Ein weiteres Geheimnis der Spinnenseide zu entschlüsseln – es ist ein Kabel.

Wissenschaftler lüften die Geheimnisse eines der faszinierendsten und wertvollsten Materialien der Natur – der Spinnenseide.

Ein Strang aus Spinnenseide ist fünfmal stärker als ein gleich schweres Stahlseil, sagt Hannes Schniepp vom Department of Applied Science bei William & Mary. Sein Labor hat die Geheimnisse hinter der Stärke der braunen einsamen Spinne gelüftet.

Ihre neueste Entdeckung ist eine Überraschung: Der braune Einsiedler dreht nicht einen einzigen Strang Proteinfaser.

„Wir hatten erwartet, dass die Faser eine einzige Masse ist“, erklärte Schniepp. „Aber was wir fanden, war, dass die Seide eigentlich eine Art winziges Kabel war.“

Die Entdeckung kommt auf einen Bericht aus dem Jahr 2017, der aus dem gleichen Labor stammt und zeigt, dass ein weiterer Faktor für die Stärke der braunen, einsamen Seide aus Schleifen stammt, die in die Struktur gesponnen wurden. Die Arbeit wird von der National Science Foundation finanziert. Spinnenseide ist ein wichtiges Thema, da ihre Festigkeit und Zähigkeit synthetische Spinnenseide zu einem „heiligen Gral“ der Materialwissenschaft und Technik macht.

„Das Verständnis der Gründe, warum Spinnenseide die mechanische Belastbarkeit im Vergleich zu Insektenseide erhöht hat, war für eine Reihe von Studien ausschlaggebend, ebenso wie der Wunsch, große Mengen an Spinnenseide im Labor synthetisch herzustellen. Aus dieser Perspektive liefern die berichteten Ergebnisse einen interessanten Hinweis auf die „Tricks des Handels“, die die Natur bei der Herstellung erstaunlicher Materialien hat“, sagt NSF-Programmdirektor Mohan Srinivasarao, der die Forschung mitfinanziert hat.

„Das Verständnis der Eigenschaften von brauner, reklamierter Seide auf molekularer Ebene bietet nicht nur Einblicke in eines der härtesten Materialien der Natur, sondern kann auch einen Weg für die Entwicklung anderer synthetischer Materialien bieten“, fügte er hinzu.

Schniepp und Qijue Wang, ein Doktorand der Angewandten Wissenschaften, beschrieben ihre Ergebnisse in einem Artikel „Strength of Recluse Spider’s Silk Originates from Nanofibrils“, in ACS Macro Letters, einer hochgelobten Zeitschrift der American Chemical Society. Mit einer extrem empfindlichen Technik, der sogenannten Rasterkraftmikroskopie, untersuchten sie die Struktur der Spinnenseide auf molekularer Ebene.

„Es stellt sich heraus, dass die Faser aus einer Reihe von Nanostrukturen besteht“, sagte Schniepp. „Jede Nanomarke ist ein dünner Faden aus Protein mit einem Durchmesser von weniger als einem Millionstel Zoll.“

Das Papier berichtet, dass ein typisches reines Seidenfilament aus rund 2.500 Nanostrukturen besteht. Schniepp und Wang entwickelten ein detailliertes Strukturmodell der Seide, das auch andere interessante Merkmale der Kabelstruktur des Einsiedlers enthüllte.

Wissenschaftler wissen seit langem, dass einsame Seide im Querschnitt flach und nicht rund ist. Merkwürdigerweise berichten Schniepp und Wang, dass die Nanomarken oder Nanofibrillen, aus denen das Kabel besteht, nicht wie ein Seil geflochten oder verdreht sind, sondern parallel angeordnet sind.

Es ist schwer zu beschreiben, wie dünn ein Einsiedlerband ist. Selbst der alte Standby der Dünnheit, das menschliche Haar, erweist sich als unbefriedigend.

„Wie vergleicht man die Dicke eines runden Haares mit einer flachen Schleife?“ fragte Schniepp. „Das ist ein bisschen knifflig, wenn du genau sein willst.“

Er fügte hinzu, dass ein genauer Vergleich nicht nur die Dicke des Einsiedlerbandes berücksichtigt, die tausendmal geringer ist als die Dicke eines Haares, sondern auch die Tatsache, dass der Querschnitt des Haares das Zehnfache des Seidenstrangs beträgt. Folglich, so Schniepp, ist der Seidenquerschnitt 1/10.000 mal so groß wie bei einem menschlichen Haar.

Schniepp und Wang fanden auch heraus, dass sich die einzelnen Nanomarken leicht voneinander trennen lassen, was darauf hindeutet, dass die Bindungen zwischen den Nanofibrillen relativ schwach sind. Sie fanden aber auch heraus, dass ein Schlüssel zur Stärke der Seidenstruktur in der Länge jeder einzelnen Nanomarke liegt.

Wissenschaftler haben eine Reihe von Modellen vorgeschlagen, um die organisatorische Zusammensetzung der Spinnenseide zu erklären und was diese Struktur zu den wünschenswerten und wichtigen Eigenschaften von Zähigkeit und Festigkeit beiträgt. Schniepp sagt, dass die im Papier vorgeschlagene Struktur die einfachste und eleganteste der wichtigsten Modelle ist.

„Wir glauben, dass das Geheimnis der braunen, einsamen Spinnenseide im Wesentlichen von der individuellen Nanofibrillen stammt“, sagte er.

Mehr Informationen:
Qijue Wang et al. Strength of Recluse Spider’s Silk stammt aus Nanofibrillen, ACS Macro Letters (2018). DOI: 10.1021/acsmacrolett.8b00678

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