Förderprojekte

Förderbeginn 01.07.2019

Aufklärung des natürlichen Spinnprozesses von Spinnenseide

Prof. Dr. Thomas Scheibel
Universität Bayreuth
Chair of Biomaterials

Prof. Dr. Gregory Holland
San Diego State University
Department of Chemistry

Spinnenseide zeichnet sich durch außergewöhnliche mechanische Eigenschaften wie hohe Dehnbarkeit und Stabilität aus, deren Kombination in einer Belastbarkeit resultiert, die von keinem anderen Material erreicht wird. Aufgrund limitierter Verfügbarkeit des natürlichen Materials ist die biotechnologische Herstellung von Spinnenseidenproteinen in den Fokus der Forschung gerückt. Während des natürlichen Spinnprozesses spielen sowohl biochemische als auch physikalische Einflüsse eine wichtige Rolle, dazu zählen Veränderungen von pH und Salzkonzentration, Wasserentzug sowie Scherkräfte entlang des Spinnkanals. Der genaue Flüssig-fest-Phasenübergang von der Spinnlösung hin zur stabilen Faser ist allerdings noch nicht ausreichend aufgeklärt. Im Rahmen des Projekts soll die Frage beantwortet werden, unter welchen Bedingungen und strukturellen Gegebenheiten die mechanisch belastbaren Fasern gebildet werden. Hierfür sollen Spinnlösungen aus rekombinanten Spinnenseidenproteinen produziert werden, und der natürliche Spinnprozess biomimetisch nachgebildet werden. Sowohl die flüssige Spinnlösung, als auch die feste Faser werden mittels NMR untersucht. Ziel dieser Arbeit ist die Aufklärung der strukturellen Voraussetzungen für die Herstellung von Spinnenseidenfasern für technische oder biomedizinische Anwendungen.

Abschlussbericht
Natürliche Spinnenseide weist herausragende mechanische Eigenschaften wie Festigkeit und Dehnbarkeit auf, was zu einer hohen Zähigkeit führt, die die von Kevlar und anderen Kunstfasern übertrifft. Aufgrund der begrenzten natürlichen Verfügbarkeit von Spinnenseide werden derzeit biomimetische Alternativen zur Herstellung von Spinnenseidenfasern für verschiedene technische und medizinische Anwendungen untersucht. Der natürliche Prozess des Seidenspinnens ist präzise kontrolliert und beinhaltet Veränderungen von pH-Wert, Salzgehalt, osmotischem Gleichgewicht und Scherkräften.

Veröffentlichte Arbeiten haben gezeigt, dass rekombinante Spinnenseidenfasern, die aus Spinnlösungen mit phosphatinduzierter Vorassemblierung (biomimetische Spinnlösungen) gesponnen wurden, eine Zähigkeit aufweisen, die an die natürlicher Spinnenseide heranreicht und die mechanischen Eigenschaften von Fasern, die aus Spinnlösungen ohne Vorassemblierung (klassische Spinnlösungen) gesponnen wurden, bei weitem übertrifft. Dynamische Lichtstreuungsexperimente, bei denen die beiden Spinnlösungen verglichen wurden, zeigen, dass bei biomimetischen Spinnlösungen die Größe der Assemblate im Laufe der Zeit systematisch zunimmt, während mittels Lichtmikroskopie eine Flüssig-Flüssig-Phasentrennung (LLPS) gezeigt werden konnte, die durch die Bildung von Flüssigkeitströpfchen im Mikrometerbereich nachgewiesen wurde.

LLPS ist ein Phänomen, das in Mehrkomponentensystemen vieler biologischer Prozesse relevant ist, darunter Kompartimentierung, pathologische Zustände wie die Alzheimer-Krankheit und Proteinassemblierungen. LLPS spielt auch eine Schlüsselrolle bei der Bildung von Spinnenseidenfasern. Ein gründliches Verständnis des natürlichen Seidenspinnprozesses ist daher unerlässlich, um ihn auf künstliche Spinntechniken zu übertragen und biomimetische Fasern mit überlegenen Eigenschaften zu erhalten, die andere Fasermaterialien übertreffen. Ex-vivo-Studien und Experimente mit rekombinanten Spinnenseidenproteinen unterstrichen in diesem Projekt die Relevanz von LLPS bei der Spinnenseidenherstellung. Wir haben daraus ein konzertiertes Konzept für das technische Seidenspinnen entwickelt [1].

Lösungs-NMR zeigte, dass der Strukturzustand in klassischen und biomimetischen Spinnlösungen in beiden Fällen eine Knäuelkonformation aufweist. Es wurden jedoch einige subtile, aber deutliche Unterschiede beobachtet, darunter ein geordneterer Zustand für die biomimetische Spinnlösung und kleine chemische Verschiebungen, die auf Unterschiede in den Wasserstoffbrücken des Proteins in den verschiedenen Spinnlösungen hinweisen, wobei signifikante Veränderungen bei Tyr-Resten auftraten [2].

Festkörper-NMR zeigte, dass biomimetische Fasern einen signifikanten Unterschied in der Tyr-Ringpackung in nicht-beta-Faltblatt-, ungeordneten helikalen Domänen aufwiesen, der auf Unterschiede in der Spinnlösungsherstellung zurückzuführen ist. Wir kamen zu dem Schluss, dass Phosphat das rekombinante Seidenprotein in biomimetischen Spinnlösungen vorstrukturiert. Dies führt zu LLPS und Fasern mit deutlich verbesserter Zähigkeit, was auf Unterschiede in der aromatischen Ringpackung in nicht-beta-Faltblatt-Domänen, die Tyr enthalten, zurückzuführen sein könnte [2].

References of our joint work in PubMed- or Scopus- or similar listed journals:

[1] Zeußel L, Bargel, H., Holland GP., Scheibel T, Liquid-liquid Phase Separation of Spider Silk Proteins. Polymer J. 2025, Accepted 03.04.2025.

[2] Stengel D, Saric M, Johnson HR, Schiller T, Diehl J, Chalek K, Onofrei D, Scheibel T, Holland GP. Tyrosine's Unique Role in the Hierarchical Assembly of Recombinant Spider Silk Proteins: From Spinning Dope to Fibers. Biomacromolecules. 2023, 24:1463-1474. PubMed PMID: 36791420.