Spinnenseide: vom löslichen Protein zur außergewöhnlichen Faser

Abstract

Am seidenen Faden: Spinnenseiden haben mechanische Eigenschaften, die jene der meisten natürlichen und synthetischen Fasern übertreffen. Wegen der Komplexität des In‐vivo‐Spinnprozesses scheiterte bislang seine Nachahmung durch klassische Spinnmethoden. Die Analyse des natürlichen Prozesses, kombiniert mit Erkenntnissen aus In‐vitro‐Untersuchungen, hilft bei der Entwicklung eines bionischen Spinnverfahrens zur Spinnenseidenherstellung (siehe Bild).magnified imageDie Proteinfaser Spinnenseide ist hinsichtlich ihrer Materialeigenschaften anderen natürlichen und vielen synthetischen Fasern überlegen. In der Natur beruht die Bildung einer festen Faser aus einem löslichen Spinnenseidenprotein auf komplexen biochemischen und physikalischen Prozessen, die in spezialisierten Spinnorganen ablaufen. In diesem Aufsatz wird der natürliche Prozess der Seidenherstellung ausgehend von der Gentranskription über die Proteinverarbeitung bis hin zur abschließenden Faserbildung vorgestellt; ebenso kommen technische Verfahren zur Seidenverspinnung zur Sprache. In‐vivo‐ und In‐vitro‐Befunde auf dem Gebiet der Spinnenseidenforschung bilden die Grundlage für die Gestaltung neuer Proteine und Verarbeitungsstrategien, die die Anwendung dieser faszinierenden proteinösen Materialien in der Technik und der Medizin ermöglichen können.

Modular Design in Natural and Biomimetic Soft Materials

“…The literature covering the silk spinning process was recently reviewed. [198] Unlike the other natural materials Figure 10. The synthesis of a b-sheet nanocomposite superfiber: the spinning process and self-assembled morphology of spider dragline silk.…”

“…As with the other materials described, recent advances in high-resolution microscopy and spectroscopy, computational modeling, and processing power have yielded significant insight into the molecular mechanism behind the remarkable properties of silk, much of which was reviewed recently. [197][198][199] Although the high b-sheet content of dragline silk was established early on by X-ray diffraction studies on silk fibroin, [200] the amino acid sequence of the protein precursor leading to the strongest and toughest silk fiber, that of major ampullate silk, was not definitively established until 1990. [201] Xu and Lewis successfully sequenced a partial cDNA fragment reverse-transcribed from mRNA generated by forced silking of the common dragline silk model organism nephila clavipes.…”

Modulares Design in natürlichen und biomimetischen elastischen Materialien

“…Wie bei den anderen beschriebenen Materialien haben neuere Fortschritte in hochauflçsender Mikroskopie und Spektroskopie sowie in der Computermodellierung signifikante Einblicke in den molekularen Mechanismus geliefert, der hinter den bemerkenswerten Eigenschaften der Seide steht. [197][198][199] Obwohl der hohe b-Faltblatt-Anteil in der Abseilfadenseide schon früh durch Rçntgenbeugungsstudien an Seiden-Fibroin bekannt war, [200] konnte die Aminosäuresequenz der Proteinvorstufe der stärksten und härtesten Seidenfaser, der der großen Ampullendrüse (Major Ampullate Silk), bis 1990 nicht genau bestimmt werden. [201] Erst Xu und Lewis gelang die Sequenzierung eines cDNA-Fragments, das durch reverse Transkription einer mRNA erhalten wurde, die sie durch erzwungene Seidenproduktion in Nephila clavipes, einem Abseilfadenseide-produzierenden Modellorganismus, gewonnen hatten.…”

“…Die Literatur über den Spinnprozess von Seide wurde erst kürzlich in Übersichten zusammengefasst. [198] Anders als die anderen natürlichen Materialien, die in hier besprochen werden, wird Spinnenseide in vivo durch einen komplexen Spinnprozess ausgestoßen. Daher sind die chemischen, mechanischen und thermischen Bedingungen, unter denen die stabile vorgesponnene Polymerlçsung dehydratisiert wird, um eine trockene Faser zu bilden (die "Verarbeitungsbedingungen") mindestens genauso wichtig für die endgültigen mechanischen Eigenschaften der Seide wie die Primärsequenz des polymeren Ausgangsmaterials.…”

pH‐abhängige Dimerisierung und salzabhängige Stabilisierung der N‐terminalen Domäne von Abseilfaden‐Spinnenseide – Details zur Initiation des Assemblierungsprozesses

“…[19] Gelfiltrationschromatographie wurde mit einem Agilent-1100-System und einer Superdex-75-10/300-GL-Säule (GE Healthcare, München, Deutschland), UV-Detektion bei 280 nm und einer Flussgeschwindigkeit von 0. 4 Die NMR-spektroskopischen Experimente wurden an 600-und 900-MHz-Spektrometern (Bruker Biospin, Rheinstetten, Deutschland) durchgeführt. Die Zuordnung der Resonanzen wurde durch die Verwendung von konventionellen 3D-Heterokern-NMR-Experimenten [20] und mit einer U-[ 13 C, 15 N]-markierte Probe von 800 mm N1 (in 10 mm Natriumphosphat, pH 7.2, 300 mm NaCl) erreicht.…”