Hochleistungsmaterial aus synthetischen Muskelfasern – wissenschaft.de

In der synthetischen Biologie werden oft Mikroben eingesetzt, um Proteine nach natürlichem Vorbild herzustellen. Bislang war der Einsatz allerdings auf kleine Proteine beschränkt. Nun ist es Forschern gelungen, diese Hürde zu überwinden und das sehr große Muskelprotein Titin mikrobiell zu produzieren. Gesponnene Fasern dieses Moleküls ergeben ein besonders stabiles, reißfestes und flexibles Material, das zudem nachhaltig produziert und biologisch abgebaut werden kann.

In der Natur finden sich einige der außergewöhnlichsten und leistungsfähigsten Materialien – von extrem tragfähigen Spinnenfäden über unter Wasser haftender Muschelseide bis hin zu dem Supergummi Resilin, das beispielsweise in den Sprungbeinen von Flöhen vorkommt. Bisherige Versuche, solche Materialien technisch nachzubilden, kamen nicht an die Originalmaterialien heran und blieben auch in Sachen Umweltfreundlichkeit hinter den natürlichen Vorbildern zurück: „Künstlich hergestellte Hochleistungspolymere sind in der Regel nicht biologisch abbaubar und werden aus Erdöl durch energieintensive Prozesse mit giftigen Lösungsmitteln und Nebenprodukten gewonnen“, schreibt ein Forschungsteam um Christopher Bowen von der Washington University in St. Louis.

Mikroben als Protein-Produzenten

Bowen und seine Kollegen haben stattdessen einen anderen Ansatz verfolgt, um ein neues Hochleistungsmaterial herzustellen: Sie haben eine Methode gefunden, sehr große Proteine originalgetreu von genetisch modifizierten Mikroben produzieren zu lassen. „Die Herstellung vieler kleiner Moleküle erfolgt bereits nachhaltig mit Mikroben“, schreiben die Forscher. „Eine direkte mikrobielle Synthese von Hochleistungspolymeren ist dagegen eine große Herausforderung.“

Das liegt daran, dass die meisten Supermaterialien der Natur aus sehr großen Proteinen bestehen. „Diese sind aber in Mikroben äußerst schwierig zu produzieren, da die Effizienz bei so großen Molekülen gering ist und die entsprechend modifizierten Mikroben genetisch instabil sind“, erklären die Forscher. Um dieses Problem zu umgehen, entschieden sie sich für einen Trick. Sie lieferten den Mikroben jeweils nur kleine Abschnitte des großen Gesamtproteins und ergänzten Stellen, an denen die Bruchstücke zusammengefügt werden können. Auf diese Weise gelang es ihnen, das Muskelprotein Titin herzustellen – das größte bekannte menschliche Protein.

Überragende Belastbarkeit

„Im Muskelgewebe verleiht Titin dem Muskel eine Kombination aus Festigkeit, Dämpfungsfähigkeit und schneller mechanischer Erholung“, erläutern die Forscher. Um ähnliche Eigenschaften mit dem mikrobiell erzeugten Titin zu erreichen, spannen sie die Proteine zu Fasern. Dafür zerstörten sie mit einer denaturierenden Lösung zunächst die dreidimensionale Struktur der Proteine. Die auf diese Weise entfalteten Proteine pressten sie durch eine engmaschige Nadel in Wasser, sodass sich die einzelnen Titin-Moleküle zu Fasern verknüpften, während sie sich neu falteten. „Tatsächlich bildeten sich gleichmäßige zylindrische Fasern“, so die Forscher.

Mit einem Durchmesser von zehn Mikrometer sind diese Fasern zehnmal dünner als ein menschliches Haar. Aus einer Mikrobenkultur von einem Liter lassen sich den Forschern zufolge rund 250 Meter Titin-Fasern gewinnen. Als nächstes testeten die Forscher, ob die mit Mikroben hergestellten Fasern tatsächlich die erwünschten Eigenschaften natürlicher Muskelfasern haben. Das Ergebnis: „Sowohl die Festigkeit als auch die Belastbarkeit dieser Fasern übertreffen bei weitem die für Muskelfasern und einzelne Myofibrillen gemessenen Werte“, so die Forscher. „Darüber hinaus übertreffen diese Belastbarkeitswerte sogar die von vielen der zähesten synthetischen und natürlichen Materialien.“ So ist das mikrobiell hergestellte Titin sogar stabiler als Kevlar.

Vielseitige Einsatzmöglichkeiten

Molekulare Analysen bestätigten, dass diese außergewöhnliche Belastbarkeit tatsächlich auf die Struktur aus besonders großen Proteinen zurückgeht. „Das unterstreicht, wie wertvoll die neue Strategie zur Herstellung großer Polymere ist“, schreiben Bowen und seine Kollegen. Den Forschern zufolge lassen sich mit der neuen Technik auch andere große Proteine herstellen. „Das Schöne an diesem System ist, dass es wirklich eine Plattform ist, die überall eingesetzt werden kann“, sagt Bowens Kollege Cameron Sargent. „Wir können Proteine aus verschiedenen natürlichen Kontexten nehmen, sie dann in diese Plattform für die Polymerisation einsetzen und größere, längere Proteine für verschiedene Materialanwendungen mit einer größeren Nachhaltigkeit herstellen.“

Das künstliche Titin hat aus Sicht der Forscher zahlreiche potenzielle Anwendungsmöglichkeiten. Ähnlich wie Kevlar könnte es beispielsweise für kugelsichere Westen eingesetzt werden, aber auch für biomedizinische Zwecke. Da es mit den im Muskelgewebe vorkommenden Proteinen nahezu identisch ist, ist es wahrscheinlich biokompatibel und könnte daher zum Beispiel für chirurgische Nähte verwendet werden.

Quelle: Christopher Bowen (Washington University in St. Louis, USA) et al., Nature Comminications, doi: 10.1038/s41467-021-25360-6