Forscher der Northwestern University und der San Diego State University haben bessere Einblicke in den komplexen Prozess gewonnen, wie Schwarze Witwen Proteine in stahlstarke Seidenfäden transformieren. Dieses Wissen verspricht Forschern bei der Entwicklung vergleichbar starker synthetischer Materialien zu helfen.
Schwarze Witwen und ihre Verwandten, in den mittleren Breiten von Nordamerika, Europa, Asien, Australien, Afrika und Südamerika beheimatet, produzieren eine Reihe Seidentypen mit außergewöhnlichen Materialeigenschaften.
Wissenschaftler kennen seit langer Zeit die Hauptsequenz der Aminosäuren, aus denen manche Spinnenseidenproteine bestehen, und sie haben die Struktur der Fäden und Netze verstanden. Frühere Forschungen vermuteten, dass Spinnenseidenproteine den Spinnprozess als nanogroße, amphiphile sphärische Mizellen (Gruppen aus wasserlöslichen und nicht-wasserlöslichen Molekülen) erwarten, bevor sie durch den Spinnapparat der Spinne kanalisiert werden, um Seidenfäden zu bilden. Als Wissenschaftler jedoch diesen Prozess nachzubilden versuchten, waren sie nicht in der Lage, synthetische Materialien mit der Stärke und den Eigenschaften von echten Spinnenseidenfäden herzustellen.
„Die Wissenslücke lag sprichwörtlich in der Mitte“, sagte Nathan C. Gianneschi von der Northwestern University. „Was wir nicht ganz verstanden hatten, ist das, was im Nanomaßstab in der Spinndrüse oder den Spinnwarzen abläuft: die Speicherungs-, Transformierungs- und Transportprozesse, die daran beteiligt sind, Proteine zu Fäden zu spinnen.“
Gianneschi ist der Jacob and Rosaline Cohn Professor in der Abteilung für Chemie am Weinberg College of Arts and Sciences und in der Abteilung für Materialwissenschaften und biomedizinisches Ingenieurswesen an der McCormick School of Engineering. Er und Gregory P. Holland, ein außerordentlicher Professor an der Abteilung für Chemie und Biochemie an der San Diego State University und Autor von mehr als 40 Abhandlungen über Spinnenseide, sind Co-Autoren der Studie.
Die Forschungsarbeit mit dem Titel „Hierarchical spidroin micellar nanoparticles as the fundamental precursors of spider silks“ wurde diese Woche online in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht.
Die Forscher verwendeten einander ergänzende, moderne Technologien an der SDSU (eine Kernspinresonanzspektroskopie, die auch bei der Magnetresonanztomografie eingesetzt wird), gefolgt von einer Elektronenmikroskopie an der Northwestern University. Auf diese Weise konnte das Team genauer in die Drüsen blicken, wo die Seidenfäden entstehen, und eine viel komplexere, hierarchische Proteinanordnung enthüllen.
Diese „modifizierte Mizellen-Theorie“ schlussfolgert, dass Spinnenseidenproteine nicht als einfache sphärische Mizellen beginnen, wie ursprünglich angenommen wurde, sondern als komplexe, zusammengesetzte Mizellen. Diese einzigartige Struktur ist möglicherweise erforderlich, um die beeindruckenden Fäden der Schwarzen Witwen zu produzieren.
„Wir wissen jetzt, dass die Seide von Schwarzen Witwen aus hierarchischen Nanoproteingruppen (200 bis 500 Nanometer im Durchmesser) gesponnen wird, die im Abdomen der Spinne gespeichert werden, und nicht aus einer zufälligen Lösung einzelner Proteine oder aus einfachen, sphärischen Teilchen“, sagte Greg Holland.
„Man kann die potenziellen Auswirkungen auf die Materialforschung und das Ingenieurswesen nicht genug betonen, wenn wir diesen natürlichen Prozess nachbilden können, um künstliche Fäden in dem Größenmaßstab zu produzieren“, sagte Gianneschi.
„Die praktischen Anwendungen für ein Material wie dieses sind im Grunde genommen grenzenlos“, ergänzte Holland.
(THK)
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