Cheryl Hayashi: So großartig ist Spinnenseide

Ich bin hier um zu berichten, wie großartig Spinnen sind und wie viel wir von ihnen lernen können. Spinnen sind echte Weltbürger. Man findet Spinnen in nahezu jedem Lebensraum an Land. Dieser rote Punkt markiert das Große Nordamerikanische Becken und ich gehöre zu einem Projekt zur alpinen Biodiversität dort, zusammen mit einigen Kooperationspartnern. Hier ist einer unserer Forschungsplätze, und um Euch einen Eindruck seiner Größe zu vermitteln, dieser kleine blaue Fleck hier, das ist einer meiner Mitarbeiter. Dies ist eine felsige und karge Landschaft, trotzdem gibt es hier einige Spinnen. Beim Umdrehen von Steinen fand wir diese Krabbenspinne, die einen Käfer packt.

Spinnen gibt es nicht nur überall, sie sind auch extrem vielfältig. Es gibt über 40.000 beschriebene Arten von Spinnen. Um diese Zahl einordnen zu können, ist hier eine Grafik, die die 40.000 Spinnenarten mit den 400 Arten von Primaten vergleicht. Es gibt zwei Größenordnungen mehr Spinnen als Primaten. Außerdem sind die Spinnen extrem alt. Hier unten, das ist die geologische Zeitskala und die Zahlen entsprechen Millionen Jahren, gerechnet von der Gegenwart, also diese Null hier entspricht dem Heute. Was dieses Diagramm veranschaulicht, ist dass es Spinnen seit fast 380 Millionen Jahren gibt. Um einen Vergleich zu haben, diese rote dieser vertikale Balken hier zeigt die Abspaltung des Menschen vom Schimpansen, vor gerade einmal sieben Millionen Jahren.

All Spinnen stellen im Lauf ihres Lebens Seide her. Die meisten Spinnen verwenden unglaubliche Mengen an Seide, und Seide ist für sie unersetzlich für ihr Überleben und ihre Fortpflanzung Sogar fossile Spinnen konnten Seide produzieren, wie wir an diesem Abdruck einer Spinndrüse bei diesem Spinnenfossil sehen können. Dies bedeutet nun, dass es sowohl Spinnen als auch Spinnenseide seit 380 Millionen Jahren gibt. Es dauert nicht lang, wenn man mit Spinnen arbeitet, bis man feststellt, wie essentiell Seide für nahezu jeden Aspekt ihres Lebens ist. Spinnen verwenden Seide für viele Zwecke, unter anderem für den anhängenden Abseilfaden, um Eier zur Fortpflanzung zu umhüllen, für Schutzbauten und um Beute zu fangen.

Es gibt viele Arten von Spinnenseide. Diese Gartenkreuzspinne, zum Beispiel kann sieben verschiedene Arten von Seide herstellen. Wenn Ihr Euch dieses Radnetz anschaut, seht Ihr eigentlich verschiedene Arten von Seidenfäden. Der Rahmen und die Radien bestehen aus einer Art Seide, während die Fangspirale ein Gemisch aus zwei verschiedenen Seiden ist: aus dem Filament und dem Anheftepunkt. Wie stellt eine einzelne Spinne so viele verschiedene Arten von Seide her? Um diese Frage zu beantworten, muss man sich die Region um die Spinndrüse einer Spinne genauer ansehen. Die Seide kommt nun also aus den Spinndrüsen, and für uns Spinnenseiden-Biologen, ist es dieses, was wir die "Mündung" der Spinne nennen. (Lachen) Wir verbringen lange Tage ... Hey! Lacht nicht. Das ist mein Leben. (Lachen) Wir verbringen lange Tage und Nächte damit, auf diesen Teil der Spinne zu starren. Und wir sehen Folgendes. Man kann verschiedene Fäden aus den Spinndrüsen kommen sehen, weil jede Spinndrüse mehrere Spinnwarzen trägt. Jeder dieser Seidenfäden kommt aus der Spinnwarze und wenn man die Fäden zurück in die Spinne verfolgen würde, würde man sehen, dass jede Spinnwarze mit ihrer eigenen individuellen Seidendrüse verbunden ist. Eine Seidendrüse sieht in etwa aus wie ein Sack, in dem sich eine Menge Seidenprotein befindet. Also wenn Ihr jemals die Gelegenheit habt, eine Radnetzspinne zu sezieren, und ich hoffe das, werdet Ihr Unmengen schöner, durchsichtiger Seidendrüsen finden.

In jeder Spinne gibt es hunderte Seidendrüsen, manchmal sogar tausende. Man kann diese in sieben Kategorien zusammenfassen. Sie unterscheiden sich in Größe, Form und manchmal sogar Farbe. In einer Radnetzspinne kann man sieben Arten von Seidendrüsen finden, und das habe ich in diesem Bild skizziert, fangen wir mit der Ein-Uhr-Position an, es gibt tubuliforme Seidendrüsen, welche dazu dienen die äußere Seidenhülle eines Eisacks herzustellen. Es gibt aggregieren und flagelliform Seidendrüsen, die gemeinsam die klebrige Fangspirale eines Radnetzes bilden. Birnenförmige Seidendrüsen stellen den Anheftezement her -- das ist die Seide, die benutzt wird, um Seidenfäden an einem Untergrund zu befestigen. Außerdem gibt es aciniforme Seide, die verwendet wird, um Beute einzuhüllen. Die Seide aus den kleineren Ampullendrüsen wird für den Netzbau eingesetzt. Und die am besten untersuchte Seidenart von allen: die Seide der großen Ampullendrüse. Das ist die Seide, aus der der Rahmen und die Radien eines Radnetzes gemacht sind, und auch der Abseilfaden.

Aber was genau ist eigentlich Spinnenseide? Spinnenseide besteht fast vollständig aus Protein. Nahezu all diese Proteine können anhand einer einzigen Genfamilie erklärt werden, das heißt also, dass die Vielfalt von Seidenarten, die wir heute sehen, in einer einzigen Genfamilie verschlüsselt ist, sodass, vermutlich, die ersten Spinnenvorfahren nur eine Art von Seide herstellten, und dass sich das Seidengen im Lauf der letzten 380 Millionen Jahre repiliziert und dann diversifiziert und spezialisiert hat, immer und immer und immer wieder, um die vielfältigen Ausprägungen von Spinnenseide zu bedingen, wie wir sie heute vorfinden. Einige Merkmale haben all diese Seidenarten gemeinsam. Sie haben alle ein gemeinsames Design, z.B. sind sie alle sehr lang -- irgendwie überirdisch lang im Vergleich zu anderen Proteinen. Sie wiederholen sich oft und haben große Anteile an den Aminosäuren Glycin und Alanin. Um Euch einen Eindruck zu vermitteln, wie ein Spinnenseidenprotein aussieht, ist hier ein Protein der Abseilfaden-Seide, es ist nur ein Abschnitt, und stammt von der Schwarten Witwe. Das ist die Art von Sequenz, die ich unheimlich gerne Tag und Nacht anschaue. (Lachen)

Also, was Ihr hier seht, sin Abkürzungen aus einzelnen Buchstaben für Aminosäuren, und ich habe die Glycine grün eingefärbt, und die Alanine rot, sodass Ihr sehen könnt, dass es einfach viele G's und A's sind. Außerdem seht Ihr, dass es viele kurze Sequenzmotive gibt, die sich immer und immer wieder wiederholen, z.B. gibt es viele was wir Polyalanine nennen, einfach wiederholte A's, AAAA. Es gibt GGQ. Und GGY. Man kann sich diese kurzen Motive, die immer wieder auftreten, als Wörter vorstellen, und diese Wörter bilden Sätzen. So wäre das z.B. ein Satz, und man bekäme diesen grünen Bereich bekommen und das rote Polyalanin, das sich immer und immer wiederholt, und das kann hunderte und aberhunderte Male innerhalb einem einzigen Seidenmolekül vorkommen.

Seiden, die von derselben Spinne produziert werden, können unheimlich verschiedene Wiederholsequenzen aufweisen. Oben im Bild, seht Ihr die Wiederholeinheit für den Abseilfaden einer Wespenspinne. Sie ist kurz. Und unten im Bild, das ist die Wiederholsequenz für den Eikokon, oder das tubuliforme Seidenprotein, von der exakt selben Spinne. Und Ihr seht, wie unglaublich unterschiedlich diese beiden Seidenproteine sind -- nun das ist die Art von Schönheit der Diversifizierung innerhalb der Spinnenseiden-Genfamilie. Ihr seht, dass sich die Wiederholeinheiten in ihrer Länge unterscheiden. Aber sie unterscheiden sich auch in der Abfolge. Deshalb habe ich die Glycine wieder grün und die Alanine rot eingefärbt, und die Serine – das ist der Buchstabe S – lila. Und Ihr seht, dass die obere Einheit fast vollständig aus Grün und Rot zusammengestzt werden kann, während die untere Einheit einen substantiellen Anteil Lila aufweist. Wir Seidenbiologen versuchen nun, diese Abfolgen, diese Aminosäuresequenzen mit den mechanischen Eigenschaften der Seidenfäden in Verbindung zu setzen.

Nun ist es wirklich praktisch, dass Spinnen ihre Seide vollständig außerhalb ihres Körpers nutzen. Das macht es wirklich, wirklich einfach, Spinnenseide im Labor zu untersuchen, weil wir tatsächlich, also, sie in Luft zu untersuchen das ist genau die Umgebung, in der Spinnen ihre Seidenproteine wirklich nutzen. Das macht es so gut zugänglich, die Eigenschaften der Seide anhand von Methoden wie Dehnungsversuchen, das ist im Wesentlichn, an einem Ende der Faser zu ziehen. Das sind Spannungs-Dehnungs-Kennlinien aus Dehnungsversuchen an fünf von derselben Spinne produzierten Fäden. Was man daran sieht, ist, das die fünf Fasern unterschiedliches Verhalten zeigen. Insbesondere, wenn man die Hochachse anschaut, das ist dieSpannung. Wenn man auf den maximalen Betrag der Spannung für jede dieser Fasern nimmt, erkennt man, dass sie sich stark unterscheiden, und dass, in der Tat, der Abseilfaden, oder Seide der großen Ampullendrüse, die stärkste dieser Fasern ist. Wir glauben, dass ist weil die Abseilfaden-Seide, die verwendet wird um Rahmen und Gerüst für ein Netz zu fertigen, sehr kräftig sein muss.

Andererseits, wenn man die Dehnung nimmt -- d.h. wie weit eine Faser verlängert werden kann -- wenn man sich hier die Maximalwerte ansieht, gibt es wiederum große Unterschiede und der klare Sieger ist die birnenförmige, bzw. die Fäden der Fangspirale. Tatsächlich kann diese Faser auf über das Doppelte ihrer ursprünglichen Länge gedehnt werden. Seidenfasern unterscheiden sich also in ihrer Stärke und auch in ihrer Dehnbarkeit. Im Fall der Fangspirale muss sie dehnbar sein, um den Impuls eines fliegenden Beutetiers aufzunehmen. Wenn sie nicht so flexibel wäre, dann würde im Grunde, wenn ein Insekt das Netz trifft, dieses wie von einem Trampolin einfach zurückgeworfen werden. Wenn das Netz also vollständig aus Abseilfaden-Seide bestünde, wäre es sehr wahrscheinlich, dass ein Insekt einfach abprallt. Aber indem es die unheimlich dehnbare Fangspiralseide verwendet, kann das Netz den Aufprall der erwischten Beute tatsächlich abfangen.

Die Fasern, die eine einzelne Spinne herstellen kann, sind schon ziemlich vielfältig. Wir nennen das den Werkzeugkasten der Spinne. Damit kann die Spinne mit ihrer Umgebung interagieren. Aber wie sieht es mit Unterschieden zwischen verschiedenen Spinnenarten aus, also wenn man eine Art von Seide betrachtet und diese bei verschiedenen Spinnenarten vergleicht? Dieses Feld ist weitgehend unerforscht, aber es gibt ein paar Daten, die ich Euch zeigen kann. Dies zeigt den Vergleich der Festigkeit von Abseilfadenseide, die von 21 verschiedenen Spinnenarten gesponnen wurde. Einige davon sind Radnetzspinnen und einige sind Spinnen, die keine Netze bauen. Es wurde vermutet, dass Radnetzspinnen, wie diese Wespenspinne hier, die steifste Abseilfadenseide haben sollten, weil sie fliegende Beutetiere abfangen muss. Was Ihr in diesem Festigkeitsdiagramm seht, ist, je weiter oben der schwarze Punkt auf dem Diagramm ist, desto fester.

Die 21 Arten sind in dieser Phylogenie dargestellt, in diesem Evolutionsbaum, der ihre genetische Verwandtschaft darstellt, und ich habe die Radnetzspinnen gelb gefärbt. Wenn Ihr genau diese beiden roten Pfeile nehmt, diese zeigen die Festigkeitsdaten für die Abseilfäden von Nephila Clavipes und Araneus Diademtus. Das sind die beiden Spinnenarten, für die der Großteil an Zeit und Geld in der Forschung zu synthetischer Spinnenseide dafür verwendet wurde, ihre Abseilfadenproteine nachzuahmen. Dabei sind ihre Abseilfäden nicht einmal die stärksten. Tatsächlich, ist der steifste Abseilfaden in dieser Untersuchung diese hier in diesem weißen Bereich, eine Spinne, die keine Netze baut. Dies ist der Abseilfaden von Scytodes, der Speispinne. Scytodes verwendet überhaupt kein Netz um Beute zu fangen. Statt dessen, lauert Scytodes und wartet, dass die Beute nah genug heran kommt, und betäubt sie dann, indem sie ein seidenartiges Gift auf das Insekt sprüht. Stellt Euch das vor wie Jagen mit Sprühkonfetti. So erlegt Scytodes ihre Beute. Wir wissen nicht, warum die Speispinne einen so festen Abseilfaden braucht, aber unerwartete Ergebnisse wie dieses, machen die Suche in der Biologie so aufregend und lohnenswert. Sie befreien uns von den Grenzen unserer Vorstellungskraft.

Ich markiere nun im Festigkeitsdiagramm die Werte für Nylonfaden, Bombyx -- Seide von gezüchteten Seidenspinnern -- Wolle, Kevlar und Karbonfaser. Und was Ihr seht, ist, dass fast alle von den Abseilfäden der Spinnen übertroffen werden. Es ist die Kombination aus Stärke, Dehnbarkeit und Festigkeit, die Spinnenseide so einzigartig macht, und Biomemetiker aufmerken ließ – Leute, die versuchen, in der Natur neue Lösungsansätze zu finden. Und die Stärke, Dehnbarkeit und Festigkeit von Spinnenseide, zusammen mit der Tatsache, dass Seide keine Immunreaktion hervorruft, hat einiges Aufsehen erregt, in Bezug auf den Einsatz von Spinnenseide in biomedizinischen Anwendungen, z.B. als Bestandteil von künstlichen Sehnen, oder als Orientierungshilfen, um Nerven nachwachsen zu lassen, und als Gerüste für das Gewebewachstum.

Außerdem haben Spinnenseiden ein hohes Potential aufgrund ihrer Fähigkeit zur Raketenabwehr. Seide könnte in Panzerung für Körper und Ausrüstung integriert werden, die sehr viel leichter und flexibler wäre als jede heute erhältliche Panzerung. Neben diesen biomimetischen Anwendungen von Spinnenseide, finde ich das Studium der Spinnenseide um seiner selbst willen faszinierend. Ich liebe es, wenn ich im Labor bin, und eine neue Spinnenseiden-Sequenz erhalte. Das ist einfach das Größte. (Lachen) Es ist, als ob die Spinnen mir ein uraltes Geheimnis verraten würden, und deshalb werde ich den Rest meines Lebens damit verbringen, Spinnenseide zu studieren. Das nächste Mal, wenn Ihr ein Spinnennetz seht, bitte, haltet inne und schaut genauer hin. Ihr werdet eines der besten bekannten Höchstleistungsmaterialien sehen. Um die Werke einer Spinne namens Charlotte zu zitieren, Seide ist großartig.

Danke sehr. (Applaus)

(Applaus)