Biotech Spinnenseide und ihre Einsatzgebiete

  • Tab. 1: Verschiedene FormkörperTab. 1: Verschiedene Formkörper

Natürliche Spinnenseide zeichnet sich durch eine einzigartige Kombination unterschiedlicher Eigenschaften, wie der höchsten bekannten mechanischen Belastbarkeit, Biokompatibilität und z. B. Bakteriostatik aus. Erst die biotechnologische Herstellung der zugrundeliegenden Spinnenseidenproteine und deren Prozessierung erlauben die Nutzung von Spinnenseide in vielen Anwendungsgebieten - eine Entwicklung, die mit dem natürlichen Material aus verschiedenen Gründen nicht möglich gewesen wäre.

Natürliche Spinnenseide
Der Abseilfaden der europäischen Gartenkreuzspinne Araneus diadematus verfügt sowohl über eine moderate Fest­igkeit, als auch über eine hohe Dehnbarkeit. Die Kombination dieser mechanischen Eigenschaften resultiert in einer Belastbarkeit (Bruchenergie), die kein anderes natürliches oder synthetisches Fasermaterial erreicht. Dabei ist eine Spinnenseidenfaser biologisch (enzymatisch) abbaubar. Neben den außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften zeichnet sich natürliche Spinnenseide auch z.B. durch ihre bakteriostatischen und hypoallergenen Eigenschaften aus.

Im Gegensatz zum Seidenspinner Bombyx mori [1] macht der Kannibalismus der meisten Spinnen eine Spinnenzucht im großen Maßstab unmöglich. Um Spinnenseide trotzdem industriell produzieren und in verschiedenen Anwendungen nutzen zu können, ist daher die biotechnologische Produktion der zugrundeliegenden Spinnenseidenproteine unerlässlich.

Rekombinante Spinnenseidenproteine
Um die biotechnologische Produktion von Spinnenseidenproteinen (Abb. 1) zu ermöglichen, wurden von uns auf Basis der natürlichen Seidenproteinen ADF3 und ADF4 (Araneus diadematus Fibroin) der heimischen Gartenkreuzspinne A. diadematus Konsensussequenzen identifiziert [2]. Diese wurden an die „Bedürfnisse" biotechnologisch einsetzbarer E. coli-Bakterien angepasst, und konnten darin rekombinant in großen Mengen hergestellt werden [3].

Neben bakteriellen Systemen wurden in anderen Arbeitsgruppen auch Hefe-, Insekten- und Säugerzellen, sowie transgene Tiere für die Produktion rekombinanter Spinnenseidenproteine verwendet [4].

Allerdings gab es dabei Probleme unterschiedlichster Art, wie z. B. mangelnde Ausbeuten oder mangelnde Reinheit. Im Gegensatz dazu erfolgt die Isolierung der rekombinanten Spinnenseidenproteine aus Bakterien nach dem Aufschluss der Bakterienzellen entweder säulenchromatographisch oder mittels Hitzedenaturierung der E. coli-eigenen Proteine und anschließendem Aussalzen der Spinnenseidenproteine mit hohen Ausbeuten und großer Reinheit.

Im Gegensatz zur Spinne, die ausschließlich Seidenfäden produzieren kann, liegen die rekombinanten Spinnenseidenproteine eADF3 und eADF4 nach Gefriertrocknung als Pulver vor und können nach erneutem in-Lösung-bringen, wie andere lösliche Polymere auch, zu verschiedenen Formkörpern verarbeitet werden. Einige Methoden, die in der Kunststoffprozessierung eingesetzt werden (z.B. Spinn- und Gießverfahren), können dabei ohne große Adaptation auch für die Prozessierung von Spinnenseidenproteinen genutzt werden (Tabelle 1).

Die Materialeigenschaften der Spinnenseidenformkörper können entweder durch Zusätze bei der Herstellung oder durch eine Nachbehandlung der prozessierten Spinnenseidenproteine angepasst werden (Tab. 2). Eine detaillierte Auflistung der Verarbeitungs- und Nachbehandlungsmöglichkeiten ist bei Borkner et al. [5] zu finden.

Mögliche Anwendungsgebiete (exemplarisch)
Technik
Seit im Juli 2013 die europäische Richtlinie für energieverbrauchsrelevante Produkte (energy-related products, ErP) in Kraft trat, ist die Reduzierung des Gesamtenergieverbrauchs von Filtersystemen unumgänglich [6]. In diesem Zusammenhang gewinnen Filter an Bedeutung, die bei gleichbleibender Effizienz einen geringeren Gesamtenergieverbrauch, d.h. z. B. höhere Luftdurchlässigkeit, aufweisen können. Lang et al. verwendete elektrogesponnene Spinnenseidenvliese als Feinstaubfilterlage in einem Multilagenfilterbeutel [7]. Der resultierende Filterbeutel zeigt eine identische Filtereffizienz im Vergleich zu gewerblich erhältlichen Filtersystemen bei einer erheblich höheren Luftdurchlässigkeit.

Diagnostik
In der Diagnostik werden Enzyme eingesetzt um die Konzentration von Stoffen wie z. B. Glucose, Lactat und Blutalkohol im menschlichen Körper quantitativ zu bestimmen. Desweiteren werden dem Körper bestimmte Enzyme zugesetzt, falls diese gar nicht oder nicht ausreichend vorhanden sind. Eine Verkapselung dieser Enzyme gewährt u. a. Schutz vor proteolytischem Abbau. Blüm et al. [8] verwendeten das rekombinante Spinnenseidenprotein eADF4(C16) zur Verkapselung des Enzyms β-Galactosidase und analysierten danach sowohl die Enzymaktivität, als auch die Stabilität gegenüber proteolytischem Abbau. In eADF4(C16)-Kapseln bleibt β-Galactosidase unverändert aktiv, sogar wenn sich spezifische Proteasen im umgebenden Medium befinden, während Edukte und Produkte frei über die Kapselwand diffundieren können (Abb. 1 unten). D.h. die Spinnenseidenkapsel stellt einen „geschützten Reaktionsraum" dar, der sich mit der Umgebung gezielt und steuerbar „austauschen" kann.

Medizintechnik
In der Medizintechnik wurde bereits die Beschichtung von Silikonbrustimplantaten mit Spinnenseidenproteinen erfolgreich getestet. Die permanente Implantation von medizinischem Silikon kann zu einer übermäßigen Bildung einer Bindegewebskapsel (Fibrose) führen, die das Implantat umschließt. Oft hat diese Kapselfibrose den Funktionsverlust des Implantats, gepaart mit Entzündungsreaktionen zur Folge, mit der Konsequenz, dass der Patient erneut operiert und das Implantat ausgetauscht werden muss. Zeplin et al. [9] beschichteten Silikonbrustimplantate mit einer mikrometerdünnen Schicht aus rekombinantem eADF4 (C16) um dessen Einfluss auf die Kapselfibrose und die Biokompatibilität des Implantats zu untersuchen. Während der ersten 12 Monate nach Implantation maskierte die Spinnenseidenbeschichtung erfolgreich die Silikonoberfläche in Tierversuchen und führte zu einer signifikanten Verbesserung der Biokompatibilität des Implantats.

Zusammenfassung
Die biotechnologische Produktion von Spinnenseidenproteinen und deren Prozessierung in diverse Formkörper mit einstellbaren Eigenschaften ermöglicht die Anwendung von rekombinanter Spinnenseide in vielen verschiedenen Bereichen, wie z. B. bei Filtersystemen, in der Diagnostik und Medizintechnik. Erste kosmetische Produkte sind auf dem Markt, und weitere werden in verschiedenen Anwendungen in naher Zukunft folgen.

Referenzen
[1] Yamada H. et al.: Materials Science & Engineering C-Biomimetic and Supramolecular Systems 14, 41-46 (2001)
[2] Guerette P. A. et al.: Science 272, 112-115 (1996)
[3] Römer L. und Scheibel, T.: Chemie Unserer Zeit 41, 306-314 (2007)
[4] Heidebrecht A. und Scheibel, T.: Adv Appl Microbiol 82, 115-53 (2013)
[5] Borkner C. B. et al.: ACS Appl Mater Interfaces 6, 15611-25 (2014)
[6] Lauterbach A. Y. und Scheibel, T.: Green Materials 1, (2014)
[7] Lang G. et al.: J Vis Exp e50492 (2013)
[8] Blüm C. et al.: Advanced Functional Materials 24, 763-768 (2014)
[9] Zeplin P. H. et al.: Advanced Functional Materials 24, 2658-2666 (2014)

 

Autor(en)

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