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Aktualisiert: 26.09.2014, 15:36 Uhr

Wie Spinnen ihre Fäden weben Reißfest, leicht, perfekt

Spinnfäden sind ein faszinierendes Material, das inzwischen auch für technologische Zwecke eingesetzt wird. Jetzt zeigen Forscher im molekularen Detail, wie Spinnen beim Weben vorgehen.

von Hildegard Kaulen
© dpa Tautropfen auf einem Spinnenetz

Spinnfäden sind ein faszinierendes Material: leichter als eine Brise, elastischer als ein Gummiband und reißfester als Stahl. Spinnen schützen damit ihre Eier und fangen ihre Beute ein. Man kann aus Spinnenseide aber auch schusssichere Westen, medizinisches Nahtmaterial oder gut verträgliche Hüllen für Brustimplantate machen. Die Chemiker tun sich schwer, die Eigenschaften der Spinnenseide zu kopieren. Sie würden auch gerne das flinke und mühelose Weben nachahmen können. Die Spinnen schaffen es nämlich, die losen Seidenproteine zuhauf zu speichern und erst bei Bedarf in Sekundenbruchteilen zu einem Spinnfaden zusammenzusetzen - ohne spezielle Anforderungen an die Umgebungstemperatur oder die Druckverhältnisse. Forscher um Anna Rising vom Karolinska Institut in Stockholm haben jetzt die molekularen Details dieses Prozesses aufgeklärt („Plos Biology“, doi: e1001921).

Die Spinnen brauchen dafür dreierlei: ein zunehmend saurer werdendes Milieu in Spinndrüse und Spinnkanal, ein Protein, das dieses pH-Gefälle aufbaut, und die Anfangs- und Endbereiche der riesigen Seidenproteine, die unter den saurer werdenden Bedingungen im Spinnkanal entgegengesetzte Eigenschaften annehmen und über diese Veränderungen die Bildung der Fasern und deren Quervernetzung steuern. Das haben die Wissenschaftler bei der auf dem amerikanischen Kontinent heimischen Goldenen Seidenspinne herausgefunden.

Festgezurrte Proteine

Rising und ihre Kollegen konnten zeigen, dass sich der immer enger werdende Spinnkanal um mindestens zwei pH-Einheiten ansäuert. Dabei haben sie nur den Anfangsbereich bis zur Mitte vermessen, weil der Spinnkanal zum Ende hin so schmal wird, dass die Elektroden zu wuchtig waren. Dieser Abfall ist weit steiler als bisher angenommen. Am Anfang des Spinnkanals ist der pH-Wert noch neutral. Unter diesen Bedingungen bleiben die Seidenproteine auf Distanz zueinander. Wenn das Milieu dann zunehmend saurer wird, verbinden sich die Seidenproteine über ihre Anfangsbereiche. Dabei wird diese Verbindung immer fester, je saurer das Milieu auf dem Weg durch den Spinnkanal wird. Die Proteine werden dadurch regelrecht festgezurrt. Gleichzeitig lockern sich die Enden der Seidenproteine auf und werden auf eine molekulare Art und Weise klebrig. Dadurch können sich mehrere dicht nebeneinanderliegende Seidenproteine zu einer festen Faser verbinden.

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Über die Anfangsbereiche werden die Seidenproteine fest vernetzt, über die Enden zu Fasern versponnen. Das Enzym, das den pH-Gradienten aufbaut, ist eine sogenannte Carboanhydrase, die in vielen biologischen Systemen das Säure-Basen-Gleichgewicht reguliert und auch im Magen des Menschen oder im Blutplasma vorkommt. Die Ergebnisse sind aber auch in anderer Hinsicht bemerkenswert. Alzheimer-Plaques entstehen offensichtlich ähnlich wie die Spinnfäden. In beiden Fällen entwickeln bestimmte Bereiche der beteiligten Proteine eine Art Klebrigkeit, die bei der Alzheimer-Demenz zu Plaques führt und im Spinnkanal zu festen Spinnfäden. Vielleicht helfen die Erkenntnisse aus der Spinnenforschung auch den Alzheimer-Experten weiter.

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