Zerreißprobe für Seidenfasern

HITS-Forscher untersuchen mit Computersimulationen die Eigenschaften von Spinnenseide – unterschiedliche Strukturen sorgen für Halt bei hoher Elastizität – Artikel in „Biophysical Journal“

Die Forschungsgruppe Molekulare Biomechanik (Leitung Dr. Frauke Gräter) am Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS) erforscht mit rechnergestützten Methoden, wie physikalische Kräfte mit molekularen Prozessen zusammenwirken. Ein Gegenstand ihrer Forschung sind die faszinierenden Eigenschaften von Spinnenseide, die reißfester als Stahl ist. Neue Ergebnisse dazu veröffentlichten die HITS-Forscher gemeinsam mit Kollegen aus Shanghai und Stuttgart im Artikel „Silk Fiber Mechanics from Multiscale Force Distribution Analysis“, der jetzt im „Biophysical Journal“ erschienen ist und über die Wissenschaftswelt hinaus auch in den internationalen Medien bereits eine gewisse Resonanz erzielt hat.

„Die Publikation ist Ergebnis eines interdisziplinären Projekts“, so Dr. Frauke Gräter.
„Wir haben physikalische Modelle biologischer Probleme mit ingenieurwissenschaftlichen Werkzeugen verknüpft.“ Beteiligt waren neben Wissenschaftlern des HITS auch Dr.-Ing. Bernd Markert (Institut für Mechanik, Uni Stuttgart) und Forscher am CAS-MPG Partner Institute of Computational Biology, Shanghai.

Die genauen physikalischen Modelle des Aufbaus von Spinnenseide lassen sich mit heutigen Rechnerleistungen nur zum Bruchteil berechnen – einzelne Bausteine zu berechnen dauert selbst auf Supercomputern einige Monate. „Wir nutzen die Ergebnisse unserer eigenen bisherigen Berechnungen und skalieren sie auf die gesamte Seidenfaser hoch, ähnlich wie bei einer Hochrechnung“, erklärt Frauke Gräter. „Dazu berechnen wir sie mit den Methoden und Werkzeugen der Ingenieure, wie sie zum Beispiel bei einem Crash-Test angewendet werden.“ Dadurch können die HITS-Forscher in ihren Computersimulationen der Frage nachgehen, wie die gesamte Seidenfaser auf mechanische Kraft regiert, wenn zum Beispiel daran gezogen wird.

Das Ergebnis der Studie im „Biophysical Journal“ zeigt, wie die Hauptbestandteile des Seidenproteins angeordnet sein müssen, damit die optimale Reißfestigkeit und Elastizität erreicht werden. „Die Hauptbestandteile sind zum einen kristalline, also hoch geordnete,  Bausteine und zum anderen weiche, ungeordnete Einheiten“, so Frauke Gräter.

Bisher nahm man an, dass diese beiden Bestandteile in der Seide zufällig angeordnet sind. Die Heidelberger Forscher konnten nun zeigen, dass die Seide erst dann wirklich reißfest wird, wenn man die Bausteine regelmäßig in Scheiben anordnet – „wie die hauchdünnen Scheiben einer Salami“, sagt Frauke Gräter.

Bisher gibt es keinen Kunststoff, der sich mit den mechanischen Eigenschaften der Seide messen kann. „Unsere Computermodelle können den Polymerchemikern helfen, neue Materialien zu entwickeln, die zugleich sehr reißfest und elastisch sind“, resümiert Gräter abschließend.

Der wissenschaftliche Artikel im Original:
Cetinkaya et al., Silk Fiber Mechanics from Multiscale Force Distribution Analysis, Biophysical Journal (2011), doi:10.1016/j.bpj.2010.12.3712
Abstract (mit Download-Möglichkeit des gesamten Artikels): http://www.cell.com/biophysj/abstract/S0006-3495%2810%2905256-2

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