Genmodifizierte Spinnenseide ist noch stärker

Aufgewickelte Spinnenseide neuer Art ist stärker (Foto: Jingyao Li/wustl.edu)

St. Louis (pte021/21.07.2021/13:30) - Ingenieure der Washington University http://wustl.edu haben sogenannte Amyloid-Seiden-Hybridproteine entwickelt, die fester und widerstandsfähiger sind als natürliche Spinnenseiden. Die Proteine werden allerdings nicht im Labor hergestellt, sondern von Bakterien, deren Gene der Forscher Fuzhong Zhang verändert hat.

Kristallanordnung optimiert

Zhang arbeitet seit Jahren daran, Spinnenseide für technische Anwendungen im Labor biotechnisch herzustellen. 2018 konnte er einen ersten Erfolg melden. Er hatte Bakterien so manipuliert, dass sie Spinnenseide produzierten, deren Leistung in allen wichtigen mechanischen Eigenschaften mit ihren natürlichen Gegenstücken vergleichbar war.

"Dann fragte ich mich, ob wir nicht ein noch besseres Material produzieren können", so Zhang. Gemeinsam mit seinem Doktoranden Jingyao Li machte er sich daran, die Aminosäuresequenz von natürlicher Spinnenseide zu verändern. Die Forscher erkannten, dass die Festigkeit der Spinnenseide nicht zuletzt auf eingebauten Nanokristallen beruht. Im Laufe der Evolution hätten sich die Zahl und die Anordnung dieser Kristalle immer weiter verbessert. Es sei kaum möglich, ausreichende Mengen an Nanokristallen dieser Art in künstlich hergestellter Spinnenseide zu platzieren.

Umbau des Seidenproteins

Um dieses Problem zu lösen, haben die Experten das Seidenprotein umgebaut, indem sie die Reihenfolge seiner Bausteine veränderten und sogenannte Amyloidsequenzen einbauten, die eine starke Tendenz zur Bildung der gewünschten Nanokristalle aufweisen. Es entstand ein Seidenprotein mit zahlreichen aneinandergereihten Bausteinen. Je länger diese Kette ist, desto stärker und zäher ist die Faser.

Eine Kette mit 128 Gliedern kam auf einen Wert im Gigapascal-Bereich. Zum Vergleich: Die Zugfestigkeit von Metallen liegt im Megapascal-Bereich. Trotz ihrer überragenden Eigenschaften ist diese künstliche Spinnenseide einfacher aufgebaut als natürliche, sodass sie von genmanipulierten Bakterien leichter herzustellen ist. Zhang glaubt, dass er bei der Entwicklung von Hochleistungsfasern noch lange nicht am Ende ist. "Wir können die Biologie so weiterentwickeln, dass wir die Natur übertreffen", meint der Forscher.

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