Spinnenseide - Spider silk

Eine Gartenspinne spinnt ihr Netz

Ein weibliches Exemplar von Argiope bruennichi hüllt ihre Beute in Seide.

Indian Summer von Józef Chełmoński (1875, Nationalmuseum in Warschau ) zeigt eine Bäuerin mit einem hauchdünnen Faden in der Hand.

Spinnenkokon

Spinnenseide ist ein Protein Faser durch Spinn Spinnen . Spinnen verwenden ihre Seide , um Netze oder andere Strukturen herzustellen , die als klebrige Netze zum Fangen anderer Tiere oder als Nester oder Kokons zum Schutz ihrer Nachkommen oder zum Einwickeln von Beute dienen. Sie können ihre Seide auch verwenden, um sich aufzuhängen, durch die Luft zu schweben oder von Raubtieren wegzugleiten. Die meisten Spinnen variieren die Dicke und Klebrigkeit ihrer Seide für verschiedene Zwecke.

In einigen Fällen können Spinnen sogar Seide als Nahrungsquelle verwenden. Während Methoden entwickelt wurden, um Seide mit Gewalt von einer Spinne zu sammeln, ist es im Vergleich zu seidenspinnenden Organismen wie Seidenraupen schwierig, Seide von vielen Spinnen zu sammeln .

Alle Spinnen produzieren Seide , und selbst bei Spinnen , die keine Netze aufbauen , ist Seide eng mit Balz und Paarung verbunden. Von Weibchen produzierte Seide bietet einen Übertragungskanal für männliche Balzsignale, während Netze und Schleppleinen ein Substrat für weibliche Sexualpheromone bieten. Beobachtungen von männlichen Spinnen, die während sexueller Interaktionen Seide produzieren, sind auch bei phylogenetisch weit verbreiteten Taxa üblich. Die Funktion männlicher Seide bei der Paarung wurde jedoch nur sehr wenig untersucht.

Biodiversität

Verwendet

Alle Spinnen produzieren Seide, und eine einzelne Spinne kann bis zu sieben verschiedene Arten von Seide für verschiedene Zwecke herstellen. Dies steht im Gegensatz zu Insektenseiden, bei denen ein Individuum normalerweise nur eine Seidensorte produziert. Spinnenseide kann auf viele verschiedene ökologische Arten verwendet werden, jede mit Eigenschaften, die der Funktion der Seide entsprechen. Mit der Entwicklung der Spinnen haben sich auch die Komplexität und die vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten ihrer Seiden entwickelt, zum Beispiel von primitiven Röhrennetzen vor 300 bis 400 Millionen Jahren bis zu komplexen Kugelnetzen vor 110 Millionen Jahren.

Typen

Eine weibliche Argiope picta, die ihre Beute bewegungsunfähig macht, indem sie einen Vorhang aus azinförmiger Seide um das Insekt für den späteren Verzehr wickelt

Die Erfüllung der Spezifikation für all diese ökologischen Anwendungen erfordert verschiedene Seidenarten, die für unterschiedliche breite Eigenschaften geeignet sind, entweder als Faser, als Faserstruktur oder als Seidenkugel. Diese Typen umfassen Klebstoffe und Fasern. Einige Arten von Fasern werden zur strukturellen Unterstützung verwendet, andere zum Aufbau von Schutzstrukturen. Einige können Energie effektiv absorbieren, während andere Vibrationen effizient übertragen. Bei einer Spinne werden diese Seidenarten in verschiedenen Drüsen produziert; so kann die Seide einer bestimmten Drüse mit ihrer Verwendung durch die Spinne in Verbindung gebracht werden.

Eigenschaften

Mechanische Eigenschaften

Jede Spinne und jede Seidenart hat eine Reihe von mechanischen Eigenschaften, die für ihre biologische Funktion optimiert sind.

Die meisten Seiden, insbesondere Dragline-Seide, haben außergewöhnliche mechanische Eigenschaften. Sie weisen eine einzigartige Kombination aus hoher Zugfestigkeit und Dehnbarkeit ( Duktilität ) auf. Dadurch kann eine Seidenfaser vor dem Brechen eine große Energiemenge absorbieren ( Zähigkeit , der Bereich unter einer Spannungs-Dehnungs-Kurve).

Eine Veranschaulichung der Unterschiede zwischen Zähigkeit, Steifigkeit und Festigkeit

Ein häufiger Fehler in den Mainstream-Medien besteht darin, Stärke und Zähigkeit zu verwechseln, wenn Seide mit anderen Materialien verglichen wird. Gewicht für Gewicht ist Seide stärker als Stahl, aber nicht so stark wie Kevlar . Seide ist jedoch härter als beides.

Die Variabilität der mechanischen Eigenschaften von Spinnenseidenfasern kann wichtig sein und hängt mit ihrem Grad der molekularen Ausrichtung zusammen. Die mechanischen Eigenschaften hängen stark von den Umgebungsbedingungen, dh Feuchtigkeit und Temperatur ab.

Stärke

Eine der Abseilfaden Zugfestigkeit ist vergleichbar mit derjenigen von hochwertigen Legierung Stahl (450-2000 MPa) und etwa halb so stark wie Aramid - Fasern, wie beispielsweise Twaron oder Kevlar (3000 MPa).

Dichte

Seide besteht hauptsächlich aus Protein und hat etwa ein Sechstel der Dichte von Stahl (1,3 g/cm ³ ). Infolgedessen würde ein Strang, der lang genug ist, um die Erde zu umkreisen, weniger als 500 Gramm wiegen. (Spinnenbaggerseide hat eine Zugfestigkeit von ungefähr 1,3  GPa . Die angegebene Zugfestigkeit für Stahl kann etwas höher sein – zB 1,65 GPa, aber Spinnenseide ist ein viel weniger dichtes Material, so dass ein gegebenes Gewicht von Spinnenseide fünfmal so groß ist stark wie das gleiche Gewicht von Stahl.)

Energiedichte

Die Energiedichte von Baggerspinnenseide beträgt ungefähr1,2 × 10 ⁸  J/m ³ .

Erweiterbarkeit

Seiden sind auch extrem duktil , manche können sich bis zum Fünffachen ihrer entspannten Länge dehnen, ohne zu brechen.

Zähigkeit

Die Kombination von Festigkeit und Duktilität verleiht Baggerseiden eine sehr hohe Zähigkeit (oder Brucharbeit), die "der kommerziellen Polyaramid- Filamente ( aromatisches Nylon ) gleichkommt , die selbst Benchmarks der modernen Polymerfasertechnologie sind".

Temperatur

Obwohl es unwahrscheinlich ist, dass sie in der Natur relevant sind, können Baggerseiden ihre Festigkeit unter -40 ° C (-40 ° F) und bis zu 220 ° C (428 ° F) halten. Wie bei vielen Materialien durchlaufen Spinnenseidenfasern einen Glasübergang . Die Glasübergangstemperatur hängt von der Luftfeuchtigkeit ab, da Wasser ein Weichmacher für die Seide ist.

Superkontraktion

Wenn sie Wasser ausgesetzt wird, ziehen sich Baggerseiden einer Superkontraktion durch, schrumpfen um bis zu 50 % in der Länge und verhalten sich wie ein schwacher Gummi unter Spannung. Zu seiner Verwendung in der Natur wurden viele Hypothesen aufgestellt, wobei die beliebteste darin besteht, nachts mithilfe des Morgentaues automatisch Netze zu spannen.

Höchstleistung

Die härteste bekannte Spinnenseide wird von der Art Darwin-Rindenspinne ( Caerostris darwini ) produziert: "Die Zähigkeit von zwangsseideten Fasern beträgt durchschnittlich 350 MJ/m ³ , wobei einige Proben 520 MJ/m ^{3 erreichen} . Somit ist C. darwini- Seide mehr als doppelt so zäh wie jede zuvor beschriebene Seide und mehr als zehnmal zäher als Kevlar".

Klebeeigenschaften

Seidenfaser ist ein zweikomponentiges birnenförmiges Sekret, das zu Mustern gesponnen wird (sogenannte "Befestigungsscheiben"), die verwendet werden, um Seidenfäden mit einem Minimum an Seidensubstrat an verschiedene Oberflächen zu kleben. Die birnenförmigen Fäden polymerisieren unter Umgebungsbedingungen, werden sofort funktionstüchtig und unbegrenzt verwendbar, bleiben dabei biologisch abbaubar, vielseitig und verträglich mit zahlreichen anderen Materialien in der Umwelt. Die Haft- und Haltbarkeitseigenschaften der Aufsatzscheibe werden durch Funktionen innerhalb der Spinndüsen gesteuert. Einige Hafteigenschaften der Seide ähneln Leim , bestehend aus Mikrofibrillen und Lipidhüllen .

Arten von Seide

Viele Spinnenarten haben unterschiedliche Drüsen , um Seide mit unterschiedlichen Eigenschaften für verschiedene Zwecke zu produzieren, einschließlich Wohnen, Netzkonstruktion , Verteidigung, Fangen und Festhalten von Beute , Eierschutz und Mobilität (feiner "hauchdünner" Faden zum Aufblähen oder für einen Strang, der die Spinne herunterfallen, wenn Seide extrudiert wird). Es haben sich verschiedene Spezialseiden mit Eigenschaften entwickelt, die für verschiedene Anwendungen geeignet sind. Zum Beispiel, Argiope argen hat fünf verschiedene Arten von Seide, die jeweils für einen anderen Zweck verwendet:

Struktur

Makroskopische Struktur bis hinunter zur Proteinhierarchie

Struktur aus Spinnenseide. Innerhalb einer typischen Faser gibt es kristalline Bereiche, die durch amorphe Bindungen getrennt sind. Die Kristalle sind Beta-Sheets, die sich zusammengefügt haben.

Seide hat wie viele andere Biomaterialien eine hierarchische Struktur. Die Primärstruktur ist die Aminosäuresequenz seiner Proteine ​​( Spidroin ), die hauptsächlich aus stark repetitiven Glycin- und Alaninblöcken besteht, weshalb Seide oft als Blockcopolymer bezeichnet wird. Auf Sekundärstrukturebene findet sich das kurzseitenkettige Alanin hauptsächlich in den kristallinen Domänen ( Beta-Faltblättern ) der Nanofibrillen, Glycin findet sich meist in der sogenannten amorphen Matrix bestehend aus Helix- und Beta-Turn-Strukturen. Es ist das Zusammenspiel zwischen den harten kristallinen Segmenten und den gespannten elastischen semi-amorphen Bereichen, die der Spinnenseide ihre außergewöhnlichen Eigenschaften verleihen. Verschiedene andere Verbindungen als Protein werden verwendet, um die Eigenschaften der Faser zu verbessern. Pyrrolidin hat hygroskopische Eigenschaften, die die Seide feucht halten und gleichzeitig das Eindringen von Ameisen abwehren. Es kommt in besonders hoher Konzentration in Leimfäden vor. Kaliumhydrogenphosphat Freisetzungen Wasserstoffionen in wässriger Lösung, was zu einem pH - Wert von etwa 4, wodurch die Seide sauren und damit es von Schutz Pilzen und Bakterien , die das Protein sonst verdauen würden. Es wird angenommen, dass Kaliumnitrat die Denaturierung des Proteins im sauren Milieu verhindert.

Dieses erste sehr grundlegende Seidenmodell wurde 1994 von Termonia eingeführt, der Kristallite vorschlug, die in eine amorphe Matrix eingebettet sind, die mit Wasserstoffbrücken verbunden ist. Dieses Modell wurde im Laufe der Jahre verfeinert: Es wurden teilkristalline Regionen gefunden sowie ein für Spinnenseide vorgeschlagenes fibrilläres Hautkernmodell, das später durch AFM und TEM visualisiert wurde . Die Größen der nanofibrillaren Struktur und der kristallinen und halbkristallinen Bereiche wurden durch Neutronenstreuung aufgedeckt .

Es ist möglich, mikrostrukturelle Informationen und makroskopische mechanische Eigenschaften der Fasern in Beziehung zu setzen. Die Ergebnisse zeigen, dass geordnete Bereiche (i) bei schwach gedehnten Fasern hauptsächlich durch Verformung umorientieren und (ii) der Anteil geordneter Bereiche bei stärkerer Dehnung der Fasern progressiv zunimmt.

• 

  Schema des Spinnenkugelnetzes, der Strukturmodule und der Spinnenseidenstruktur. Auf der linken Seite ist eine schematische Zeichnung eines Kugelnetzes gezeigt. Die roten Linien stellen die Schleppleine, die radiale Linie und die Rahmenlinien dar, die blauen Linien stellen die Spirallinie dar und die Mitte des Kugelnetzes wird als "Nabe" bezeichnet. Blau gezeichnete klebrige Kugeln werden in gleichen Abständen auf der Spirallinie mit viskosem Material hergestellt, das von der Aggregatdrüse abgesondert wird. Der aus der Drüse piriformis abgesonderte Befestigungszement wird verwendet, um verschiedene Leitungen zu verbinden und zu fixieren. Mikroskopisch besteht die Spinnenseiden-Sekundärstruktur aus Spidroin und soll die rechts abgebildete Struktur haben. In Grabseil und Radiallinie sind ein kristallines β-Faltblatt und eine amorphe Helixstruktur verwoben. Die große Menge an β-Spiralstruktur verleiht dem Einfangteil des Kugelgewebes elastische Eigenschaften. Im Strukturmodul-Diagramm ist eine mikroskopische Struktur aus Grabseil und radialen Linien gezeigt, die hauptsächlich aus zwei Proteinen von MaSp1 und MaSp2 besteht, wie im oberen mittleren Teil gezeigt. In der Spirallinie gibt es keine kristalline β-Faltblatt-Region.

Nicht-Protein-Zusammensetzung

In Spinnenseide finden sich neben Proteinen verschiedene Verbindungen wie Zucker, Lipide, Ionen und Pigmente, die das Aggregationsverhalten beeinflussen und als Schutzschicht in der fertigen Faser wirken können.

Biosynthese und Faserspinnen

Die Herstellung von Seide, auch Spinnenseide, unterscheidet sich in einem wichtigen Aspekt von der Herstellung der meisten anderen faserigen biologischen Materialien: Anstatt als Keratin in Haaren, Zellulose in den Zellwänden von Pflanzen oder gar den Fasern, die aus dem kompaktierten Fäkalien von Käfern; es wird nach Bedarf aus flüssiger Seidenvorstufe aus spezialisierten Drüsen "gesponnen".

Der Spinnprozess tritt auf, wenn eine Faser vom Körper einer Spinne weggezogen wird, sei es durch die Beine der Spinne, durch das Fallen der Spinne unter ihrem eigenen Gewicht oder durch eine andere Methode, einschließlich des Ziehens durch den Menschen. Der Begriff „Spinnen“ ist irreführend, da keine Rotation eines Bauteils stattfindet, sondern in Analogie zu den textilen Spinnrädern auftritt . Die Seidenherstellung ist eine Pultrusion , ähnlich der Extrusion, mit der Feinheit, dass die Kraft durch Ziehen an der fertigen Faser induziert wird, anstatt aus einem Reservoir herausgedrückt zu werden. Die ungesponnene Seidenfaser wird durch Seidendrüsen gezogen , von denen es bei jeder Spinnenart sowohl zahlreiche Duplikate als auch verschiedene Arten von Drüsen geben kann.

Seidendrüse

Schematische Darstellung der Spinnen-Spinnvorrichtung und Strukturhierarchie beim Zusammenfügen von Seide in Bezug auf das Zusammenfügen zu Fasern. Im Prozess der Dragline-Produktion wird das Primärstrukturprotein zuerst aus sekretorischen Granula im Schwanz sezerniert. Im Ampullat (neutrale Umgebung, pH = 7) bilden die Proteine ​​durch Selbstorganisation eine weiche Mizelle von mehreren zehn Nanometern, da die hydrophilen Enden ausgeschlossen sind. Im Ampullat ist die Konzentration des Proteins sehr hoch. Dann werden die Mizellen in den Kanal gequetscht. Die Längsachsenrichtung der Moleküle wird durch eine mechanische Reibungskraft parallel zum Kanal ausgerichtet und teilweise orientiert. Die kontinuierliche Absenkung des pH-Wertes von 7,5 auf 8,0 im Schwanz auf vermutlich nahe 5,0 erfolgt am Ende des Ganges. Ionenaustausch, Ansäuerung und Wasserentfernung finden alle im Kanal statt. Die Scher- und Dehnungskräfte führen zur Phasentrennung. Im sauren Bad des Kanals erreichen die Moleküle einen hochkonzentrierten Flüssigkristallzustand. Schließlich wird die Seide aus der sich verjüngenden Außenseite gesponnen. Aus dem Flüssigkristall werden die Moleküle zu stabileren Helixen und β-Faltblättern.

Der sichtbare oder äußere Teil der Drüse wird als Spinndüse bezeichnet . Je nach Komplexität der Art haben Spinnen zwei bis acht Spinndüsen, normalerweise paarweise. Es gibt sehr unterschiedliche spezialisierte Drüsen in verschiedenen Spinnen, von einem einfachen Sack mit einer Öffnung an einem Ende bis zu den komplexen, mehrteiligen großen Ampullendrüsen der goldenen Seidenkugelweber .

Hinter jeder auf der Spinnenoberfläche sichtbaren Spinndüse liegt eine Drüse, deren verallgemeinerte Form in der Abbildung rechts "Schema einer verallgemeinerten Drüse" dargestellt ist.

Schema einer generalisierten Drüse eines goldenen Seidenkugelwebers . Jeder andersfarbige Abschnitt hebt einen diskreten Abschnitt der Drüse hervor.

Drüseneigenschaften

1. Der erste Abschnitt der Drüse, der in Abbildung 1 mit 1 gekennzeichnet ist, ist der sekretorische oder Schwanzabschnitt der Drüse. Die Wände dieses Abschnitts sind mit Zellen ausgekleidet, die die Proteine ​​Spidroin I und Spidroin II absondern, die Hauptbestandteile der Schleppleine dieser Spinne. Diese Proteine ​​liegen in Form von Tröpfchen vor, die sich allmählich verlängern, um entlang der Länge der endgültigen Faser lange Kanäle zu bilden, von denen angenommen wird, dass sie dazu beitragen, die Rissbildung oder sogar die Selbstheilung der Faser zu verhindern.
2. Der zweite Abschnitt ist der Aufbewahrungsbeutel. Dieser speichert und erhält die gelartige ungesponnene Seidenmasse, bis sie von der Spinne benötigt wird. Es speichert nicht nur das ungesponnene Seidengel, sondern sondert auch Proteine ​​ab, die die Oberfläche der fertigen Faser beschichten.
3. Der Trichter reduziert den großen Durchmesser des Vorratssacks schnell auf den kleinen Durchmesser des sich verjüngenden Kanals.
4. Die endgültige Länge ist der sich verjüngende Kanal, der Ort der meisten Faserbildung. Diese besteht aus einem sich verjüngenden Rohr mit mehreren engen Windungen, einem Ventil fast am Ende (in Punkt 5 unten ausführlich erwähnt), das in einem Zapfen endet, aus dem die feste Seidenfaser austritt. Der Schlauch verjüngt sich hier hyperbolisch, daher steht die ungesponnene Seide unter ständiger Dehnungsschubspannung, die ein wichtiger Faktor bei der Faserbildung ist. Dieser Abschnitt des Kanals ist mit Zellen ausgekleidet, die Ionen austauschen, den pH-Wert der Dope von neutral auf sauer reduzieren und Wasser aus der Faser entfernen. Zusammen bewirken die Scherspannung und die Ionen- und pH-Änderungen, dass die flüssige Seidenlösung einen Phasenübergang durchläuft und zu einer festen Proteinfaser mit hoher molekularer Organisation kondensiert. Der Zapfen am Ende hat Lippen, die sich um die Faser klemmen, den Faserdurchmesser kontrollieren und weiter Wasser zurückhalten.
5. Fast am Ende des sich verjüngenden Kanals befindet sich ein Ventil, ungefähre Position mit "5" in Abbildung 1 gekennzeichnet. Obwohl es vor einiger Zeit entdeckt wurde, wird der genaue Zweck dieses Ventils immer noch diskutiert. Es wird angenommen, dass es beim Wiederanzünden und Wiederverbinden von gebrochenen Fasern hilft, indem es stark wie eine Schraubenpumpe wirkt , die Dicke der Faser reguliert und/oder die Faser festklemmt, wenn eine Spinne darauf fällt. Es gibt einige Diskussionen über die Ähnlichkeit der Seidenpresse der Seidenraupe und die Rolle, die jedes dieser Ventile bei der Seidenproduktion in diesen beiden Organismen spielt.

Während des gesamten Prozesses scheint die ungesponnene Seide eine nematische Textur zu haben, ähnlich einem Flüssigkristall , was teilweise auf die extrem hohe Proteinkonzentration der Seidenspinne (etwa 30 % bezogen auf das Gewicht pro Volumen) zurückzuführen ist. Dadurch kann die ungesponnene Seide als Flüssigkeit durch den Kanal fließen, aber eine molekulare Ordnung beibehalten.

Als Beispiel für ein komplexes Spinnfeld besteht der Spinndüsenapparat eines erwachsenen Araneus diadematus (Gartenkreuzspinne) aus den unten abgebildeten Drüsen. Eine ähnliche Mehrfachdrüsenarchitektur existiert bei der Schwarzen Witwenspinne.

• 500 birnenförmige Drüsen für Befestigungspunkte
• 4 Ampullenverschraubungen für den Stegrahmen
• ca. 300 aciniforme Drüsen für die äußere Auskleidung von Eiersäcken und zum Umgarnen von Beutetieren
• 4 tubuliforme Drüsen für Eiersackseide
• 4 Aggregatverschraubungen für Klebefunktionen
• 2 Kronendrüsen für den Faden von Adhäsionslinien

Künstliche Synthese

Einzelstrang künstliche Spinnenseide unter Laborbedingungen hergestellt

Um Spinnenseide künstlich zu Fasern zu synthetisieren, müssen zwei große Bereiche abgedeckt werden. Diese sind die Synthese des Ausgangsmaterials (die ungesponnene Seidenmasse in Spinnen) und die Synthese der Spinnbedingungen (Trichter, Ventil, sich verjüngender Kanal und Zapfen). Es gab eine Reihe verschiedener Ansätze, aber nur wenige dieser Methoden haben Seide produziert, die effizient zu Fasern synthetisiert werden kann.

Ausgangsmaterial

Die Molekularstruktur von ungesponnener Seide ist sowohl komplex als auch extrem lang. Dies verleiht den Seidenfasern zwar ihre wünschenswerten Eigenschaften, macht aber auch die Replikation der Faser zu einer Herausforderung. Verschiedene Organismen wurden als Grundlage für Versuche verwendet, einige Komponenten oder alle oder einige oder alle der beteiligten Proteine ​​zu replizieren. Diese Proteine ​​müssen dann extrahiert, gereinigt und dann versponnen werden, bevor ihre Eigenschaften getestet werden können.

Geometrie

Spinnenseiden mit vergleichsweise einfacher Molekularstruktur benötigen komplexe Kanäle, um eine effektive Faser spinnen zu können. Es gibt eine Reihe von Verfahren zur Herstellung von Fasern, von denen die Haupttypen im Folgenden kurz diskutiert werden.

Spritze und Nadel

Der Rohstoff wird einfach mit einer Spritze durch eine Hohlnadel gepresst. Dieses Verfahren hat sich bei mehreren Gelegenheiten als erfolgreich zur Herstellung von Fasern erwiesen.

Obwohl sehr billig und einfach herzustellen, werden Form und Zustand der Drüse sehr lose angenähert. Fasern, die unter Verwendung dieses Verfahrens hergestellt werden, müssen möglicherweise durch Entfernen des Wassers aus der Faser mit Chemikalien wie dem umweltschädlichen Methanol oder Aceton gefördert werden, um von flüssig zu fest zu wechseln , und können auch ein Nachstrecken der Faser erfordern, um Fasern mit wünschenswerten Eigenschaften zu erhalten.

Mikrofluidik

Mit zunehmender Reife des Gebiets der Mikrofluidik ist es wahrscheinlich, dass mehr Versuche unternommen werden, Fasern mithilfe von Mikrofluidik zu spinnen. Diese haben den Vorteil, dass sie sehr kontrollierbar sind und in der Lage sind, sehr kleine Volumina an ungesponnener Faser zu testen, aber die Einrichtungs- und Entwicklungskosten sind wahrscheinlich hoch. In diesem Bereich wurde ein Patent für das Spinnen von Fasern in einem Verfahren erteilt, das dem in der Natur vorkommenden Verfahren nachempfunden ist, und Fasern werden von einem kommerziellen Unternehmen erfolgreich kontinuierlich gesponnen.

Elektrospinnen

Elektrospinnen ist eine sehr alte Technik, bei der eine Flüssigkeit in einem Behälter so gehalten wird, dass sie durch Kapillarwirkung ausfließen kann. Darunter wird ein leitfähiges Substrat positioniert, und zwischen der Flüssigkeit und dem Substrat wird eine große elektrische Potentialdifferenz angelegt. Die Flüssigkeit wird vom Substrat angezogen, und winzige Fasern springen fast augenblicklich von ihrem Austrittspunkt, dem Taylor-Kegel , zum Substrat und trocknen auf ihrem Weg. Es hat sich gezeigt, dass diese Methode nanoskalige Fasern aus sowohl aus Organismen sezierter Seide als auch aus regeneriertem Seidenfibroin erzeugt .

Andere künstliche Formen aus Seide

Seide kann in andere Formen und Größen geformt werden, wie zum Beispiel kugelförmige Kapseln für die Medikamentenabgabe, Zellgerüste und Wundheilung, Textilien, Kosmetika, Beschichtungen und viele andere. Spinnenseidenproteine ​​können sich auch auf superhydrophoben Oberflächen selbst anordnen, um Nanodrähte sowie mikrometergroße kreisförmige Schichten zu erzeugen. Kürzlich wurde gezeigt, dass sich rekombinante Spinnenseidenproteine ​​an der Flüssigkeits-Luft-Grenzfläche einer stehenden Lösung selbst anordnen können, um proteindurchlässige, starke und flexible Nanomembranen zu bilden, die die Zellproliferation unterstützen. Zu den vorgeschlagenen Anwendungen gehören Hauttransplantationen und unterstützende Membranen in Organ-on-a-Chip. Diese Spinnenseiden-Nanomembranen wurden auch verwendet, um ein statisches In-vitro- Modell eines Blutgefäßes zu erstellen .

Forschungsmeilensteine

Da Spinnenseide ein wissenschaftliches Forschungsgebiet mit einer langen und reichen Geschichte ist, kann es unglücklich vorkommen, dass Forscher zuvor veröffentlichte Ergebnisse unabhängig voneinander wiederentdecken. Was folgt, ist eine Tabelle der Entdeckungen, die in jedem der konstituierenden Bereiche gemacht wurden, die von der wissenschaftlichen Gemeinschaft als relevant und signifikant anerkannt wurden, indem die Metrik der wissenschaftlichen Akzeptanz, Zitate, verwendet wurde. Daher werden nur Arbeiten mit 50 oder mehr Zitationen berücksichtigt.

Verwendung durch den Menschen

Ein Umhang aus Madagaskar aus goldener Kugelspinnenseide

Bauern in den Südkarpaten schnitten früher die von Atypus gebauten Schläuche auf und bedeckten Wunden mit der Innenauskleidung. Berichten zufolge erleichterte es die Heilung und verband sich sogar mit der Haut. Dies liegt vermutlich an den antiseptischen Eigenschaften der Spinnenseide und daran, dass die Seide reich an Vitamin K ist , das bei der Blutgerinnung wirksam sein kann. Aufgrund der Schwierigkeiten bei der Gewinnung und erhebliche Mengen von Spinnenseide Verarbeitung, das größte bekannte Stück Tuch ist von Spinnenseide ein 11-by-4-Fuß (3,4 um 1,2 m) Textils mit einem goldenen Farbton im gemacht Madagaskar 2009. 82 Menschen arbeiteten vier Jahre lang, um über eine Million goldene Kugelspinnen zu sammeln und Seide aus ihnen zu gewinnen.

Die Seide von Nephila clavipes wurde in der Forschung zur neuronalen Regeneration von Säugetieren verwendet .

Spinnenseide wurde als Faden für Fadenkreuze in optischen Instrumenten wie Teleskopen, Mikroskopen und Zielfernrohren verwendet . Im Jahr 2011 wurden Spinnenseidenfasern im Bereich der Optik verwendet, um sehr feine Beugungsmuster über interferometrischen N-Spalt-Signalen zu erzeugen, die in der optischen Kommunikation verwendet werden. Im Jahr 2012 wurden Spinnenseidenfasern verwendet, um einen Satz Geigensaiten herzustellen.

Die Entwicklung von Methoden zur Massenproduktion von Spinnenseide hat zur Herstellung von Militär-, Medizin- und Konsumgütern wie ballistischen Rüstungen , Sportschuhen, Körperpflegeprodukten , Brustimplantaten und Katheterbeschichtungen , mechanischen Insulinpumpen , modischer Kleidung und Oberbekleidung geführt .

Spinnenseide wird verwendet, um Fusionsziele mit Trägheitseinschluss während der Laserzündung aufzuhängen , da sie beträchtlich elastisch bleibt und eine hohe Energie zum Brechen bei niedrigen Temperaturen von 10–20 K aufweist. Darüber hinaus besteht sie aus "leichten" Ordnungszahlelementen, die emittiert während der Bestrahlung keine Röntgenstrahlen , die das Target vorheizen könnten, so dass die für die Fusion erforderliche Druckdifferenz nicht erreicht wird.

Spinnenseide wurde verwendet, um Biolinsen herzustellen, die in Verbindung mit Lasern verwendet werden könnten, um hochauflösende Bilder des Inneren des menschlichen Körpers zu erstellen. [1]

Versuche zur Herstellung von synthetischer Spinnenseide

Vorgeschlagener Rahmen für die Herstellung künstlicher Haut aus Spinnenseide, um Patienten mit Verbrennungen zu helfen.

Die komplexen Bedingungen für die Herstellung von Fasern, die mit Spinnenseide vergleichbar sind, nachzubilden, hat sich in der Forschung und in der frühen Produktionsphase als schwierig erwiesen. Durch Gentechnik wurden Escherichia coli- Bakterien, Hefen, Pflanzen, Seidenraupen und andere Tiere als Seidenraupen verwendet, um Spinnenseidenproteine ​​herzustellen, die andere, einfachere Eigenschaften als die einer Spinne haben. Die Extrusion von Proteinfasern in einer wässrigen Umgebung ist als "Nassspinnen" bekannt. Mit diesem Verfahren wurden bisher Seidenfasern mit Durchmessern von 10 bis 60 µm hergestellt, während natürliche Spinnenseide Durchmesser von 2,5 bis 4 µm hat. Künstliche Spinnenseide hat weniger und einfachere Proteine ​​als natürliche Baggerseide und hat folglich den halben Durchmesser, die Stärke und Flexibilität von natürlicher Baggerseide.

• Im März 2010 gelang es Forschern des Korea Advanced Institute of Science & Technology , Spinnenseide direkt aus dem Bakterium E. coli herzustellen , das mit bestimmten Genen der Spinne Nephila clavipes modifiziert wurde . Dieser Ansatz macht das Melken von Spinnen überflüssig und ermöglicht eine kostengünstigere Herstellung der Spinnenseide.
• Ein 556 kDa Spinnenseidenprotein wurde aus 192 Wiederholungsmotiven des Nephila clavipes Dragline-Spidroins hergestellt, das ähnliche mechanische Eigenschaften wie ihre natürlichen Gegenstücke aufweist, dh Zugfestigkeit (1,03 ± 0,11 GPa), Modul (13,7 ± 3,0 GPa), Dehnbarkeit (18 ± 6% und Zähigkeit (114 ± 51 MJ/m3).
• Die Firma AMSilk hat Spidroin mit Hilfe von Bakterien entwickelt und daraus eine künstliche Spinnenseide gemacht.
• Das Unternehmen Bolt Threads stellt unter Verwendung von Hefe ein rekombinantes Spidroin für die Verwendung in Bekleidungsfasern und Körperpflegeprodukten her. Sie produzierten die ersten kommerziellen Bekleidungsprodukte aus rekombinanter Spinnenseide, die als Microsilk™ geschützt sind und in Krawatten und Mützen gezeigt werden. Sie haben sich auch mit der veganen Aktivistin und Luxusdesignerin Stella McCartney sowie Adidas zusammengetan , um Microsilk™-Kleidung herzustellen.
• Das Unternehmen Kraig Biocraft Laboratories nutzte Forschungsergebnisse der Universitäten Wyoming und Notre Dame , um Seidenraupen zu entwickeln, die genetisch verändert wurden, um Spinnenseide zu produzieren.
• Das inzwischen aufgelöste kanadische Biotechnologieunternehmen Nexia produzierte erfolgreich Spinnenseidenprotein in transgenen Ziegen , die das Gen dafür trugen; Die von den Ziegen produzierte Milch enthielt erhebliche Mengen des Proteins, 1–2 Gramm Seidenproteine ​​pro Liter Milch. Versuche, das Protein zu einer Faser ähnlich der natürlichen Spinnenseide zu verspinnen, führten zu Fasern mit einer Zähigkeit von 2–3 Gramm pro Denier . Nexia verwendete Nassspinnen und drückte die Seidenproteinlösung durch kleine Extrusionslöcher, um das Verhalten der Spinndüse zu simulieren, aber dieses Verfahren reichte nicht aus, um die stärkeren Eigenschaften der nativen Spinnenseide zu replizieren.
• Die Firma Spiber hat eine synthetische Spinnenseide hergestellt, die sie Q/QMONOS nennen. In Zusammenarbeit mit Goldwin wird derzeit ein Skiparka aus dieser synthetischen Spinnenseide getestet und soll bald für weniger als 120.000 YEN in Serie gehen.

Verweise

Externe Links

• "The Silk Spinners" , eine BBC-Sendung über Seide produzierende Tiere
• Wiesen, Robin (5. August 2014). „Wie Spinnen Seide spinnen“ . PLOS Biologie . 12 (8): e1001922. doi : 10.1371/journal.pbio.1001922 . PMC  4122354 . PMID  25093404 .
• Rejcek, Peter (11. April 2019). "Das verschlungene Netz, um Spinnenseide in ein Supermaterial zu verwandeln" . Singularitäts-Hub . Abgerufen am 24. April 2019 .
• Victoria and Albert Museum (29. Juli 2019). "Wie wurde es gemacht? Goldene Spinnenseide" . YouTube . Abgerufen am 8. August 2020 .
• "Synthetische Spinnenseide stärker und widerstandsfähiger als das Original" . Neuer Atlas . 21. Juli 2021 . Abgerufen am 21. Juli 2021 .