Hydrodynamische Fokussierung

Künstliche Seide aus Kuhmolke

Ein schwedisch-deutsches Forscherteam hat bei DESY einen zentralen Prozess für die künstliche Produktion von Seide entschlüsselt. Mit Hilfe von intensivem Röntgenlicht konnten die Wissenschaftler beobachten, wie sich kleine Proteinstückchen – sogenannte Fibrillen – zu einem Faden verhaken.

Durch die hydrodynamische Fokussierung mit Hilfe seitlicher Wasserstrahlen verknäulen sich die Proteinfibrillen zu einer Mikrofaser (Bild: DESY/Eberhard Reimann).

Die Natur nachzuahmen ist bei der Gewinnung künstlicher Seide besonders schwierig. Das schwedische Team setzt dabei auf eine Selbstmontage des biologischen Ausgangsmaterials. „Das ist ein im Grunde sehr einfacher Prozess“, erläutert Lundell. „Manche Proteine bilden unter den richtigen Umgebungsbedingungen von selbst Nanofibrillen. Diese Proteinfibrillen werden dann in einer Trägerflüssigkeit durch einen Kanal gepresst, in dem sie mit zusätzlichen seitlichen Wasserstrahlen so stark verdichtet werden, dass sie sich zusammenlagern und eine Faser formen.“ Die Forscher nennen letzteren Prozess hydrodynamische Fokussierung. Auf diese Weise hatte ein Team um Lundell auch bereits künstliche Holzfasern aus Zellulosefädchen hergestellt. „Tatsächlich hat der Prozess einige Gemeinsamkeit mit der Art und Weise, wie Spinnen ihre Seide produzieren“, sagt Lendel.

Molke-Protein als Ausgangsmaterial

Als Ausgangsmaterial nutzten die Forscher in der aktuellen Studie ein Molke-Protein, das unter dem Einfluss von Hitze und Säure Nanofibrillen bildet. Die längsten und dicksten Fibrillen entstehen bei einer Proteinkonzentration von weniger als 4 % in der Lösung. Sie werden im Mittel knapp 2000 nm lang und 4...7 nm dick. Bei einer Proteinkonzentration von mehr als 6 % in der Lösung bleiben die Fibrillen dagegen mit durchschnittlich 40 nm deutlich kürzer und werden auch nur 2...3 nm dick. Zudem sind sie wurmartig gekrümmt statt gerade und 15...25 Mal weicher als die langen Fibrillen.

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Im Labor zeigte sich jedoch, dass aus den langen, geraden Fibrillen schlechtere Fasern entstehen als aus den kurzen, gekrümmten. Mit DESYs extrem heller Röntgenlichtquelle PETRA III konnten die Wissenschaftler nun erkunden, warum dies so ist. „Die krummen Nanofibrillen verhaken sich viel besser miteinander als die geraden. Im Röntgenstreubild sieht man, dass die Struktur der gekrümmten Fibrillen auch in der fertigen Faser erhalten bleibt“, berichtet Ko-Autor Roth, der die DESY-Messstation P03 leitet, an der die Versuche stattfanden.

„Die stärksten Fasern entstehen bei einer ausgewogenen Balance zwischen einer geordneten Nanostruktur des Materials und einer Verflechtung der Fibrillen“, ergänzt Lendel. „Natürliche Seide hat eine noch komplexere Struktur aus evolutionär optimierten Proteinen. Sie fügen sich so zusammen, dass es sowohl Regionen mit starker Ordnung gibt, sogenannte Beta-Sheets, die der Faser Stärke verleihen, als auch Regionen mit geringer Ordnung, die der Faser Flexibilität geben. Die Faserstrukturen der künstlichen und der natürlichen Seide unterscheiden sich allerdings wesentlich. Insbesondere haben die Proteinketten in natürlicher Seide eine größere Zahl intermolekularer Wechselwirkungen, die die Proteine verbinden und zu einer stärkeren Faser führen.“

In den Laborversuchen entstanden etwa 5 mm lange künstliche Seidenfasern von mittlerer Qualität. „Wir haben das Molkeprotein benutzt, um das zu Grunde liegende Prinzip zu verstehen“, erläutert Lendel. „Der gesamte Prozess lässt sich nun optimieren, um Fasern mit besseren oder maßgeschneiderten Eigenschaften herzustellen.“ Die Erkenntnisse könnten dabei auch der Entwicklung anderer Materialien mit neuartigen Eigenschaften dienen, etwa künstlichem Gewebe für die Medizin.

Das Team um Dr. Christofer Lendel und Dr. Fredrik Lundell von der Königlich-Technischen Hochschule (KTH) Stockholm stellte seine Ergebnisse jetzt in den „Proceedings“ der US-Akademie der Wissenschaften vor: Flow-assisted assembly of nanostructured protein microfibers; Ayaka Kamada, Nitesh Mittal, L. Daniel Söderberg, Tobias Ingverud, Wiebke Ohm, Stephan Roth, Fredrik Lundell, Christofer Lendel; „Proceedings of the National Academy of Sciences” (PNAS), 2017; DOI: 10.1073/pnas.1617260114.

Über DESY

Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY ist das führende deutsche Beschleunigerzentrum und eines der führenden weltweit. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft und wird zu 90 % vom BMBF und zu 10 % von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert. An seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen bei Berlin entwickelt, baut und betreibt DESY große Teilchenbeschleuniger und erforscht damit die Struktur der Materie. Die Kombination von Forschung mit Photonen und Teilchenphysik bei DESY ist einmalig in Europa.

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