Forschungsgruppe Seide

Forschungsgruppe "Spinnenseide"

Die Seide, aus der Rahmen und Querstreben des Netzes bestehen, ist sehr stabil. Diese Seide dient der Spinne auch als Rettungsleine, die ständig hinterher gezogen wird. Aus dem englischen Wort „to drag“ leitet sich der Name dieser dragline-Seide ab. Die zweite Hauptkomponente des Netzes ist die hoch elastische Fangspirale, die aus dem flagelliformen Seidentyp besteht. Eine auf die Fangspirale aufgetragene Klebeseide hindert die Beute am Wegfliegen.

Abbildung 1: Übersicht der Seidentypen des Radnetzes

Forschungsprojekt:

Schwerpunkt 1: Die Eierstiele von Florfliegen

Einige Florfliegenarten (Chrysopidae) legen ihre Eier zum Schutz vor Feinden auf ca. 1 cm langen und 15-20 µm dicken Stielen ab. Diese Stiele bilden die Florfliegen aus einem selbst produzierten Sekret. Die besondere Eigenschaft dieser Stiele ist ihre, verglichen mit anderen Naturfasern, sehr hohe Biegesteifigkeit.

Schwerpunkt 2: Die Seide der Köcherfliegenlarven

Larven der Köcherfliegen (Trichoptera), die in Fluss- und Bachläufen leben, bilden wie viele andere Insektenarten und Spinnen Seidenfäden. Im Gegensatz zu Spinnen verfügen sie aber nur über eine einzige Drüse in der die Seide produziert wird. Die Seide der Köcherfliegenlarven ist strukturell vergleichbar mit der des Seidenspinners Bombyx mori, und dient zum Bau von Köchern, Kokons und Sicherungsfäden. Einige Gattungen (z.B. Hydropsyche) konstruieren auch regelmäßige Netze. Interessant ist hierbei, dass der gesamte Spinnprozess unter Wasser abläuft.

Ziel der Forschung ist die mechanische Untersuchung (Zugfestigkeit, Elastizität…) und Charakterisierung der beiden genannten Naturfasern. Wenn die Analysen die erwarteten besonderen Eigenschaften dieser Naturfasern bestätigen, wird versucht, diese synthetisch herzustellen, sodass sie für medizinische oder technische Anwendungen eingesetzt werden können.

lukas.eisoldt(.at.)bm.uni-bayreuth.de

Forschungsprojekt:

Sämtliche bisher untersuchte dragline-Seiden bestehen hauptsächlich aus zwei unterschiedlichen Proteinkomponenten. Sie weisen wie andere Seidenproteine auch eine große repetitive Kerndomäne sowie wesentlich kleinere terminale nicht-repetitive Domänen auf. Während des Spinnvorganges durchlaufen bestimmte Motive der repetitiven Bereiche aufgrund der Einwirkung von Scherkräften und Ionenaustausch-Vorgängen eine strukturelle Änderung. Diese vorher ungefalteten (random coil) Bereiche wandeln sich in dichtgepackte β-Faltblattstrukturen um und tragen so zur mechanischen Stabilität des Fadens bei. Während diese Vorgänge mittlerweile sehr gut untersucht sind, ist der Assemblierungsmechanismus der beiden Proteinkomponenten bisher weitestgehend unbekannt.

Mithilfe von artifiziellen Spinnenseidenproteinen, die von den beiden dragline-Seidenkomponenten ADF3 und ADF4 der Gartenkreuzspinne (Araneus diadematus) abgeleitet sind, untersuchen wir daher das Assemblierungsverhalten der beiden Proteinkomponenten. Es soll mittels verschiedenster biochemischer und biophysikalischer Methoden geklärt werden wie und welche Interaktionen es zwischen den beiden Proteinen gibt.

aniela.heidebrecht(.at.)bm.uni-bayreuth.de

Under construction

Forschungsprojekt:

anja.lauterbach(.at.)bm.uni-bayreuth.de

Forschungsprojekt:

Forschungsschwerpunkt 1: Optimierung und Up-Scaling des Reinigungspro-zesses biotechnologisch hergestellter Spinnenseidenproteine

Reinheit und Ausbeute sind zwei gegenläufige Faktoren bei der Reinigung re-kombinant hergestellter Proteine. Das Ziel ist es, eine möglichst hohe Ausbeute bei gleichbleibender Reinheit zu erreichen. Hierfür werden die Einflussfaktoren auf Ausbeute und Reinheit der einzelnen Produktionsschritte für die verschie-denen Spinnenseidenproteine des Lehrstuhls untersucht.

Forschungsschwerpunkt 2: Vergleich der Wirtschaftlichkeit (inkl. Ökobilanz) des biotechnologischen Prozesses zur Herstellung von Spinnenseidenproteinen und daraus abgeleiteten Fasermaterialien für die Textilindustrie mit Herstellungs-prozessen herkömmlicher Ausgangsprodukte

Forschungsschwerpunkt 3: Etablierung von elektrogesponnenen Spinnenseiden-Vliesstoffen für Filteranwendungen

Filter mit elektrogesponnenen Vliesen zeichnen sich durch einen geringen Druckverlust bei hoher Filtereffizienz aus. Elektrogesponnene Materialien als Filterstoff haben sich jedoch nur begrenzt durchsetzen können, weil die Befürch-tung besteht, dass sich die nanoskaligen Fasern aus dem Filter lösen und so vom menschlichen Organismus aufgenommen werden könnten. Bei Seide besteht nach derzeitigem Kenntnisstand keine Gefahr für den Nutzer der Filter. Ziel ist es, geeignete Proteine und Blends sowie deren Verarbeitungsparameter für effiziente Filteranwendungen mit geringen Porengrößen, hohen Abscheideraten und ge-ringem Volumenstromabfall zu etablieren.

Forschungsprojekt:

Under construction

Forschungsprojekt:

Under construction

Überblick:
Unter den ca. 43000 bekannten Spinnenspezies verwenden ungefähr die Hälfte Netze zum Beutefang, von denen 130 unterschiedlichen Formen existieren. Das wohl bekannteste davon ist das Radnetz, das Spinnen wie die Europäische Gartenkreuzspinne Araneus diadematus oder die Goldene Radnetzspinne Nephila clavipes zum Beutefang verwenden. Die Weibchen dieser Spinnen können bis zu 7 verschiedene Seidenarten produzieren, deren Eigenschaften perfekt an ihren Anwendungsbereich angepasst sind. Die Seide, aus der Rahmen und Querstreben des Netzes bestehen, ist sehr stabil. Diese Seide dient der Spinne auch als Rettungsleine, die ständig hinterher gezogen wird. Aus dem englischen Wort „to drag“ leitet sich der Name dieser dragline-Seide ab. Die zweite Hauptkomponente des Netzes ist die hoch elastische Fangspirale, die aus dem flagelliformen Seidentyp besteht. Eine auf die Fangspirale aufgetragene Klebeseide hindert die Beute am Wegfliegen.

	*Abbildung 1:* Übersicht der Seidentypen des Radnetzes
Spinnenseide ist ein sehr altes biologisches Material, das von Menschen schon lange zum Jagen, Fischen und auch als Wundverband verwendet wird, da die Seide sehr stabil und dehnbar ist und keine Entzündungen oder allergischen Reaktionen hervorruft. Da Spinnen Kannibalen sind, ist die Zucht ähnlich der der Seidenraupe Bombyx mori nicht möglich. Deshalb wurden schon verschiedene Versuche unternommen, die Seide rekombinant in Bakterien, Hefen (Pichia pastoris), Pflanzen (Kartoffel, Tabak), Milchdrüsen von transgenen Ziegen sowie in Säuger- und Insektenzellen herzustellen. Unsere Gruppe forscht hauptsächlich an der Dragline Seide von Araneus diadematus als auch an der Flagelliform Seide von Nephila clavipes. Wir haben ein Setup für die rekombinante Produktion von verschiedenen Spinnenseidenproteinen entwickelt, das von der Sequenz der natürlichen Proteine abgeleitet ist. Diese rekombinanten Seidenproteine werden in Wirtsorganismen wie Bakterien (Escherichia coli) und den Insektenzelllinien SF9, SF21 (Spodoptera frugiperda) und HighFive (Trichoplusia ni) produziert. Die rekombinant hergestellten Spinnenseidenproteine werden hinsichtlich ihrer Assemblierungseigenschaften untersucht, um die bisher nicht ausreichend bekannte natürlichen Assemblierung zu einem starken Faden zu beschreiben. Zusätzlich werden in unserer Gruppe nicht-natürliche Assemblierungsformen der Seidenproteine wie Filme, Gele, Schäume, Nanofibrillen und Mikrokugeln, untersucht. Diese alternativen Assemblierungsformen sind potentielle Kandidaten für die Anwendung in Medizin und Industrie.

	*Abbildung 2:* Verschiedene Materialformen aus rekombinanten Spinnenseidenproteinen


	Felix Bauer (Dipl. Biol)
	0921-55 7349
	felix.bauer(.at.)bm.uni-bayreuth.de
Forschungsprojekt:
Schwerpunkt 1: Die Eierstiele von Florfliegen Einige Florfliegenarten (Chrysopidae) legen ihre Eier zum Schutz vor Feinden auf ca. 1 cm langen und 15-20 µm dicken Stielen ab. Diese Stiele bilden die Florfliegen aus einem selbst produzierten Sekret. Die besondere Eigenschaft dieser Stiele ist ihre, verglichen mit anderen Naturfasern, sehr hohe Biegesteifigkeit. Schwerpunkt 2: Die Seide der Köcherfliegenlarven Larven der Köcherfliegen (Trichoptera), die in Fluss- und Bachläufen leben, bilden wie viele andere Insektenarten und Spinnen Seidenfäden. Im Gegensatz zu Spinnen verfügen sie aber nur über eine einzige Drüse in der die Seide produziert wird. Die Seide der Köcherfliegenlarven ist strukturell vergleichbar mit der des Seidenspinners Bombyx mori, und dient zum Bau von Köchern, Kokons und Sicherungsfäden. Einige Gattungen (z.B. Hydropsyche) konstruieren auch regelmäßige Netze. Interessant ist hierbei, dass der gesamte Spinnprozess unter Wasser abläuft. Ziel der Forschung ist die mechanische Untersuchung (Zugfestigkeit, Elastizität…) und Charakterisierung der beiden genannten Naturfasern. Wenn die Analysen die erwarteten besonderen Eigenschaften dieser Naturfasern bestätigen, wird versucht, diese synthetisch herzustellen, sodass sie für medizinische oder technische Anwendungen eingesetzt werden können.


	Lukas Eisoldt (M.Sc.)
	0921-55 7343
	lukas.eisoldt(.at.)bm.uni-bayreuth.de
Forschungsprojekt:
Sämtliche bisher untersuchte dragline-Seiden bestehen hauptsächlich aus zwei unterschiedlichen Proteinkomponenten. Sie weisen wie andere Seidenproteine auch eine große repetitive Kerndomäne sowie wesentlich kleinere terminale nicht-repetitive Domänen auf. Während des Spinnvorganges durchlaufen bestimmte Motive der repetitiven Bereiche aufgrund der Einwirkung von Scherkräften und Ionenaustausch-Vorgängen eine strukturelle Änderung. Diese vorher ungefalteten (random coil) Bereiche wandeln sich in dichtgepackte β-Faltblattstrukturen um und tragen so zur mechanischen Stabilität des Fadens bei. Während diese Vorgänge mittlerweile sehr gut untersucht sind, ist der Assemblierungsmechanismus der beiden Proteinkomponenten bisher weitestgehend unbekannt. Mithilfe von artifiziellen Spinnenseidenproteinen, die von den beiden dragline-Seidenkomponenten ADF3 und ADF4 der Gartenkreuzspinne (Araneus diadematus) abgeleitet sind, untersuchen wir daher das Assemblierungsverhalten der beiden Proteinkomponenten. Es soll mittels verschiedenster biochemischer und biophysikalischer Methoden geklärt werden wie und welche Interaktionen es zwischen den beiden Proteinen gibt.


	Aniela Heidebrecht (M.Sc.)
	0921-55 7349
	aniela.heidebrecht(.at.)bm.uni-bayreuth.de

Research:
Under construction


	Martin Humenik (Dr. rer. nat.)
	0921-55 7343
	martin.humenik(.at.)bm.uni-bayreuth.de
Forschungsprojekt:
Modifikation und Konjugation von Spinnenseidenproteinen Die repetitive Kerndomäne der Dragline-Seidenkomponenten ADF3 und ADF4 der Gartenkreuzspinne lassen sich in Bakterien als rekombinante Proteine in relativ hoher Ausbeute produzieren. Die Faltung sowie Selbst-Assemblierung der beiden Proteine lassen sich kontrolliert durch Prozessierungsparameter einstellen. Dadurch ist es möglich, neben Fasern auch die nicht-natürlichen Assemblierungsformen wie z.B. Vliesse, Kugeln und Mikrokapseln sowie Filme, Gele oder Schäume auf der Makro-Ebene herzustellen. Ein neues und vielversprechendes Gebiet ist die Modifikation der biochemischen und biophysikalischen Eigenschaften der rekombinanten Spinnenseidenproteine mittels molekular-biologischen Ansätzen oder in Kombination mit bioorganischen Verfahren. Äußert interessant sind dabei die Konjugate mit Nukleinsäuren, analytisch oder diagnostisch wichtigen Enzymen sowie Proteinen mit Liganden-Bindungseigenschaften. Dadurch können gezielt interessante neue Funktionen in die bekannten Seidenprotein-Assemblierungsformen inkorporiert werden. Zusätzlich wird erwartet, das neue und spezifische Arten von Wechselwirkungen der Biokonjugate in Lösung oder auf Oberflächen zur Bildung von neuen Assemblierungsformen auf der Mikro- und Makroebene führen. Diese Ansätze öffnen den Weg für die Entwicklung neuer Verfahren und Anwendungen in der Materialforschung wie z.B. Biomaterialien- und Oberflächentuning sowie optimierte Systeme für Wirkstoffverpackung und Transport zu bestimmten Zielzellen.


	Anja Lauterbach (Dipl. Ing.)
	0921-55 4621
	anja.lauterbach(.at.)bm.uni-bayreuth.de
Forschungsprojekt:
Forschungsschwerpunkt 1: Optimierung und Up-Scaling des Reinigungspro-zesses biotechnologisch hergestellter Spinnenseidenproteine Reinheit und Ausbeute sind zwei gegenläufige Faktoren bei der Reinigung re-kombinant hergestellter Proteine. Das Ziel ist es, eine möglichst hohe Ausbeute bei gleichbleibender Reinheit zu erreichen. Hierfür werden die Einflussfaktoren auf Ausbeute und Reinheit der einzelnen Produktionsschritte für die verschie-denen Spinnenseidenproteine des Lehrstuhls untersucht. Forschungsschwerpunkt 2: Vergleich der Wirtschaftlichkeit (inkl. Ökobilanz) des biotechnologischen Prozesses zur Herstellung von Spinnenseidenproteinen und daraus abgeleiteten Fasermaterialien für die Textilindustrie mit Herstellungs-prozessen herkömmlicher Ausgangsprodukte Forschungsschwerpunkt 3: Etablierung von elektrogesponnenen Spinnenseiden-Vliesstoffen für Filteranwendungen Filter mit elektrogesponnenen Vliesen zeichnen sich durch einen geringen Druckverlust bei hoher Filtereffizienz aus. Elektrogesponnene Materialien als Filterstoff haben sich jedoch nur begrenzt durchsetzen können, weil die Befürch-tung besteht, dass sich die nanoskaligen Fasern aus dem Filter lösen und so vom menschlichen Organismus aufgenommen werden könnten. Bei Seide besteht nach derzeitigem Kenntnisstand keine Gefahr für den Nutzer der Filter. Ziel ist es, geeignete Proteine und Blends sowie deren Verarbeitungsparameter für effiziente Filteranwendungen mit geringen Porengrößen, hohen Abscheideraten und ge-ringem Volumenstromabfall zu etablieren.


	Dr. Andrew Smith
	0921-55 7347
	andrew.smith(.at.)bm.uni-bayreuth.de
Forschungsprojekt:
Under construction


	Christopher Thamm
	0921-55 7347
	christopher.thamm(.at.)bm.uni-bayreuth.de
Forschungsprojekt:
Under construction


Forschungsgruppe "Spinnenseide"

Gruppenmitglieder:	Felix Bauer, Lukas Eisoldt, Aniela Heidebrecht, Martin Humenik, Anja Lauterbach, Andrew Smith, Christopher Thamm