Kleidung aus biologisch inspirierten Super-Fasern – diesem Ziel sind Forscher nun einen Schritt nähergekommen. Um die bisher mangelnde Ausbeute bei der Herstellung von synthetischer Spinnenseide zu erhöhen, haben sie ein weiteres Bio-Patent erfolgreich genutzt: Durch die Kombination mit einem klebrigen Muschelfuß-Protein ließ sich ein neues Spinnenseiden-Fusions-Material in großen Mengen herstellen. Daraus gewonnene Fasern sind zudem besonders stark und zäh. Dies könnte zu einer rentablen Produktionsmöglichkeit für leistungsstarke und nachhaltige Textilien führen, sagen die Wissenschaftler.
Keine Kunstfaser kann es mit dem Patent der Spinnen aufnehmen, denn ihre Seidenfäden weisen eine erstaunliche Merkmalskombination auf: Sie sind enorm fest und zäh, aber dennoch leicht und flexibel. Damit steckt großes Potenzial für den Menschen in diesem auf Proteinstrukturen basierenden Material. Es in brauchbaren Mengen auf natürliche Weise zu gewinnen, ist allerdings nicht möglich. Denn Spinnen eignen sich nicht wie Seidenraupen für eine Massenproduktion ihrer Fäden. Um das Material dennoch nutzbar zu machen, arbeiten Forscher bereits seit einiger Zeit daran, Seidenproteine auf biotechnologischem Wege herzustellen. Dazu wird der genetische Bauplan der Substanz in Bakterien eingefügt, sodass sie das Grundmaterial für die Faserproduktion bilden.
Bakterien produzieren Spinnenseide
Grundsätzlich ist die Gewinnung von rekombinanter Spinnenseide dem Team um Seniorautor Fuzhong Zhang von der Washington University in St. Louis schon 2018 geglückt. Doch bisher hat dies bekanntlich nicht zu Spinnenseiden-Produkten auf dem Markt geführt. Der Grund dafür ist die bisher mangelnde Ausbeute. Sie ist auf die limitierte Fähigkeit von Bakterien zurückzuführen, sehr langkettige Proteine herzustellen, erklärt Zhang: “Die hervorragenden mechanischen Eigenschaften von natürlicher Spinnenseide beruhen auf besonders langen und sich wiederholenden Proteinsequenzen. Es hat sich als äußerst schwierig herausgestellt, Bakterien dazu zu bringen, eine große Anzahl solcher Proteine zu produzieren“, sagt der Wissenschaftler.
Doch wie er und seine Kollegen berichten, haben sie eine Lösungsmöglichkeit für das Problem entdeckt: Sie kamen auf die Idee, die Bakterien kleinere Seidenprotein-Stücke herstellen zu lassen, die sich anschließend verketten. “Wir suchten dazu nach Proteinen, die mit Seidenfragmenten verschmolzen werden können, um dann eine molekulare Interaktion zu fördern. Und tatsächlich haben wir solche Proteine gefunden und zwar im Zuge unserer Arbeiten, die wir bereits an Muschelfuß-Proteinen durchgeführt haben”, sagt Zhang.
Muscheln scheiden diese Klebe-Proteine aus, um sich an Objekten zu befestigen. Zhang und sein Team haben bereits Bakterien auf gentechnischem Wege dazu gebracht, diese Proteine zu produzieren. Sie lassen sich dann etwa als Klebstoffe für biomedizinische Anwendungen nutzen. Im Rahmen dieser Untersuchungen zeigte sich, dass die Muschelfuß-Proteine auch untereinander eine starke Bindungskraft aufweisen. So kamen die Forscher auf die Idee, sie mit den Spinnenseiden-Proteinen zu kombinieren. Durch gentechnische Verfahren gelang es ihnen dann tatsächlich, jeweils ein Muschelfuß-Protein-Stück an die Enden einer verkürzten Seidenprotein-Sequenz zu setzten.
Hohe Ausbeute und Leistungsstärke
Wie sich bestätigte, können Bakterien diese relativ kurzen Spinnenseiden-Fusionsproteine vergleichsweise effektiv bilden: Bei der mikrobiellen Produktion der Fusions-Seide ist die Ausbeute achtmal höher als bei den bisherigen rekombinanten Seidenproteinen, stellte das Team fest. Indem sie sich anschließend verketten, entsteht dann der Grundstoff zur Herstellung von neuartigen Spinnenseiden-Fasern. Auf diese Weise lassen sich beachtliche acht Gramm Fasermaterial aus einem Liter Bakterienkultur gewinnen. Doch taugen diese Strukturen auch etwas? Untersuchungen und Tests der Leistungsfähigkeit dieser sogenannten btMSilk-Fasern zeigten, dass sie die früheren Versionen sogar noch deutlich übertreffen.
Es handelt sich dem Team zufolge damit um einen Durchbruch bei der Herstellung von synthetischer Spinnenseide, der den Weg in eine neue Ära der nachhaltigen Bekleidungsproduktion ebnen könnte. Denn höhere Ausbeuten sind entscheidend, wenn die bio-inspirierte Seide in alltäglichen Anwendungen eingesetzt werden soll. “Da unsere Seide aus einfachen Rohstoffen mithilfe von Bakterien hergestellt wird, könnte sie einen erneuerbaren und biologisch abbaubaren Ersatz für aus Erdöl gewonnene Fasermaterialien wie Nylon und Polyester darstellen”, so Zhang.
Quelle: Washington University in St. Louis, Fachartikel: Nature Communications, doi: 10.1038/s41467-023-37563-0
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