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SpinnennetzBei  Rasterkraftmikroskop-Untersuchungen der Seide von braunen Einsiedlerspinnen fanden  Forscher aus Williamsburg (VA, USA) heraus, dass jeder Faden, 1000 mal dünner ist als ein menschliches Haar, wie ein Kabel aus einigen tausend Protein-Nanosträngen von 20 Millionstel Millimeter Durchmesser und mindestens 1 Mikrometer Länge besteht.

Dass lange Nanofasern das Geheimnis der hohen Reißfestigkeit von Spinnenseidenfäden sind, wurde lange vermutet. Die einzigartige Seide der braunen Einsiedlerspinne, die im Gegensatz zu anderen Spinnenseiden aus flachen Bändern statt zylindrischen Fasern besteht, erleichterte jetzt die mikroskopische Untersuchung. Bereits im letzten Jahr konnte das Team zeigen, dass die braune Einsiedlerspinne ihre Seidenstränge mit einer speziellen Technik verstärkt. Mittels einer winzigen, nähmaschinenähnlichen Spinndüse webt die Spinne etwa 20 Mikroschleifen in jeden Millimeter Seide, die sie auswirft, was den klebrigen Faden reißfester macht.

Zur Originalpublikation http://www.sciencemag.org/news/2018/11/spider-silk-five-times-stronger-steel-now-scientists-know-why

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Titel Vorbild NaturWelche Chancen bieten Naturstoffe aus Pflanzen, Pilzen oder Mikroorganismen für Pharmazie und Medizin? Wie kann man sie gewinnen oder im Labor herstellen? Unter dem Titel „Vorbild Natur – Naturstoff-Forschung in Deutschland“ beschreiben Experten, wie natürliche Substanzen aus Regenwald, Boden und Meer zu Medikamenten werden. Die App ist kostenfrei für Android und über iTunes verfügbar.

Was haben Kugelfisch, Schlafmohn und Schimmelpilze gemeinsam? Sie produzieren – wie viele andere Tiere, Pflanzen und Mikroorganismen – Naturstoffe, die auf andere Organismen wirken. Das Spektrum reicht von Pheromonen, die als chemische „Sprache“ dienen, über Toxine zur Feindesabwehr bis zu Geschmacks- und Geruchsstoffen. Für die Forschung sind diese Substanzen hoch interessant – am wichtigsten als Quelle für neue Medikamente, aber auch als Nahrungsergänzungsmittel oder zur Schädlingsbekämpfung. In einer App, die ab sofort kostenfrei zum Herunterladen zur Verfügung steht, stellen Experten aus der DECHEMA-Fachgruppe „Niedermolekulare Naturstoffe mit biologischer Wirkung“ die neusten Erkenntnisse aus der Naturstoff-Forschung und die praktischen Anwendungen vor. Die Autoren aus Industrie, Universitäten und Forschungseinrichtungen berichten in 18 Kapiteln über ihre Forschungsgebiete und Naturstoffe aus Regenwald, Meer oder Bodenbakterien. Dabei fehlt ebenso wenig ein Überblick über die Geschichte der Naturstoff-Forschung bis heute wie eine Diskussion über aktuelle wissenschaftliche Methoden, die uns neue Perspektiven eröffnen: Dank neuer Analysetechniken kann die nahezu endlose Zahl chemischer Strukturen viel schneller untersucht und auf ihre biologische Wirksamkeit getestet werden. Die Biotechnologie erlaubt die Herstellung von komplizierten Molekülen in wenigen Schritten. Am Ende der App steht ein Überblick über Forschungsgruppen und Studien- sowie Ausbildungsmöglichkeiten in Deutschland. Studierende der Medizin, Pharmazie und Naturwissenschaften, Schüler, aber auch all jene, die sich für den Einsatz von Naturstoffen in Pharmazie, Lebensmitteln oder anderen Anwendungen interessieren, bekommen einen Einblick in ein faszinierendes Forschungsfeld, das uns unmittelbar berührt und dessen Grenzen noch lange nicht erreicht sind.

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Das hier ist Hand- oder besser Beinarbeit; dank dem diesjährigen DECHEMA-Preisträger könnte Spinnenseide bald auch industriell hergestellt werden.[Photo courtesy PDPhoto.org]

Das hier ist Hand- oder besser Beinarbeit; dank dem diesjährigen DECHEMA-Preisträger könnte Spinnenseide bald auch industriell hergestellt werden.[Photo courtesy PDPhoto.org]

Prof. Dr. –Ing. Thomas Scheibel von der Fakultät für Angewandte Naturwissenschaften (FAN) der Universität Bayreuth erhält den diesjährigen DECHEMA-Preis der Max-Buchner-Forschungsstiftung. Damit werden seine Forschungsarbeiten zur biotechnologischen Herstellung und Charakterisierung von Spinnenseide-Proteinen gewürdigt. Auf dieser Basis entwickelte er technisch und medizinisch anwendbare Materialien.

Spinnen sind faszinierende Geschöpfe. Betrachtet man ein Spinnennetz, so besticht es nicht nur durch seinen filigranen Aufbau. Die Spinnfäden sind dünner als ein menschliches Haar, aber reißfester als Stahl und dabei gleichzeitig elastischer als Gummi. Diese Eigenschaften machen sie zu einem idealen Rohstoff für medizinische und technische Anwendungen. Deshalb bemüht man sich seit langem, sie als Naturstoff industriell zu nutzen. Es erfordert viel Forschungs- und Entwicklungsarbeit, um Eigenschaften, die die Natur vorgibt, auf synthetischem Wege nachzuahmen. Die Proteinketten, die die Spinnen zu einem Faden verarbeiten, sind über Jahrtausende im natürlichen Evolutionsprozess optimiert worden. Spinnen können jedoch leider nicht, wie die Seidenspinnerraupen für die Seidenproduktion, in großem Maßstab gezüchtet werden. Auch bei ausreichendem Nahrungsangebot, lassen sich die kannibalischen Gelüste der Achtbeiner nicht unterdrücken.

Thomas Scheibel und seinem Team ist es gelungen, Spinnenseide synthetisch in großtechnischen Maßstab herzustellen. Er zerlegt zunächst die Spinnen-Gene, die die Bauanleitung für die Seide enthalten, in Teilsequenzen. Anschließend baut er die Seidenproteine mit Hilfe von gentechnisch veränderten Bakterien nach und verknüpft sie zu künstlichen Fasern. Die Firma AMSilk, deren Mitgründer Scheibel ist, hat ein spezielles Verfahren entwickelt, mit dem die Eigenschaften der künstlichen Spinnenseide gezielt auf spezielle Anwendungen angepasst werden. Spinnenseide kann sowohl in Fadenform als auch in dreidimensionalen Strukturen hergestellt werden. Damit lassen sich neue Materialien Entwickeln. Beschichtungen, Schäume und Gele oder Vliesstoffe, Fasern und Garne sowie Folien gehören zu den Produkten. Sie besitzen eine hohe Festigkeit und sind trotzdem sehr dehnbar. Diese Kombination war bisher nicht möglich.

Auch in der Medizin gibt es ein großes Potenzial für die Spinnenseide.Schon die alten Griechen benutzten Spinnennetze als Wundverband. Spinnenseide ruft beim Menschen keine allergischen Reaktionen hervor. Damit eignet sie sich als Wundauflage, Pflaster oder Nahtmaterial für die Chirurgie. Auch eine Ummantelung von Implantaten ist denkbar. Spinnenseide wird nicht vom menschlichen Körper abgestoßen. Eine andere Möglichkeit ist der Transport von Wirkstoffen. Thomas Scheibel konnte kürzlich aus Proteinen der Spinnenseide Kapseln herstellen, die erstmals zwei Funktionen gleichzeitig erfüllen: Sie schützen das eingeschlossene Enzym vor der Zersetzung und bieten gleichzeitig die Möglichkeit, seine Aktivität von außen zu steuern und zu beobachten. Da Spinnenseide ein Protein ist, kann sie mit anderen Proteinen neue Verbindungen eingehen. Auf der Oberfläche der Kapsel können deshalb sogenannte gewebespezifische Rezeptoren angebracht werden. Damit wird die Kapsel punktgenau an die gewünschte Stelle im Körper gesteuert.

Mehr zum DECHEMA-Preis

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