DIE GEHEIMNISSE DER SPINNENSEIDE

Wird eine Spinne von der Wand gestoßen, fällt sie nicht lange. Innerhalb von Millisekunden spinnt sie aus einem Proteingemisch ein zuverlässiges Kletterseil und zieht sich an dem dünnen, schimmernden Seidenfaden wieder hoch. Der Faden ist widerstandsfähiger als Kevlar und fester als Stahl. Er ist elastisch und mit dem menschlichen Körper biokompatibel. Fachleute träumen davon, eines Tages aus Spinnenseide besondere Materialien für Sicherheitsgurte, Helme und Marineanwendungen herzustellen – vielleicht sogar zur Wiederherstellung von Gehirnzellen. Bisher sind Versuche, Spinnenseide im Labor herzustellen, jedoch gescheitert. Die Forschung weiß noch zu wenig darüber, wie Spinnen aus der „Seidenlösung“ in ihren Seidendrüsen – einem flüssigen Gemisch aus Proteinen, Wasser und Salz – feste Fäden erzeugen.

Die molekularen Mechanismen hinter diesem Vorgang zu entschlüsseln, sei ein zentrales Ziel des Forschungsgebiets, sagt Gregory Holland, Chemiker an der San Diego State University. Kürzlich leitete er eine Untersuchung, die beschrieb, wie sich die Moleküle des flüssigen Ausgangsmaterials zu halbflüssigen Tröpfchen, sogenannten Kondensaten, zusammenlagern, bevor daraus feste Seidenfäden entstehen. Die Studie gewährt Einblicke auf atomarer Ebene in die „Seidenfabrik“ der Spinnen.

Die Ergebnisse liefern zugleich praktische Hinweise darauf, wie Kondensate entstehen. Die Natur nutzt sie immer wieder, um Moleküle bei genetischen Prozessen und bei der Herstellung beeindruckend fester biologischer Materialien zu organisieren. „Es wird immer deutlicher, dass die Bildung von Kondensaten eine allgemeine Strategie ist, die viele verschiedene Organismen nutzen“, sagt Matthew Harrington, der an der McGill University biologische Materialien erforscht und nicht an der neuen Untersuchung beteiligt war.

Seidenfabriken im Miniaturformat

Spinnen sind erstaunliche natürliche Fabriken. Sie können bis zu sieben Arten von Seide spinnen, und eine einzelne Spinne stellt häufig mehrere davon her. Mit Wickelseide aus den aciniformen Drüsen lassen sich Insekten zum späteren Verzehr einpacken. Die Seide aus den flagelliformen Drüsen bildet die spiralförmigen Fäden des Netzes und hilft ihm, Stöße besser abzufangen. Die sogenannte Dragline-Seide dient als Sicherheits- und Gerüstfaden und verankert das Netz sowie die Spinne an Gegenständen, etwa an Wänden. Die Eigenschaften der verschiedenen Seidenarten hängen von ihrem molekularen Aufbau ab und variieren je nach Spinnenart. Auch derselbe Seidentyp kann sich in seinen Eigenschaften leicht unterscheiden, wenn er von verschiedenen Arten stammt.

1907 entdeckten Forscher, dass Spinnenseide aus langen, modular aufgebauten Proteinen besteht. Diese wurden später Spidroine genannt und gehören wie Kollagen und Keratin zur Gruppe der Faserproteine. Mehr als ein halbes Jahrhundert später begann man mithilfe von Röntgenstrahlen, die grundlegenden Strukturmerkmale der Fasern aufzuklären. Der Faden besteht aus flächigen Proteinstrukturen, sogenannten Beta-Faltblättern, die in eine weniger geordnete, nicht kristalline Matrix eingebettet sind.

Als Forscher Anfang der 2000er-Jahre begannen, Spidroine in Lösung zu untersuchen, fanden sie keine geordneten, festen Strukturen wie bei den meisten Proteinen. Stattdessen wiesen die Spidroine intrinsisch ungeordnete Bereiche auf, die sich hin und her bewegten, verschiedene Formen annahmen und sich wieder neu anordneten. Daraufhin begannen die Wissenschaftler zu „entwirren“, wie sich diese „Suppe“ aus unstrukturierten Proteinen zu festen, widerstandsfähigen Fäden organisieren kann.

Eine frühe Theorie besagte, dass sich die Proteine in dem Gemisch ähnlich wie in einem Kristall aneinander ausrichten, dabei aber beweglich bleiben – in einem als Flüssigkristall bezeichneten Zwischenzustand. Nach einer anderen Theorie ähnelt Spinnenseide der Seide des Seidenspinners. Deren Proteine ordnen sich zu Mizellen, also kleinen Kügelchen, die anschließend zu Seidenfäden zusammengepresst werden.

Solche Strukturen rückten bald ins Zentrum der modernen Biologie. 2009 entdeckten Forscher des Marine Biological Laboratory in Massachusetts und eines Max-Planck-Instituts in Deutschland in befruchteten Wurmeiern Tröpfchen aus zusammengelagerten RNA-Molekülen. Dabei handelte es sich um Kondensate: flüssigkeits- oder gelartige Gebilde, die Proteine in hoher Konzentration enthalten und in einer Lösung schweben. Obwohl Kondensate seit mehr als einem Jahrhundert beobachtet werden, gelten sie erst seit Kurzem als entscheidendes Mittel zur Organisation molekularer Vorgänge in Lebewesen.

Die Forscher erkannten, dass Kondensate Moleküle konzentrieren und in einer flexiblen Mikroumgebung vororganisieren, ohne sie in einem festen Material zu fixieren. „Weil sie flüssig sind, lassen sie sich verformen. Die Biologie kann sie also praktisch in jede beliebige Form bringen“, sagt Harrington.

Weitere Untersuchungen zeigten, dass lebende Zellen Kondensate für die unterschiedlichsten Aufgaben nutzen: um DNA zu organisieren, die Genexpression zu regulieren oder Proteine zu verpacken. Auf makroskopischer Ebene helfen sie verschiedenen Arten beim Aufbau bemerkenswerter Materialien. Sie tragen dazu bei, dass der Schnabel von Tintenfischen Bereiche mit schrittweise zunehmender Steifigkeit aufweist. Sie bilden starke Klebstoffe, mit denen Muscheln an Felsen haften, sowie den Unterwasserkleber, den Sandburgenwürmer verwenden. „Das ist ein äußerst spannendes Gebiet der Biologie“, sagt Holland.

Obwohl Forscher die Tröpfchen in im Labor hergestellten Spidroinen bereits mehr als ein Jahrzehnt zuvor beschrieben hatten, wurden sie erst 2020 als Kondensate eingeordnet. Damals vermutete Keiji Numata, Biomaterialchemiker an der Universität Kyoto, dass Spinnenseide beim Übergang von der flüssigen Lösung zum festen Faden eine Kondensatphase durchläuft.

Kondensate entstehen durch die sogenannte Flüssig-Flüssig-Phasentrennung. Dabei können Moleküle in einer Flüssigkeit schwache Wechselwirkungen miteinander eingehen. Verbindungen entstehen und lösen sich leicht wieder, wenn sich etwa der pH-Wert, die chemische Zusammensetzung oder die Temperatur verändert. Numata vermutete, dass Phosphat in der Ampulle – dem mittleren Abschnitt der Seidendrüse einer Spinne – diese Wechselwirkungen auslösen könnte. Doch niemand hatte die zugrunde liegenden Mechanismen auf atomarer Ebene beschrieben, bis Hannah Johnson, damals Doktorandin in Hollands Labor, beschloss, dem Rätsel nachzugehen.

Im Inneren der Schwarzen Witwe

Im Laufe der Jahre 2023 und 2024 traf alle paar Monate ein Paket mit weiblichen Schwarzen Witwen am Fachbereich Chemie der San Diego State University ein. Diese tiefschwarzen Spinnen mit einem Hauch von Rot produzieren ein starkes Gift, das beim Menschen heftige Schmerzen verursachen kann. Von dieser kleinen Unannehmlichkeit abgesehen eignen sie sich hervorragend zur Erforschung von Spinnenseide. Die Spidroine in ihren Sicherheitsfäden gehören zu den am gründlichsten charakterisierten Seidenproteinen aller Spinnen. Außerdem stehen die Tiere ganzjährig zur Verfügung, anders als andere Spinnen, die nur saisonal Netze spinnen.

Johnson und ihre Kollegen trugen zwei Paar Schutzhandschuhe übereinander, wenn sie Seide von den mit Kohlendioxid betäubten Schwarzen Witwen gewannen. Mit einer Pinzette zogen sie den Seidenfaden vorsichtig aus den Spinnwarzen – den Öffnungen am Hinterleib, aus denen die Fäden austreten – und wickelten ihn auf ein Glasröhrchen, das an einem rotierenden Motor befestigt war.

– sagt Johnson. Während des Verfahrens fütterten die Forscher die Schwarzen Witwen mit einem Aminosäurecocktail, der mit speziellen Isotopen angereichert war.

Johnson untersuchte sowohl die flüssige Spinnenseide als auch die aus den Ampullen der Spinnen gewonnenen Kondensate mittels Kernspinresonanzspektroskopie. Kevin Chalek, damals Postdoktorand in Hollands Labor und inzwischen an der University of California tätig, entschlüsselte unterdessen die atomare Struktur der Proteine im festen Faden. „Wir wollten die Lücke zwischen dem Verhalten des Proteins innerhalb und außerhalb der Spinne schließen. Es sind dieselben Proteine – wie können sie so unterschiedlich sein? Und was genau geschieht zwischen den beiden Zuständen?“, fragte Chalek.

Johnson beobachtete, dass die Seitenketten zweier Aminosäuren, Arginin und Tyrosin, in den intrinsisch ungeordneten Bereichen der Spidroine schwache Wechselwirkungen miteinander eingingen, nachdem sie der flüssigen Seidenlösung Phosphat zugesetzt hatte, um die Kondensation auszulösen. Diese Wechselwirkungen verdrängten Wasser und organisierten die ungeordneten Proteine zu einem dichteren, gelartigen Material: einem Kondensat. Die Wechselwirkungen blieben auch im festen Faden bestehen. Das deutet darauf hin, dass die Aminosäuren als „molekularer Klebstoff“ dienen, der die ungeordneten Proteine zunächst zu Kondensaten und schließlich zu Fäden zusammenfügt.

Weitere Mitglieder des Forschungsteams nutzten AlphaFold, ein KI-Werkzeug zur Modellierung von Proteinstrukturen, sowie Software für Molekulardynamik, um diesen Vorgang am Computer zu simulieren. Die Forscher wissen, dass Spinnenseide ihre Festigkeit den stabilen Beta-Faltblattstrukturen der Proteine im fertigen Faden verdankt.

„Es ist fantastisch zu verstehen, wie diese Seitenketten miteinander wechselwirken und eine Struktur bilden können, die mehr ist als die Summe ihrer Teile“, sagt Chris Holland, Biologe an der University of Sheffield, der nicht an der Untersuchung beteiligt war. Die Ergebnisse lieferten einen direkten Beleg dafür, dass sich Kondensate auch aus natürlicher Seide bilden können. Das sei sehr wichtig, ergänzt Daiwen Yang, Biologe an der National University of Singapore, der ebenfalls nicht an der Studie beteiligt war.

Die Beschreibung der Kondensate schließt nicht aus, dass frühere Theorien zur Entstehung von Spinnenseide zutreffen. Gregory Holland, der zuvor Mizellen in natürlicher Spinnenseide nachgewiesen hatte, hält es für möglich, dass alle drei Faktoren – Mizellen, Kondensate und Flüssigkristalle – Teil desselben Phasenübergangs sind. Die Mizellen in der flüssigen Lösung verhindern, dass die ungeordneten Proteine verklumpen und sich ineinander verheddern. Die Proteine können sich auch zunächst zu Kondensaten zusammenlagern oder flüssigkristallähnliche Strukturen bilden, bevor sie als hochgradig geordnete Fäden aus den Spinnwarzen austreten. Der tatsächliche Vorgang sei allerdings wahrscheinlich „dynamischer und heterogener“ als eine Abfolge einzelner Schritte, sagt Gregory Holland. Denn mehrere dieser Strukturen könnten gleichzeitig im Gemisch entstehen. Harrington stimmt zu. „Ich glaube nicht, dass sie sich gegenseitig ausschließen“, sagt er. „Möglicherweise laufen in den verschiedenen Verarbeitungsstufen unterschiedliche Arten von Phasenübergängen ab.“

Fest steht jedoch, dass noch viel darüber herauszufinden ist, wie diese Wechselwirkungen auf der „Produktionsstraße“ zusammenspielen. Wahrscheinlich gibt es weitere wichtige Wechselwirkungen zwischen Aminosäuren, die die Forscher bislang nicht im Detail entschlüsseln konnten. Außerdem suchen sie nach anderen Faktoren, die neben Phosphat am Auslösen des Prozesses beteiligt sind. „Möglicherweise tragen noch mehrere weitere Faktoren zu den strukturellen Veränderungen dieser Proteine bei“, sagte Chris Holland. „Wir kennen noch nicht alle Schalter.“

Herausragende Materialien

Den komplexen Prozess des Seidenspinnens vollständig zu beschreiben, erfordert großen Aufwand. Doch der Nutzen könnte enorm sein. Spinnen produzieren nur geringe Mengen nutzbarer Seide im Vergleich zu Seidenspinnern, die seit mehr als 4.000 Jahren wegen ihrer Kokons gezüchtet werden. Für ein Seidenhemd werden mehrere Tausend Seidenraupen benötigt. Für dieselbe Menge Seide wären ungefähr eine Million Spinnen nötig, unter anderem, weil sie keine leicht zu verarbeitenden Kokons herstellen. Hinzu kommt ein praktisches Problem: Wegen ihrer kannibalischen Natur lassen sich Spinnen nur schwer züchten, da sie getrennt gehalten werden müssen.

Die Herstellung von Spinnenseide im Labor könnte eine ganze Reihe neuer Materialien hervorbringen, die zugleich fest und elastisch sind. Die Herstellung von Kevlar, einer synthetischen Faser, die derzeit unser festestes Material ist, erfordert sehr hohe Temperaturen und saure Bedingungen. „Und dann gibt es Organismen wie Spinnen oder Muscheln, die ganz selbstverständlich bei Umgebungstemperatur, im Meerwasser oder einfach an der Luft ein herausragendes Material herstellen“, sagt Harrington.

Wie sich diese Organismen nachahmen lassen, haben die Fachleute noch nicht herausgefunden. Wenn sie im Labor Spinnenseide synthetisieren und dabei die exakte Aminosäuresequenz zum Aufbau des Spidroins verwenden, erreicht der entstehende Faden nicht die Festigkeit natürlicher Spinnenseide. „Dort geschieht etwas, das wir nur schwer nachahmen können“, sagte Chalek. Er vermutet, dass die zusätzliche Festigkeit über die Beta-Faltblattstruktur des Proteins hinaus noch auf etwas anderem beruht: auf weiteren Aspekten der Seidenstruktur oder vielleicht auf Teilen des Spidroins, die in synthetischen Seidenlösungen bislang fehlen. Wie Chris Holland sagt: