Tiere halten sich mithilfe äußerst elastischer Fäden fest

Forscher lernen von Muscheln

Bremen. Muscheln haften fest an Felsen oder Holzstämmen. Wie ihnen dies gelingt, interessiert Forscher, die nach Möglichkeiten für die Entwicklung neuer Biomaterialien für die Medizin suchen.
27.02.2014, 16:30
Lesedauer: 3 Min
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Forscher lernen von Muscheln
Von Jürgen Wendler
Forscher lernen von Muscheln

Muscheln besiedeln nicht nur Felsen – wie auf diesem Bild –, sondern zum Beispiel auch Schiffsrümpfe und Kaimauern.

broker/theissen, Imago stock & people

Egal, wie stark die Brandung ist: Muscheln haften fest an Felsen, Holzstämmen oder anderen Gegenständen. Für die Frage, wie ihnen dies gelingt, interessieren sich nicht zuletzt Forscher, die nach Möglichkeiten für die Entwicklung neuer sogenannter Biomaterialien suchen. Solche Materialien spielen in der Medizin eine wichtige Rolle.

Ob es die besonders festen und elastischen Spinnenfäden aus Proteinen, das heißt Eiweißstoffen, sind oder die äußerst festen und langlebigen Schalen, die im Meer lebende Schnecken namens Abalone mithilfe von gelöstem Kalk aus übereinander geschichteten Plättchen bilden: Wissenschaftler können von solchen Beispielen lernen, etwa bei der Entwicklung künstlicher Seide für Textilien. Die Reihe an nachahmenswerten Verfahren aus der Natur ist schier endlos. Auch Bremer Forscher bemühen sich, Kenntnisse darüber zu nutzen, darunter zum Beispiel Experten um Professor Kurosch Rezwan von der Universität Bremen. Sie haben sich in den vergangenen Jahren unter anderem mit der Frage befasst, wie sich mithilfe von bestimmten Proteinen antibakterielle Oberflächen schaffen lassen. Solche Proteine können gezielt Bakterien angreifen.

Was sich von Muschelproteinen lernen lässt, zeigt eine Studie, die eine Forschergruppe um die Professoren Thomas Scheibel und Clemens Steegborn von der Universität Bayreuth jetzt im Fachjournal „Nature Communications“ veröffentlicht hat. Die Wissenschaftler haben Erkenntnisse über die Struktur eines Proteins gewonnen, das in Fäden von Miesmuscheln enthalten ist und sie in bestimmten Bereichen besonders elastisch macht.

Die Muscheln erzeugen die sogenannten Byssusfäden, um sich zum Beispiel an Steinen oder Pfählen festzuheften. Die Fäden bestehen aus unterschiedlichen Proteinen, die aus einer Drüse am Fuß des Weichtieres abgesondert werden. Auch bei der Fortbewegung sind sie hilfreich. Die Muschel kann zum Beispiel Haltefäden an einer bestimmten Stelle eines Pfahls festheften und sich dann daran hochziehen. Miesmuscheln werden auch als Pfahlmuscheln bezeichnet. „Mies“ stand im Mittelhochdeutschen für „Moos“. Daran dachten die Menschen jener Zeit beim Anblick der braunen Fäden. Schon im Altertum nutzten Menschen Byssusfäden von im Mittelmeer lebenden Edlen Steckmuscheln, um gewebte Stoffe herzustellen.

Wie die Wissenschaftler der Universität Bayreuth erklären, enthält jeder Byssusfaden einer Miesmuschel mehrere nebeneinander in Längsrichtung verlaufende Stränge, sogenannte Fibrillen. Diese bestehen aus Proteinen, genauer: aus langen Kollagenmolekülen. Kollagen ist auch im menschlichen Körper zu finden; es ist dort ein wesentlicher Bestandteil des Bindegewebes. In den Zwischenräumen der Byssusfäden befinden sich andere Proteine. Mit anderen Worten: Die Fäden lassen sich mit Verbundwerkstoffen vergleichen.

Protein als Abstandshalter

Die Forscher um Scheibel und Steegborn haben herausgefunden, dass sich der Aufbau des Fadens zum äußeren, eher steifen Ende hin verändert. In jenem Teil, der dem Muschelinnern besonders nahe ist, gibt es ein Protein mit der Kurzbezeichnung PTMP1, das eine besondere Struktur aufweist und als Abstandshalter zwischen den Fibrillen wirkt. Dadurch ist der Faden in diesem Bereich besonders elastisch. Dies hilft der Muschel, sich optimal an die wechselnden Belastungen im Meer anzupassen. Nach Darstellung der Forscher könnte die biotechnologische Herstellung von PTMP1-Molekülen neue Möglichkeiten für die Entwicklung von Biomaterialien eröffnen. Mit diesem Begriff werden Materialien bezeichnet, die biologisch verträglich sind und deshalb zu medizinischen Zwecken im Körper verwendet werden können. Wie die Bayreuther Wissenschaftler erklären, werden in der Chirurgie schon heute Implantate eingesetzt, die hauptsächlich aus Kollagen bestehen. Die Möglichkeit, Übergänge zwischen elastischeren und festeren Bereichen zu schaffen, etwa bei künstlichem Hautgewebe oder Gelenken, wäre ein Fortschritt, so die Experten.

In den vergangenen Jahren haben sich auch Klebeforscher die Muscheln zum Vorbild genommen. Dass die Tiere mithilfe ihrer Byssusfäden selbst unter den schwierigen Bedingungen unter Wasser festen Halt finden, hängt nach den Erkenntnissen von Wissenschaftlern mit einem bestimmten Proteinbestandteil, nämlich der Aminosäure Dihydroxyphenylalanin, kurz DOPA, zusammen. Aufgrund ihres chemischen Aufbaus kann diese Aminosäure sehr stabile Verbindungen zu Metallen und Mineralien knüpfen. Forscher des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz haben sich von den Muscheln inspirieren lassen. Sie stellten sternförmige Polymere her, das heißt Verbindungen aus Molekülen, an deren Enden sie Stoffgruppen knüpften, die mit der Aminosäure Dihydroxyphenylalanin verwandt sind. Zu den Eigenschaften des so entstandenen Klebers gehört, dass er sich auch unter Wasser vernetzt.

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