Spinnenseide

von Lara Winckler (Laborjournal-Ausgabe 6, 2010)

Spinnenseide ist dünn, oft klebrig und extrem reißfest. Spinnen produzieren sie vor allem für den Beutefang – Insekten, andere Spinnen, manchmal Vögel oder kleine Säugetiere –, aber auch als Sicherungsfaden, Innenauskleidung der Wohnhöhle und des Eikokons, als Spermanetze, in welchen das Männchen die Spermien an das Weibchen übergibt, oder als Flugfäden, mit Hilfe derer Jungtiere auf der Suche nach neuen Lebensräumen weite Strecken zurücklegen.

Jede Spinnenart hat ihre eigene Netzform entwickelt. Am bekanntesten ist das Radnetz, wie es zum Beispiel die Gartenkreuzspinne (Araneus diadematus) – Spinne des Jahres 2010 – baut. Es gibt die Trichternetze der Trichterspinnen (Agelenidae), die horizontalen Deckennetze der Baldachinspinnen (Linyphiidae) und die Dreiecksnetze der Dreiecksspinne (Hyptiotes paradoxus). Kugelspinnen (Theridiidae), wie die Schwarze Witwe, und Zitterspinnen (Pholcidae) dagegen spannen eher unauffällige Gespinste. Andere Spinnen haben mobile Netze entwickelt, wie das Wurfnetz der Wurfnetzspinnen (Dinopidae), oder einzelne Fangfäden mit pheromonbesetzter Leimkugel wie die Bolaspinnen (Mastophorini).

Je nach Bedarf produzieren die Spinnen verschiedene Sorten Spinnenseide: Es gibt stabile Haltefäden für das Netzgrundgerüst, feine Seide zum Einspinnen der Beute und für die weiche Innenauskleidung des Eikokons sowie elastische Fäden für die Fangspirale. Synthetisiert wird die Spinnenseide in den Spinndrüsen im Hinterleib (Opisthosoma) der Spinne, in denen die Seidenproteine in ihrer flüssigen Speicherform aufbewahrt werden. Die meisten Spinnen haben sechs Arten Spinndrüsen für die verschiedenen Seidenfäden. Sie werden einzeln oder gemeinsam eingesetzt.

Über die Spinnwarzen (meistens drei Paare), die den After am Ende des Hinterleibs umgeben, genauer über die Spinnspulen an den Spitzen der Spinnwarzen – oft viele Dutzend auf einer Warze –, scheiden die Spinnen die Seidenfäden aus. Cribellate Spinnen (Cribellatae) wie die Kräuselradnetzspinnen (Uloboridae) besitzen zusätzlich zu den drei Paar Spinnwarzen ein zum sogenannten „Cribellum“ umgewandeltes viertes Paar, mit welchem sie „Fangwolle“ herstellen. Das Cribellum , auch Spinnplatte genannt, kann bis zu 20.000 Spinnspulen tragen, deren Öffnung – und damit die produzierte Seide – nur rund 0,01 µm im Durchmesser beträgt. Cribellate Spinnen benötigen im Gegensatz zu den ecribellaten Spinnen (ohne Cribellum) keine Leimtröpfchen für ihre Spinnennetze – die Beute verfängt sich in der feinen Wolle.


Flüssige Seide

Spinnenseide besteht vor allem aus Spinnenseideproteinen (Spidroine), daneben lassen sich lösliche Amine, Phosphate und Glykoproteine nachweisen. Spidroine bestehen aus einer repetitiven Kerndomäne und hochkonservierten nicht-repetitiven Domänen (NR-Domänen) an N- und C-Terminus. Das Kernstück setzt sich zusammen aus bis zu 100 Wiederholungen von 10 bis 15 Aminosäuren langen Sequenzen nichtpolarer und hydrophober Aminosäuren wie Glycin oder Alanin ((GA)n/(A)n), die in Lösung zur Bildung von a-Helices neigen und in zusammengefügten Fasern β-Faltblatt-Strukturen ausbilden.

Wie die Seidenfaserbausteine im Lumen der Spinndrüsen trotz hoher Konzentrationen in Lösung gehalten und bei Bedarf zu stabilen Fasern zusammengefügt werden, haben Forscher um Horst Kessler und Franz Hagn, TU München, herausgefunden (Nature 2010, 465:239-42).

In den Spinndrüsen verhindert eine NaCl-Konzentration von rund 100-150mM die Polymerisierung der Spidroine – das chaotrope NaCl bricht Wasserstoffbrücken zwischen den repetitiven Segmenten auf und verhindert so die Aggregatbildung. Horst Kessler et al. zeigten für das Haltefaden-Seidenprotein der Gartenkreuzspinne, Araneus diadematus-Fibroin 3 (ADF-3), dass die C-terminale NR-Domäne in Lösung durch die Ausbildung von Salzbrücken in Sekundär- und Tertiärstrukturen gefaltet ist. Jeweils zwei NR-Domänen lagern sich so zusammen, dass die Ketten sich nicht quervernetzen können. Mehrere dieser Dimere bilden Mizellen aus, wobei die NR-Domänen zur Flüssigkeits-exponierten Oberfläche zeigen, die repetitiven Elemente nach innen. Auf diese Art verhindern die C-terminalen NR-Domänen unerwünschte Aggregation.

Gelangen die Spidroin-Mizellen in den Spinnkanal, verändert sich die Situation: Eine andere Salzkomposition und -konzentration führen zur Auflösung der Salzbrücken in den NR-Domänen, die Ketten entfalten sich. Zwischen den NR-Domänen nebeneinanderliegender Spidroine bilden sich Disulfidbrücken aus und sorgen zusätzlich zu den Scherkräften durch die Strömung im engen Spinnkanal für die Ausrichtung der Spidroinmoleküle, ebenso wie Zugspannung durch Herausziehen des Seidenfadens aus den Spinnspulen mittels der Webklauen an den Beinen der Spinne. Mehrere Beta-Faltblätter schichten sich zu einem Protein­kristall übereinander und bilden kovalente Quervernetzungen aus. So ermöglichen die C-terminalen NR-Domänen auch die korrekte Ausbildung des Spinnfadens.

In Spinnenseidefäden wechseln sich die kristallinen Substrukturen aus β-Faltblättern, die die mechanische Stärke des Seidenfadens bewirken, mit amorphen Regionen ab, die kaum Sekundärstruktur aufweisen und für die Elastizität und Flexibilität der Fäden sorgen. Je nachdem, wie stabil oder elastisch der Faden sein soll, unterscheiden sich die Spinnenseidefasern in ihren Anteilen von β-Faltblättern und amorphen Regionen.

Die verschiedenen Fadentypen zeigen je nach Funktion unterschiedliche strukturelle Zusammensetzung: Die Spinnenseide ADF-3 etwa, die für die Konstruktion des Spinnennetzrahmens benötigt wird, enthält einen hohen Anteil an kristallinen β-Faltblatt-Strukturen. Die wesentlich flexiblere Fangspirale des Radnetzes dagegen besteht fast ausschließlich aus amorphen Regionen.



Letzte Änderungen: 09.08.2010