COMPASS MAGAZINE #10
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NETZWISSENSCHAFTEN Forscher stehen bei der künstlichen Herstellung einer der stärksten natürlichen Substanzen kurz vor dem Durchbruch

Die außergewöhnliche Belastbarkeit, Flexibilität und Biokompatibilität machen Spinnenseide zu einem der bemerkenswertesten Materialien der Natur. Wissenschaftler sind auf einem guten Weg, synthetische Spinnenseide in Massenproduktion herstellen zu können. 

In einem Labor an der Medizinischen Hochschule Hannover untersuchen Wissenschaftler, wie man mit Spinnenseide Wunden behandeln und gerissene Sehnen und Nerven reparieren kann. Kürzlich konnten sie ein 6 cm langes Stück des Unterschenkelnervs eines Tiers erfolgreich durch Spinnenseide ersetzen. Die Nerven erneuerten sich in nur zehn Monaten.

„Spinnenseide ist stärker als Nylon, besitzt aber auch eine geringe Immunogenität und hat einen außergewöhnlich guten Einfluss auf den Heilungsprozess“, sagt Kerstin Reimers, Biologieprofessorin für Plastische, Hand-­ und Wiederherstellungschirurgie in Hannover. 

Weil Spinnenseide auf ihr Gewicht bezogen belastbarer ist als Stahl oder Kevlar und elastischer als Gummi, ist sie eines der angesagtesten Gebiete in der Materialforschung. Dort wird sie auf ihre Tauglichkeit für medizinische und militärische Einsätze sowie für hochfeste Industriekabel, dünne Folien und Beschichtungen getestet. 

UNENDLICH VIELE EINSATZMÖGLICHKEITEN 

„Es gibt zahlreiche Arten von Spinnenseide und viele von ihnen sind reißfest, dehnbar und langlebig“, sagt Cheryl Hayashi, Profes­sorin für Biologie an der US-amerikanischen University of California, Riverside, die schon seit über zwei Jahrzehnten die Genetik von Spinnenseide erforscht. „Diese Eigenschaften machen diese Fäden so erstaunlich widerstandsfähig, insbesondere wenn man bedenkt, dass die Seide fast schwerelos ist.“

Die größte Schwierigkeit besteht darin, das Material in ausreichender Menge herzustellen. Denn im Gegensatz zu Seidenraupen sind Spinnen kannibalisch veranlagt und ihre produzierte Seidenmenge ist gering. Es dauerte beispielsweise acht Jahre und bedurfte mehr als einer Million Madagaskar-­Seidenspinnen, um genug Seide für einen zwei Meter langen Schal zu produzieren, der 2012 im Londoner Victoria and Albert Museum ausgestellt wurde. Aus diesem Grund suchen Wissenschaftler nach einer Möglichkeit, Spinnenseide synthetisch herzustellen und somit die Abhängigkeit von lebenden Spinnen zu umgehen. 

EIN DURCHBRUCH BEI DEN GENSEQUENZEN 

Randy Lewis, der seit 2011 am Synthetic Bioproducts Center an der Utah State University (USA) arbeitet, ist ein Pionier der synthetischen Spinnenseidenproduktion und hat das Gen isoliert, das die Spinnenseidenproteine erzeugt. Während er noch als Professor für Molekularbiologie an der University of Wyoming (USA) tätig war, hat Lewis das Gen auf andere Organismen übertragen, darunter auch transgene Ziegen, in deren Milch dann auch Seidenproteine enthalten waren. Wenn diese aus der Milch extrahiert und gesponnen werden, entsteht eine Faser, die einige Eigenschaften der natürlichen Spinnenseide aufweist.

Lewis und sein Team erforschen auch Methoden für die Herstellung von Seidenproteinen aus Bakterien. 2014 konnten sie zwei Durchbrüche verzeichnen. „Zum einen konnten wir eine vier­- bis sechsmal größere Menge an Bakterien in einem Fermentationsgefäß erzeugen“, sagt Lewis. 

„SPINNENSEIDE IST STÄRKER ALS NYLON, BESITZT ABER AUCH EINE GERINGERE IMMUNOGENITÄT UND HAT EINEN AUSSERGEWÖHNLICH GUTEN EINFLUSS AUF DEN HEILUNGSPROZESS.“ 

KERSTIN REIMERS PROFESSORIN FÜR PLASTISCHE, HAND- UND WIEDERHERSTELLUNGSCHIRURGIE, MEDIZINISCHE HOCHSCHULE HANNOVER

„Zum anderen waren wir in der Lage, die Menge an Protein, die jedes Bakterium produziert, zu vervierfachen. Demzufolge sehen wir eine Erhöhung unserer Produktionskapazitäten um mindestens das Zehnfache.“ 

SEIDE AUS FERMENTIERTEN BAKTERIEN 

Spiber – ein Unternehmen ausge­gliedert aus der japanischen Keio Universität – hat Qmonos hergestellt. Das ist ein Material aus synthetischem Fibroin, einer Klasse von Proteinen, aus denen natürliche Seide besteht. Qmonos wird in einem mikrobiellen Fermentationsverfahren hergestellt, kann zu Fäden, Folien, Gels, Schwämmen und Puder weiterverarbeitet werden und wird für Anwendungen in der Automobil­-, der Luftfahrt­- und der Medizinbranche entwickelt.

„Spiber hat bis zum heutigen Tag über 400 Varianten von Qmonos entwickelt und synthetisiert“, sagt Kenji Higashi, der Marketingleiter des Unternehmens. „Im November 2013 haben wir den ersten Prototypen einer Produktions­anlage in Betrieb genommen, wo wir unseren Herstellungsprozess testen und optimieren können, und wir erwarten, dass die ersten industriell gefertigten Qmonos­-Produkte in den nächsten Jahren auf den Weltmarkt kommen werden.“ 

„SEIDENFÄDEN KÖNNEN FÜR DIE HERSTELLUNG HOCHWERTIGER FASERN UND GARNE VERWENDET WERDEN, ABER SIE KÖNNEN AUCH MIT ANDEREN MATERIALIEN FÜR DIVERSE MEDIZIN-, INDUSTRIE- UND KONSUMPRODUKTE VERMISCHT WERDEN.“ 

Cheryl Hayashi PROFESSORIN FÜR BIOLOGIE, UNIVERSITY OF CALIFORNIA, RIVERSIDE

Unterdessen hat die deutsche Firma AMSilk die vorklinischen Studien zu ihrer patentierten Beschichtung für Silikonimplantate, die aus rekombinanten Spinnenseidenproteinen bestehen, abgeschlossen. Im März 2013 gab die Firma bekannt, dass sie ein geschütztes Verfahren für die industrielle Herstellung von Spinnenseidenfäden entwickelt hatte. Seit November 2013 verkauft AMSilk seine Spinnenseidenproteine an die Kosmetikindustrie.

„Von den vielen möglichen Anwen­dungen für Spinnenseide war die wirt­schaftliche Herstellung einer kom­merziellen Faser stets die technisch größte Herausforderung“, sagt Lin Römer, Geschäftsführer von AMSilk und Leiter Forschung und Entwicklung. „Mit dem aktuellen Prozess haben wir gezeigt, dass eine kommerzielle Spinnenseidenfaser möglich ist.“ 

INNOVATIVE TEXTILIEN 

Ein weiterer Vorreiter auf dem Gebiet der Spinnenseide ist das US-­amerikanische Unternehmen Kraig Biocraft Laboratories in Lansing, Michigan. Seine transgenen Seidenraupen können mehrere Spinnen­seidenproteine erzeugen und diese zu stabilen Fäden verarbeiten.

„Zwar konnten einige die Spinnen­seidenproteine synthetisch herstellen, aber sie hatten keine Lösung dafür, wie sich solche Proteinfasern in großem Umfang produzieren lassen“, sagt Kim Thompson, Gründer und CEO von Kraig Biocraft Laboratories. „Es war nur logisch, die Spinnenseide von Seidenraupen produzieren zu lassen, weil diese Art der Seidenproduktion bereits kommerziell rentabel war.“ In Zusammenarbeit mit Dr. Malcolm Fraser, einem Professor für Molekular­biologie und Genetik an der University of Notre Dame in Indiana (USA), wendete Thompson ein Gen­-Splicing­-Verfahren an, um „Spinnenseidenraupen“ zu erschaffen. 2010 schlüpfte die erste Generation der „Monster Silk“ Seiden­raupen, die eine Mischform aus Spinnen­ und Seidenraupenseide produzieren.

„Seit wir im Oktober 2013 unser kommer­zielles Programm begannen, konnten wir bereits die von uns produzierte Seiden­menge verdoppeln“, sagt Thompson. „Unser kurzfristiges Ziel ist der Eintritt in den Textilmarkt. Normale Seide kostet meist 100 US-­Dollar pro Kilogramm, und ich kann eine Superseide anbieten, die zum selben Preis produziert wird.“ 

BESSER ALS DAS ORIGINAL? 

Bisher ist es noch keinem gelungen, eine synthetische Seide herzustellen, die alle Eigenschaften natürlicher Spinnenseide aufweist. Aber man ist nah dran.

„Derzeit sind unsere besten Fäden mit Kevlar vergleichbar, aber nur halb so gut wie natürliche Spinnenseide“, sagt Lewis von der Utah State University. Bei Spiber ist man auch optimistisch. „Einige unserer Qmonos­-Varianten übertreffen natürliche Spinnenseide in ihrer Belastbarkeit“, meint Higashi.

Thompson schätzt, dass Kraig Biocraft schon bald eine synthetische Spinnen­seide produzieren wird mit ebenso guten oder noch besseren Eigenschaften als die natürliche. „Wir sind gerade an einem Punkt, wo wir theoretisch eine Gensequenz nehmen und ein anderes Protein darin einfügen können, um der Seide eine neue Eigenschaft zu verleihen“, sagt Thompson. „Die Natur liefert die Inspiration für alles, was wir tun, aber sie ist nicht das Maß aller Dinge.“

von Rebecca Lambert Zurück zum Seitenbeginn
von Rebecca Lambert

https://www.youtube.com/watch?v=xossR6eHv3I