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Biotech-Fasern mit naturidentischer Belastbarkeit

Spinnenseide

Wenn von „Seide“ die Rede ist, denkt man zunächst nicht an Spinnenseiden, sondern an Textilfasern, die aus dem Kokon der Seidenraupe gewonnen werden. Aber daneben faszinieren auch die Seiden von Spinnen die Menschen seit jeher.

Abb. Vergleich der Belastbarkeit (Bruchenergie) verschiedener Fasermaterialien mit natürlicher und biotechnologischer (Biosteel; Spinnenseide). In der Fotografie ist eine Rolle Biosteel dargestellt.

Für den Menschen ist die Seidenspinnerraupe der wichtigste Produzent ­natürlicher Seide. Ein Grund für einen hohen wirtschaftlichen Wert der Seide ist der große technische Aufwand bei der Herstellung dieses Naturstoffs. So müssen für 0,5kg Seide 1.700 Raupen mit fast 60kg Maulbeerblättern gefüttert werden. Es dauert etwa zehn Stunden, um die 1.700 Kokons zu haspeln und noch länger, sie zu weben [1]. Um 300 v. Chr. beschrieben griechische Geschichtsschreiber den Einsatz von Spinnennetzen u.a. als Wundauflagen, da Spinnenseidenfasern nicht nur extrem stabil und dehnbar sind, sondern auch keine entzündlichen oder allergischen Reaktionen auslösen. Dadurch entsteht eine einzigartige Kombination aus enormer mechanischer Stabilität (insbesondere Belastbarkeit) und biomedizinisch nutzbarer Eigenschaften. Doch wenn das Material so einzigartig ist, warum hat es dann bisher noch keinen Einzug in kommerzielle Produkte gefunden?

Textilseide der Seidenspinnerraupe wird i.d.R. auf großen Farmen gewonnen. Im Gegensatz ­dazu kann Spinnenseide nicht auf Farmen produziert werden, da Spinnen meist kanni­balistisch sind und nicht in großer Zahl auf engstem Raum gezüchtet werden können. Eine Seidenproduk­tion in einer Spinnenzucht ist daher nur in Einzelhaltung möglich, wobei die Seide manuell aus den Spinnwarzen der Spinne gezogen werden muss, was eine groß angelegte Produktion zusätzlich erschwert. Daher ist es für eine industrielle Produktion unumgänglich, die den Spinnenseidenfasern zu Grunde liegenden Biopolymere (Spinnenseidenproteine) biotechnologisch herzustellen und danach technisch zu Fasern (oder anderen Formkörpern) zu verarbeiten. Es war jedoch zum einen lange nicht möglich, eine industriell skalierbare (biotechnologische) Spinnenseidenproteinproduktion zu etablieren, zum anderen gelang es nicht, artifi­zielle Spinnenseidenfasern herzustellen, die naturidentische (mechanische) Eigenschaften aufzeigten. In zweitem Fall war es notwendig, den natürlichen Spinnprozess der Spinne im Detail zu entschlüsseln, um einen neuen biomimetischen (bionischen) Spinnprozess zu etablieren.

Besondere Spinnenseide

Spinnen sind Seidenspezialisten, jede der über 41.000 Arten hat ein eigenes Set an Seidenfäden zur Verfügung. ­Dabei beherrscht jede Spinne meist mehr als zwei Fadenarten, die unterschiedliche Eigenschaften – abhängig von der jeweiligen Funktion – aufweisen. Spinnenseiden können fester als Stahl und dehnbar wie Gummi sein. Dadurch ergibt sich eine spezifische Belastbarkeit der Spinnenseide von 150 bis 500MJ/m3, je nach Spinnenseidentypus, die die spezifische Belastbarkeit ­aller bekannten künstlichen und natürlichen Fasermaterialien (z.B. Kevlar, Nylon, Gummi, Stahl) um ein Vielfaches übertrifft (Abb. 1) [2]. Spinnenseide ist bakteriostatisch und vollständig recycelbar (Spinnen verdauen ihre eigenen Netze, um die Proteinbestandteile zu recyceln), sie ist leicht und wasserfest, besitzt aber trotzdem ein hohes reversibles Wasseraufnahmevermögen.

Da eine industrielle Gewinnung von Spinnenseide durch Domestikation und Zucht von Spinnen nicht möglich ist, wurden seit den 1980er-Jahren unterschiedliche Anstrengungen unternommen, die Erbinformation der Spinnenseide in industriell produzierbare Mikroorganismen wie Hefen (Pichia pastoris) oder Bakterien (Escherichia coli) einzubauen und so Spinnenseidenproteine biotechnologisch herzustellen. Allerdings scheiterten die Versuche an einer unterschiedlichen Verschlüsselung der Erbinformation (die sog. codon usage) bei Spinnen und Mikroben. Andere Versuche, die Proteine in der Milch transgener Ziegen zu produzieren, funktionierten zwar im Prinzip, scheiterten aber an anderen Problemen wie einer unzureichenden Aufreinigungsmöglichkeit. Es wurde eine alternative Strategie verfolgt, in der die Erbinformation, die der Spinnenseide zu Grunde liegt, und deren Verschlüsselung an einen bakteriellen Wirts­organismus angepasst wurden. Derartig angepasste Gene können z.B. in E.-coli-Bakterien in traditionellen Fermentationsprozessen exprimiert werden, wodurch naturidentische Spinnenseidenproteine entstehen [3]. Diese Technologie wurde inzwischen von der Firma AMSilk GmbH (Martinsried) skaliert und im Industriemaßstab validiert. Nach der Bakterienernte werden die biotechnologisch hergestellten Spinnenseidenproteine von Zelltrümmern und anderen bakteriellen Bestandteilen abgetrennt. ­Danach können die Spinnenseidenproteine prozessiert werden, um ­Fäden, aber auch andere Formkörper wie z.B. Vliesstoffe, Partikel, Folien oder ­Hydrogele zu erzielen [4].

Biomimetische Spinnenseidenfasern

Spinnenseidenproteine werden in der ­Natur durch einen ausgeklügelten Mechanismus versponnen, dessen Überführung in ein technisches Verfahren wie bei vielen Naturprozessen nicht trivial ist, v.a. weil es sich nicht, wie man aus Spiderman-Comics schlussfolgern könnte, um simple Extru­sionsprozesse handelt. Im Naturprozess werden chemische mit physikalischen Abläufen verknüpft [2]. Das stellt Wissenschaftler und Ingenieure vor eine große Herausforderung, da es dafür in der Industrie und Technik kein etabliertes Spinnverfahren gibt, das entsprechend adaptiert und angewendet werden könnte. In den letzten Jahren wurde an der Etablierung eines biomimetischen Spinnprozesses gearbeitet, um den natürlichen Faserherstellungsprozess der Spinne nachzuahmen und Fasern mit naturidentischen mechanischen Eigenschaften zu produzieren. In einem ersten Schritt wird aus einer wässrigen Proteinlösung durch Phasen­separa­tion eine hochkonzentrierte proteinreiche Phase für die Weiterverarbeitung gewonnen.

In einem Spinnkanal wird durch ­Ionenaustausch und pH-Senkung ein Flüssig-Fest-Phasenübergang der Spinnlösung induziert. Durch Scher- und Dehnungs­kräfte (erzielt durch den Abzug der Faser mittels ­einer Motorrolle) findet dann eine Ausrichtung der Seidenmoleküle statt, während gleichzeitig weiteres Wasser entzogen wird. Dieser Prozess führt zur endgültigen Ausbildung der ­Faser [5]. Die Etablierung eines skalierbaren Spinnprozesses führte zur Entwicklung einer Biotech-Spinnenseidenfaser mit einer naturidentischen Belastbarkeit (Abb.), die vor Kurzem ­unter dem Markennamen Bio­steel vorgestellt wurde.

Einsatzgebiete für Spinnenseide

Aufgrund der Vielzahl von ­inzwischen biotechnologisch her­stellbaren Spinnenseidenproteinen und der Verarbeit­barkeit in Fasern oder andere Formkörper kommt ein breites Spektrum an industriellen Anwendungen in Frage. Einsatzgebiete sind überall dort zu finden, wo z.B. die besonderen mechanischen Eigenschaften der Spinnenseidenfasern erwünscht sind. Im medizinischen Bereich können Spinnenseidenmaterialien aber auch in Form von Vliesen als Wundverband und in Form von Seidenmikrokapseln für einen gerichteten Wirkstofftransport im Körper verwendet werden [6]. Spinnenseidenfilme eignen sich zur Oberflächenveredelung im Textilbereich oder zum Einsatz als dünne, belastbare Membranen. Auch in der Kosmetik­industrie sind Einsatzgebiete für Seidenprodukte denkbar – erste Produkte wurden inzwischen vorgestellt und sollen demnächst auf den Markt kommen.

Literatur

[1] Berenbaum, M. R. (1997), in: Blutsauger, Staatsgründer, Seidenfabrikanten: die zwiespältige Beziehung von Mensch und Insekt, 3. Auflage, Spektrum Verlag, Heidelberg, Berlin
[2] Heim, M., et al. (2009), Angew. Chem. Int. Ed., 48, 3584–3596
[3] Huemmerich, D., et al. (2004), Biochemistry 43, 13604–13612
[4] Römer, L., & Scheibel, T. (2007), Chemie in unserer Zeit 41, 306–314
[5] Scheibel, T. (2009), BioSpektrum 15, 23–25
[6] Weidenauer, U. & Scheibel, T. (2008), Deutsche Apothekerzeitung 148, 3152–3154

Dank
Ich bedanke mich bei Dr. Lin Römer und Dipl. ­Gregor Lang für die Unterstützung bei der Erstellung der ­Abbildungen. Die Arbeiten des Lehrstuhls wurden finanziell vom BMBF (13N9736) unterstützt. Besonderer Dank gilt dem Koopera­tionspartner AMSilk GmbH. Es werden alle ­Autoren um Entschuldigung gebeten, deren Arbeiten aufgrund von Platzmangel nicht zitiert werden konnten.

Stichwörter:
Seidenspinnerraupe, natürliche Seide, Belsatbarkeit, biomedizinisch, Biopolymere, Spinnenseidenproteine, biotechnologisch, Spinnenseidenproteinproduktion, Kevlar, Nylon, Gummi, Stahl, bakteriostatisch, recycelbar, Wasseraufnahmevermögen, Domestikation, Pichia pastoris, Escherichia coli, Fermentationsprozessen, Ionenaustausch, pH-Senkung, Flüssig-Fest-Phasenübergang, Biotech-Spinnenseidenfaser, Spinnenseidenmaterialien, Kosmetikindustrie,

C&M 4 / 2013

Diese Artikel wurden veröffentlicht in Ausgabe C&M 4 / 2013.
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