Spinnen kommen weltweit in nahezu allen Lebensräumen vor – von tropischen Regenwäldern bis hin zu arktischen Regionen. Viele von ihnen, die Webspinnen, bauen kunstvolle Netze oder kleiden Erdhöhlen mit ihrer Seide aus. Spinnenseide gilt als eine der stärksten natürlichen Fasern: Sie ist viermal belastbarer als ein gleichgroßer Stahlfaden, zäher als Kevlar und kann um das Dreifache gedehnt werden, ohne zu reißen. In Spinndrüsen am Hinterleibssegment befindet sich Seidenlösung, aus der die Spinne ihre Fäden herstellt. Für ihre Netze ziehen Spinnen an den Fäden und dehnen sie beim Herausführen.
Spinnenseide im Dehnungstest
Jacob Graham von der Northwestern University hat mit seinem Team nun erforscht, wie sich der Aufbau der Spinnenseide beim Dehnen verändert. „Forschende wussten bereits, dass dieses Dehnen oder Ziehen notwendig ist, um wirklich starke Fasern zu bilden“, erklärt sein Kollege Sinan Keten. „Aber man wusste nicht unbedingt, warum.“ Die Forschenden führten daher Computersimulationen durch, um den Aufbau und die Eigenschaften der Spinnenseide zu rekonstruieren. Dabei untersuchten sie auf Nanoskala, wie das Dehnen die Anordnung der Proteine, deren Verknüpfungen und die Bewegung der Moleküle innerhalb der Fasern beeinflusst.
Im Anschluss überprüften Graham und sein Team ihre Berechnungen in Laborversuchen mit künstlicher Spinnenseide. Seit langem interessiert sich die Wissenschaft für Spinnenseide, allerdings gestaltet sich die Zucht von Spinnen zur Gewinnung ihrer natürlichen Seide als aufwendig, kostspielig und energieintensiv. Aus diesem Grund versuchen Forschende vermehrt seidenähnliche Materialien im Labor zu synthetisieren. Im Experiment nutzte das Team spektroskopische Methoden, um zu beobachten, ob sich die Proteine der synthetischen Spinnenseide in der Realität genauso beim Dehnen verändern und ausrichten wie im Modell. Zusätzlich analysierten die Forschenden, wie viele Dehnungen die Fasern aushielten, bevor sie rissen.
Aufgereihte Proteine und mehr Wasserstoffbrücken
Die Tests bestätigten die Vorhersagen aus den Simulationen – und enthüllten, was in den gedehnten Spinnenfasern vor sich geht. Wie Graham und sein Team entdeckten, reihen sich die Proteine durch den Dehnungsprozess auf: Der Ziehvorgang sorgt dafür, dass die Proteinketten innerhalb der Fasern geordnet werden. „Wenn man das Material nicht dehnt, hat man kugelförmige Proteinkügelchen“, erläutert Graham. „Durch die Dehnung werden diese Kugeln jedoch zu einem zusammenhängenden Netzwerk.“
Zusätzlich stellten die Forschenden fest, dass durch das Dehnen die Anzahl der Wasserstoffbrücken zwischen den Proteinen anstieg. Dies führt zu einer Erhöhung der Gesamtfestigkeit und Zähigkeit der Faser, während gleichzeitig ihre Elastizität erhalten bleibt. Diese Verbindungen fungieren als Brücken zwischen den Proteinketten und stärkt somit das gesamte Gefüge. „Die Proteinketten stapeln sich übereinander, und das Netzwerk wird immer vernetzter. Gebündelte Proteine haben mehr Potenzial, sich zu entwirren und weiter auszudehnen, bevor die Faser bricht, aber anfänglich ausgedehnte Proteine ergeben weniger dehnbare Fasern, die mehr Kraft zum Brechen erfordern“, beschreibt Graham.
