KA111
20.01.2002, 09:02
STAHLHARTE FÄDEN
Forscher machen der Spinne Konkurrenz
Von Alexander Stirn
Mit Hilfe von Kuh- und Hamsterzellen ist es Wissenschaftlern gelungen, den Grundstoff von Spinnenseide im Labor zu produzieren. Die daraus gefertigten Fäden verfügen über erstaunliche Fähigkeiten.
Wenn Materialforscher vom Tierreich schwärmen, sind sie auf eine Kreatur besonders stolz: Ausgerechnet Spinnen - kleine, zerbrechliche wirkende Geschöpfe, die die meisten Menschen umgehend aus ihrer Wohnung verbannen - gehören zu den fähigsten Baumeistern der Welt.
Möglich machen das ihre Baumaterialien: Spinnenseide gilt als wahrer Wunderstoff - stärker als Kevlar, härter als Stahl, elastischer als Nylon, umweltfreundlicher als jede künstlich hergestellte Faser. Seit mehr als 100 Jahren versuchen Wissenschaftler und Unternehmer, die natürlichen Fähigkeiten der Spinnen in Labore und Werkshallen zu übertragen. Doch das Züchten und Melken der Tiere erwies sich als wenig effektiv. Und Versuche, die seidigen Spinnengene in andere Organismen einzupflanzen, blieben regelmäßig ohne brauchbares Ergebnis. Zumindest bislang.
Doch jetzt vermeldet ein kanadisches Unternehmen den Durchbruch. Wie Anthoula Lazaris von Nexia Biotechnologies im US-Wissenschaftsmagazin "Science" berichtet, ist es ihrem Team erstmals gelungen, durch menschliche Manipulation geschaffene Seidenproteine zu Spinnenfäden zu verarbeiten. Das Kunstprodukt habe sich dabei kaum von seinem natürlichen Vorbild unterschieden; in puncto Härte und Elastizität waren keine Abweichungen festzustellen, lediglich die Reißfestigkeit ließ etwas zu wünschen übrig.
Geholfen hat die Gentechnik: Um zu ihren Ausgangsstoffen für die Produktion von Spinnenseide zu kommen, haben die Forscher die Seidengene zweier verschiedener Arten von Radnetzspinnen isoliert. Die Ankerleinen, mit denen die Tiere ihre Netze sichern, gehören zu den stabilsten Seidenarten im Tierreich. Die Fasern sind fünfmal härter als ein gleich dicker Stahlfaden. Im Labor pflanzten die Nexia-Forscher schließlich die isolierten Gene in fremde Zellen ein.
Damit betraten sie nicht unbedingt Neuland. Seit zehn Jahren versuchen sich Wissenschaftler am Transfer der begehrten Seidengene, unter anderem sind auch Forscher des Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung in Gatersleben an derartigen Experimenten beteiligt. Doch egal, ob die Gene in Bakterien, Hefe oder Tabakpflanzen eingebaut wurden, bislang scheiterten die Versuche daran, die produzierten Seidenproteine aus den Zellen herauszubekommen. Oftmals verklumpten die potenziellen Seidenfäden, brüchige Fäden stellten noch das beste Resultat dar.
Nexia Biotechnologies
Manipulierte Zellen: Seidenproteine auf Bestellung
Das Team um Lazaris suchte daher eine leicht abgewandelte Variante: Als Ziel für die Gentransplantation wählten die kanadischen Forscher Säugetierzellen, die den Spinnendrüsen recht ähnlich sind. Als gut geeignet erwiesen sich die Euterzellen von Kühen und die Nierenzellen von Hamstern. Beide sind darauf angelegt, große Menge von Proteinen zu produzieren, die die Zelle leicht verlassen können.
Doch das Problem, aus den Proteinen seidige Fäden zu machen, blieb zunächst. Denn Spinnen verfügen am hinteren Ende ihres Körpers über hochspezialisierte Drüsen, die zwei unterschiedliche eiweißartige Substanzen produzieren. Nachdem diese Proteine die Drüse verlassen, vereinigen sie sich sofort zu den bekannten, äußerst stabilen Fäden. Welche Prozesse dabei genau ablaufen, darüber rätseln Forscher noch.
Zudem ist - anders als bei den herkömmlichen technischen Düsen - kein Druck im Spiel. In der Natur wird das Ende des Spinnenfadens irgendwo festgemacht: Anschließend bewegt sich die Spinne weiter und zieht den Faden aus sich heraus. Gepresst wird nicht.
Auf der Suche nach dem idealen Spinnmechanismus für ihre Proteine erhielten die Nexia-Tüfler Hilfe vom Militär. Steve Arcidiacono und Kollegen vom Natick Soldier Center in Massachusetts vertrauten dabei auf die Macht des Wassers: Die von den Kuh-Zelllinien produzierten Seidenproteine wurden in Wasser gelöst und mit einer winzige Spritze in eine Methanollösung übertragen. Von den plötzlich wechselnden Umweltbedingungen geschockt, ordneten sich die Proteinmoleküle in langen Ketten an.
"Die Eigenschaften von Spinnenseide nachzuahmen, galt viele Jahre lang als Heiliger Gral der Materialforschung", sagt Nexia-Chef Jeffrey Turner. "Jetzt haben wir es geschafft, brauchbare Fäden zu produzieren." Daher gelte es, möglichst bald industrielle Anwendungen zu finden. So könnte die Seide bei chirurgischen Nähten eingesetzt werden. Aber auch biologisch abbaubare Angelschnüre oder Schutzwesten für den militärischen Bereich rückten, so Turner, in den Bereich des Möglichen.
Zuerst müssen die Forscher aber an ihrer Technik arbeiten. Um die künstlichen Fäden den natürlichen Vorbildern ähnlicher zu machen, sollen sie demnächst - ähnlich wie im Spinnenkörper - aus zwei verschiedenen Proteinen hergestellt werden. Außerdem müssen die einzelnen Moleküle länger werden; bislang machen sie nicht einmal die Hälfte der natürlichen Seidenproteine aus.
Auch an einfacheren Methoden, an die Proteine zu kommen, tüfteln die Wissenschaftler. Das große Ziel: Eines Tages sollen die Gene in die Euter von Ziegen transferiert werden. Dann müssten die Seidenproteine nur noch aus der Milch extrahiert werden. Der Traum vom Melken würde sich doch noch erfüllen - auch wenn keine Spinnen, sondern Ziegen gemolken werden.
Spiegel
Forscher machen der Spinne Konkurrenz
Von Alexander Stirn
Mit Hilfe von Kuh- und Hamsterzellen ist es Wissenschaftlern gelungen, den Grundstoff von Spinnenseide im Labor zu produzieren. Die daraus gefertigten Fäden verfügen über erstaunliche Fähigkeiten.
Wenn Materialforscher vom Tierreich schwärmen, sind sie auf eine Kreatur besonders stolz: Ausgerechnet Spinnen - kleine, zerbrechliche wirkende Geschöpfe, die die meisten Menschen umgehend aus ihrer Wohnung verbannen - gehören zu den fähigsten Baumeistern der Welt.
Möglich machen das ihre Baumaterialien: Spinnenseide gilt als wahrer Wunderstoff - stärker als Kevlar, härter als Stahl, elastischer als Nylon, umweltfreundlicher als jede künstlich hergestellte Faser. Seit mehr als 100 Jahren versuchen Wissenschaftler und Unternehmer, die natürlichen Fähigkeiten der Spinnen in Labore und Werkshallen zu übertragen. Doch das Züchten und Melken der Tiere erwies sich als wenig effektiv. Und Versuche, die seidigen Spinnengene in andere Organismen einzupflanzen, blieben regelmäßig ohne brauchbares Ergebnis. Zumindest bislang.
Doch jetzt vermeldet ein kanadisches Unternehmen den Durchbruch. Wie Anthoula Lazaris von Nexia Biotechnologies im US-Wissenschaftsmagazin "Science" berichtet, ist es ihrem Team erstmals gelungen, durch menschliche Manipulation geschaffene Seidenproteine zu Spinnenfäden zu verarbeiten. Das Kunstprodukt habe sich dabei kaum von seinem natürlichen Vorbild unterschieden; in puncto Härte und Elastizität waren keine Abweichungen festzustellen, lediglich die Reißfestigkeit ließ etwas zu wünschen übrig.
Geholfen hat die Gentechnik: Um zu ihren Ausgangsstoffen für die Produktion von Spinnenseide zu kommen, haben die Forscher die Seidengene zweier verschiedener Arten von Radnetzspinnen isoliert. Die Ankerleinen, mit denen die Tiere ihre Netze sichern, gehören zu den stabilsten Seidenarten im Tierreich. Die Fasern sind fünfmal härter als ein gleich dicker Stahlfaden. Im Labor pflanzten die Nexia-Forscher schließlich die isolierten Gene in fremde Zellen ein.
Damit betraten sie nicht unbedingt Neuland. Seit zehn Jahren versuchen sich Wissenschaftler am Transfer der begehrten Seidengene, unter anderem sind auch Forscher des Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung in Gatersleben an derartigen Experimenten beteiligt. Doch egal, ob die Gene in Bakterien, Hefe oder Tabakpflanzen eingebaut wurden, bislang scheiterten die Versuche daran, die produzierten Seidenproteine aus den Zellen herauszubekommen. Oftmals verklumpten die potenziellen Seidenfäden, brüchige Fäden stellten noch das beste Resultat dar.
Nexia Biotechnologies
Manipulierte Zellen: Seidenproteine auf Bestellung
Das Team um Lazaris suchte daher eine leicht abgewandelte Variante: Als Ziel für die Gentransplantation wählten die kanadischen Forscher Säugetierzellen, die den Spinnendrüsen recht ähnlich sind. Als gut geeignet erwiesen sich die Euterzellen von Kühen und die Nierenzellen von Hamstern. Beide sind darauf angelegt, große Menge von Proteinen zu produzieren, die die Zelle leicht verlassen können.
Doch das Problem, aus den Proteinen seidige Fäden zu machen, blieb zunächst. Denn Spinnen verfügen am hinteren Ende ihres Körpers über hochspezialisierte Drüsen, die zwei unterschiedliche eiweißartige Substanzen produzieren. Nachdem diese Proteine die Drüse verlassen, vereinigen sie sich sofort zu den bekannten, äußerst stabilen Fäden. Welche Prozesse dabei genau ablaufen, darüber rätseln Forscher noch.
Zudem ist - anders als bei den herkömmlichen technischen Düsen - kein Druck im Spiel. In der Natur wird das Ende des Spinnenfadens irgendwo festgemacht: Anschließend bewegt sich die Spinne weiter und zieht den Faden aus sich heraus. Gepresst wird nicht.
Auf der Suche nach dem idealen Spinnmechanismus für ihre Proteine erhielten die Nexia-Tüfler Hilfe vom Militär. Steve Arcidiacono und Kollegen vom Natick Soldier Center in Massachusetts vertrauten dabei auf die Macht des Wassers: Die von den Kuh-Zelllinien produzierten Seidenproteine wurden in Wasser gelöst und mit einer winzige Spritze in eine Methanollösung übertragen. Von den plötzlich wechselnden Umweltbedingungen geschockt, ordneten sich die Proteinmoleküle in langen Ketten an.
"Die Eigenschaften von Spinnenseide nachzuahmen, galt viele Jahre lang als Heiliger Gral der Materialforschung", sagt Nexia-Chef Jeffrey Turner. "Jetzt haben wir es geschafft, brauchbare Fäden zu produzieren." Daher gelte es, möglichst bald industrielle Anwendungen zu finden. So könnte die Seide bei chirurgischen Nähten eingesetzt werden. Aber auch biologisch abbaubare Angelschnüre oder Schutzwesten für den militärischen Bereich rückten, so Turner, in den Bereich des Möglichen.
Zuerst müssen die Forscher aber an ihrer Technik arbeiten. Um die künstlichen Fäden den natürlichen Vorbildern ähnlicher zu machen, sollen sie demnächst - ähnlich wie im Spinnenkörper - aus zwei verschiedenen Proteinen hergestellt werden. Außerdem müssen die einzelnen Moleküle länger werden; bislang machen sie nicht einmal die Hälfte der natürlichen Seidenproteine aus.
Auch an einfacheren Methoden, an die Proteine zu kommen, tüfteln die Wissenschaftler. Das große Ziel: Eines Tages sollen die Gene in die Euter von Ziegen transferiert werden. Dann müssten die Seidenproteine nur noch aus der Milch extrahiert werden. Der Traum vom Melken würde sich doch noch erfüllen - auch wenn keine Spinnen, sondern Ziegen gemolken werden.
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