernd so einfach. Aber Forscher haben jetzt einen Weg gefunden, die flexiblen und doch superstarken Stränge herzustellen.

„Jetzt können wir es so machen, wie es die Spinnen machen“, sagt Anna Rising.

Sie arbeitet an der Schwedischen Universität für Agrarwissenschaften in Uppsala und am Karolinska-Institut in Stockholm, Schweden. Als medizinische Biochemikerin untersucht sie chemische Prozesse, die in Lebewesen wichtig sind. Rising wurde zunächst Tierärztin. Dann begann sie sich für die Herausforderung zu interessieren, synthetische Spinnenseide herzustellen. Sie könnte eine große Hilfe für die Medizin, für die Fertigung und sogar für die Herstellung von Ausrüstung zum Schutz von Soldaten sein.

Rising tat sich mit Jan Johansson zusammen, einem anderen medizinischen Biochemiker an diesen Schulen. Spinnenseidenproteine interessierten ihn aufgrund seiner Arbeit über die Alzheimer-Krankheit. Bei dieser Krankheit verklumpt ein Protein im Gehirn. Diese Klumpen blockieren die normalen Gehirnfunktionen und schädigen die Nervenzellen. Und wie die Proteine zusammenkommen, ist in beiden Fällen ähnlich.

Die Idee für das neue Verfahren entwickelte sich, als die Wissenschaftler untersuchten, was Spinnen in der Natur tun.

Jedes Molekül des Spinnenseidenproteins ist wie eine lange Kette mit drei Grundteilen. Der längste Teil besteht aus Segmenten, die sich immer wiederholen (die so genannten „Repeats“). Wenn man sich diesen langen Teil unter einem Hochleistungsmikroskop ansieht, sieht er aus wie Türme aus gestapelten Legosteinen, die durch Federn verbunden sind, erklärt Randy Lewis. Er ist Biochemiker an der Utah State University in Logan und hat nicht an dem Projekt mitgearbeitet. Die Lego-Stapelbereiche sorgen für die Festigkeit, erklärt er. Die federnden Abschnitte verleihen dem Material Elastizität oder Dehnung.

Ein separater Teil des Spinnenseidenproteins befindet sich am Anfang dieses langen Abschnitts. Ein anderer Teil hängt am Ende an. Die Seidenproteine können sich beim Spinnen der Seide aneinander verhaken. So entstehen lange Seidenfasern.

Spinnen haben Drüsen in ihrem Unterleib, die die Seidenproteine in einer wässrigen Lösung enthalten. Um synthetische Spinnenseide herzustellen, brauchte Risings Team Bausteine, die ein ähnliches Ausgangsprotein bilden würden.

Rising begann mit dem Sammeln von Fangspinnen aus Südafrika. (Ihr wissenschaftlicher Name ist Euprosthenops australis.) Dann untersuchten sie, Johansson und andere Forscher die Seide der Spinne und ihre Gene. Auf diese Weise fanden sie heraus, welcher Teil des genetischen Codes der Spinne das Seidenprotein herstellt. Um viele Kopien dieser DNA-Abschnitte herzustellen, verwendeten sie ein Verfahren, das als Polymerase (Puh-LIM-ur-ace) Kettenreaktion oder PCR bezeichnet wird.

Die Gruppe um Rising und Johannsson hat dieses genetische Material dann in DNA-Stücke gepackt, die sich leicht in Bakterien einfügen ließen. Das Bakterium fügte diese Teile in seine DNA ein und konnte nun Teile der natürlichen Seide herstellen. Aber es gab ein Problem. Die kleinen Mengen, die sie herstellten, waren in Wasser nicht sehr gut löslich. Das bedeutete, dass das Team nicht in der Lage war, sie in eine wässrige Lösung zu mischen, wie sie in den Seidendrüsen der Spinnen enthalten ist.

In der Zwischenzeit haben chinesische Forscher ähnliche Arbeiten mit einer asiatischen Spinne, Araneus ventricosus, durchgeführt. Die beiden Gruppen taten sich zusammen und entwickelten ein Hybridprotein. Sie wählten von jeder Spinnenart die Teile aus, die am besten in Wasser löslich waren. Der Anfangsteil stammte aus der Seide der afrikanischen Spinne. Der Endteil stammte von der asiatischen Spinne. Für den mittleren Teil verwendeten die Forscher zwei Wiederholungen aus der afrikanischen Spinne. (Das natürliche Seidenprotein dieser Spinne hat etwa 100 solcher Wiederholungen.)

Das Team brachte Bakterien dazu, dieses Hybridprotein herzustellen. Dann stellten sie eine Lösung des Proteins in Wasser her, die auf bis zu 50 Prozent konzentriert war. Das entspricht der Konzentration in Spinnendrüsen.

Die Proteine zur Herstellung von Fasern bringen

Als nächstes kam die Herausforderung, die Proteine zu Fasern zu spinnen. Wenn die Drüse einer Spinne die Lösung auspumpt, sinkt der pH-Wert der Lösung. (Die pH-Skala misst, wie sauer etwas ist. Je niedriger der pH-Wert, desto saurer ist es.) Risings Gruppe fand heraus, dass sie etwas Ähnliches tun musste.

Um die Art und Weise nachzuahmen, wie Spinnenseide saurer wird, wenn sie ausgesponnen wird, pumpt das neue Verfahren der Gruppe die Lösung durch ein dünnes Rohr. Der Durchmesser der Rohrspitze verengt sich am Ende. Dadurch wird die Proteinlösung in einen Strahl gepresst. Dieser Strahl mündet in ein Becherglas mit einer sauren Lösung auf Wasserbasis. Wenn der Proteinstrahl durch diese Flüssigkeit fließt, sinkt sein pH-Wert. Die einzelnen Proteine verbinden sich dann. Dadurch fallen sie als Fasern aus der Lösung heraus. Der resultierende Kunstseidenstrang kann aus dem Becherglas gezogen und auf eine Spule oder eine Karte aufgewickelt werden.

Die Studie des Teams erscheint in der Ausgabe vom 9. Januar in Nature Chemical Biology.

Für noch stärkere Seide

Lewis‘ Gruppe an der Utah State hatte es bereits geschafft, Spinnenseidenproteine in Wasser aufzulösen. Im Jahr 2015 berichteten diese Forscher, dass sie diese mit einer anderen Methode zu einer Seide verarbeitet haben. Der Proteingehalt in dieser Lösung war jedoch viel geringer als der von Risings Gruppe erzielte Wert.

Lewis stellt fest, dass das von Rising und Johanssons Gruppe hergestellte Seidenprotein nur einige wenige Wiederholungen aufweist. Mehr Wiederholungen in dieser Seide würden die Stränge stärken, vermutet er.

Johansson stimmt zu, dass es besser wäre, mehr Wiederholungen zu haben. Außerdem ist er der Meinung, dass es wichtig ist, das Protein gut löslich zu halten. Und dazu trägt der kürzere Wiederholungsabschnitt wahrscheinlich bei. Aber die mit dem neuen Verfahren hergestellte Seide ist bereits etwa ein Drittel so stark wie natürliche Spinnenseide. Dennoch hat sie nur zwei Prozent so viele Wiederholungen wie die Seide der südafrikanischen Spinne.

Die neue Arbeit ist wichtig, sagt Lewis. „Sie bietet eine interessante Möglichkeit, den Spinnprozess erheblich zu vereinfachen.“ Und er fügt hinzu: „Wenn es bei großen Proteinen funktioniert, ist es ein möglicher großer Fortschritt.“

Schließlich ist es unpraktisch, Spinnen zu züchten, um natürliche Seide zu sammeln. Jede Spinne müsste allein gezüchtet werden, da sie sich sonst gegenseitig auffressen könnte. Und es gäbe noch andere Herausforderungen.

Eine synthetische Seide könnte vielseitig einsetzbar sein. „Spinnenseide hat eine einzigartige Kombination aus Festigkeit und Elastizität“, so Lewis. In der Medizin könnte Spinnenseide als Nahtmaterial dienen. Sie könnte Sehnen reparieren. Sie könnte beschädigten Nerven helfen, sich selbst zu reparieren. Sie könnte sogar ein Gerüst für die Züchtung von Ersatzgeweben im Labor bilden.

Für das Militär könnte synthetische Spinnenseide in Schutzkleidung eingesetzt werden. Die starken Fasern könnten zum Beispiel verhindern, dass winzige Fragmente von Sprengkörpern in die Haut eindringen und Infektionen verursachen. In der Industrie könnte spinnenartige Seide zur Herstellung starker, leichter Teile für Flugzeuge oder Autos verwendet werden. „Eines der Dinge, die wir entdeckt haben, ist, dass man sie nicht einmal zur Herstellung von Fasern verwenden muss“, sagt Lewis. Die Proteine könnten in Beschichtungen, Gelen, Filmen oder Klebstoffen verwendet werden.

Es muss noch mehr Arbeit geleistet werden, bevor diese Kunstseide für die Massenproduktion bereit ist. Doch nach 13 Jahren ist Rising froh, dass ihr internationales Team endlich einen Weg gefunden hat, die Art und Weise nachzuahmen, wie Spinnen ihre eigene Seide spinnen. „Es ist eines der Projekte, bei denen im Grunde alles funktioniert“, sagt sie.

Dieser Artikel ist Teil einer Reihe von Nachrichten über Technologie und Innovation, die durch die großzügige Unterstützung der Lemelson Foundation ermöglicht wird.