Chinesischen Wissenschaftlern ist es gelungen, Spinnenseide aus gentechnisch veränderten Seidenraupen zu synthetisieren und dabei Fasern herzustellen, die weitaus stärker sind als Kevlar. In der Zeitschrift veröffentlicht GegenstandDiese bahnbrechende Studie zeigt eine potenzielle umweltfreundliche Alternative zu kommerziellen synthetischen Fasern. Die Ergebnisse haben enorme Auswirkungen, die von chirurgischen Nähten bis hin zu Innovationen im Militär-, Luft- und Raumfahrt- und biomedizinischen Bereich reichen.
Wissenschaftler in China haben eine Methode zur Herstellung von Spinnenseide aus gentechnisch veränderten Seidenraupen entwickelt und bieten eine starke, nachhaltige Alternative zu synthetischen Fasern mit Anwendungen in verschiedenen Branchen.
Forscher haben Spinnenseide aus gentechnisch veränderten Seidenraupen synthetisiert und dabei Fasern hergestellt, die sechsmal härter sind als das in kugelsicheren Westen verwendete Kevlar. Die Studie wurde am 20. September in der Zeitschrift veröffentlicht Gegenstandist das erste Unternehmen, das mithilfe von Seidenraupen erfolgreich Spinnenseidenproteine in voller Länge herstellt. Die Ergebnisse demonstrieren eine Technik, mit der eine umweltfreundliche Alternative zu synthetischen kommerziellen Fasern wie Nylon hergestellt werden könnte.
„Seidenraupenseide ist derzeit die einzige tierische Seidenfaser, die in großem Umfang kommerzialisiert wird und über gut etablierte Aufzuchttechniken verfügt“, sagte Mi. „Folglich ermöglicht der Einsatz gentechnisch veränderter Seidenraupen zur Herstellung von Spinnenseidenfasern eine kostengünstige Kommerzialisierung in großem Maßstab.“
Bild von erzwungener Spulenseide. Bildnachweis: Junpeng Mi
Die Nachhaltigkeit von Spinnenseide
Wissenschaftler halten Spinnenseide für eine verlockende nachhaltige Alternative zu synthetischen Fasern, die schädliches Mikroplastik in die Umwelt abgeben können und häufig aus fossilen Brennstoffen hergestellt werden, die Treibhausgasemissionen verursachen. Doch die Suche nach Alternativen in der Natur ist nicht ohne Herausforderungen. Bisher entwickelte Verfahren zum Spinnen künstlicher Spinnenseide hatten Schwierigkeiten, eine Oberflächenschicht aus Glykoproteinen und Lipiden auf die Seide aufzutragen, damit sie Feuchtigkeit und Sonneneinstrahlung standhält – eine Anti-Aging-„Hautschicht“, die Spinnen auf ihre Netze auftragen.
Eine Lösung für dieses Problem bieten gentechnisch veränderte Seidenraupen, sagt Mi, da Seidenraupen ihre eigenen Fasern mit einer ähnlichen Schutzschicht überziehen.
„Spinnenseide ist eine strategische Ressource, die dringend erkundet werden muss“, sagte Junpeng Mi, Doktorand am College of Biological Science and Medical Engineering der Donghua University und Erstautor der Studie. „Die außergewöhnlich hohe mechanische Leistung der in dieser Studie hergestellten Fasern ist auf diesem Gebiet vielversprechend. Diese Art von Fasern kann als chirurgisches Nahtmaterial verwendet werden und deckt einen weltweiten Bedarf von über 300 Millionen Eingriffen pro Jahr.“
Die Spinnenseidenfasern könnten auch zur Herstellung bequemerer Kleidungsstücke und innovativer Arten kugelsicherer Westen verwendet werden, sagt Mi, und sie könnten in intelligenten Materialien, im Militär, in der Luft- und Raumfahrttechnik und in der biomedizinischen Technik Anwendung finden.
Von transgenen Seidenraupen produzierte Seidenfasern. Bildnachweis: Junpeng Mi
Syntheseprozess und Herausforderungen
Um Spinnenseide aus Seidenraupen zu spinnen, führten Mi und sein Team Spinnenseidenprotein-Gene in die Spinnenseide ein DNA von Seidenraupen, damit es in ihren Drüsen exprimiert wird, mithilfe einer Kombination aus CRISPR-Cas9-Genbearbeitungstechnologie und Hunderttausenden Mikroinjektionen in befruchtete Seidenraupeneier. Die Mikroinjektionen stellten „eine der größten Herausforderungen“ in der Studie dar, sagte Mi, aber als er sah, wie die Augen der Seidenraupen unter dem Fluoreszenzmikroskop rot leuchteten – ein Zeichen dafür, dass die Genbearbeitung erfolgreich war –, war er überglücklich.
„Ich habe getanzt und bin praktisch zum Büro von Professor Meng Qing gerannt, um dieses Ergebnis mitzuteilen“, sagte Mi. „Ich erinnere mich noch genau an diese Nacht, die Aufregung hielt mich wach.“
Die Forscher mussten auch „Lokalisierungs“-Modifikationen an den transgenen Spinnenseidenproteinen durchführen, damit diese richtig mit Proteinen in den Seidenraupendrüsen interagieren und so sichergestellt werden konnten, dass die Faser richtig gesponnen wird. Als Leitfaden für die Modifikationen entwickelte das Team ein „minimales Grundstrukturmodell“ von Seidenraupenseide.
„Dieses in dieser Arbeit vorgestellte Konzept der ‚Lokalisierung‘ stellt zusammen mit dem vorgeschlagenen minimalen Strukturmodell eine deutliche Abweichung von früheren Forschungen dar“, sagt Mi. „Wir sind zuversichtlich, dass eine groß angelegte Kommerzialisierung bevorsteht.“
Zukunftsaussichten
Künftig plant Mi, die in der aktuellen Studie gewonnenen Erkenntnisse über die Zähigkeit und Festigkeit von Spinnenseidenfasern zu nutzen, um gentechnisch veränderte Seidenraupen zu entwickeln, die Spinnenseidenfasern sowohl aus natürlichen als auch aus künstlichen Fasern produzieren Aminosäuren.
„Die Einführung von über hundert manipulierten Aminosäuren birgt ein grenzenloses Potenzial für manipulierte Spinnenseidenfasern“, sagt Mi.
Referenz: „Hochfeste und ultra-robuste ganze Spinnenseidenfasern, gesponnen aus transgenen Seidenraupen“ von Junpeng Mi, Yizhong Zhou, Sanyuan Ma, Xingping Zhou, Shouying Xu, Yuchen Yang, Yuan Sun, Qingyou Xia, Hongnian Zhu, Suyang Wang, Luyang Tian und Qing Meng, 20. September 2023, Gegenstand.
DOI: 10.1016/j.matt.2023.08.013
Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China, der Key Projects of Science and Technology Commission der Shanghai Municipality, der International Cooperation Projects of Science and Technology Commission der Shanghai Municipality und Fundamental Research Funds für die Zentraluniversitäten unterstützt.