Faszination Technik Neue Materialien nach dem Vorbild des Schneckenschleims

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: wie Schneckenschleim zur Entwicklung neuer Materialien inspiriert.

Nach einem Regenschauer sind Schnecken besonders aktiv. Auch auf dem Max-Planck-Campus in Potsdam-Golm hinterlassen gewöhnliche Bänderschnecken (Cepaea nemoralis) ihre glänzenden Schleimspuren. Forschende aus der Abteilung „Biomaterialien“ am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung erkannten im Schleim ein vielversprechendes Naturmaterial. Denn die Schnecke produziert nicht nur eine einzige Art von Schleim, sondern kann ihn je nach Bedarf so variieren, dass er flüssig, fest, klebrig oder rutschig wird.
Für das Forschungsteam wurde der Schneckenschleim damit zum Gegenstand einer materialwissenschaftlichen Analyse: Wie schafft es die Schnecke mit denselben Grundbausteinen völlig unterschiedliche Materialeigenschaften zu erzeugen? Die Antwort liefern die Forschenden in einer Studie, die nun im Fachjournal Science erschienen ist. Darin zeigen sie erstmals umfassend, mit welchen biochemischen Rezepten die Bänderschnecke ihren Schleim gezielt an unterschiedliche Aufgaben anpasst.

Schneckenschleim mag auf den ersten Blick unscheinbar wirken, ist aber ein unglaublich vielseitiges Material. Dass die Schnecke mit den gleichen Grundbausteinen gezielt die Eigenschaften ihres Schleims verändern kann, macht sie für die Forschung so spannend. 

Dr. Franziska Jehle

Der Baukasten des Schneckenschleims

Um zu verstehen, wie die Natur diese Materialvielfalt erzeugt, analysierten die Forschenden fünf verschiedene Schleimarten. Sie untersuchten Schleim, der die Fortbewegung ermöglicht, als starker Klebstoff an Oberflächen wirkt, das Tier vor Austrocknung schützt, das Gehäuse während längerer Ruhephasen verschließt und zur Verteidigung dient.
Dabei zeigte sich, dass die Schnecke für die verschiedenen Schleime stets die gleichen Komponenten verwendet, die sie in unterschiedlichen Mengen zusammenmischt. Bei den chemischen Bausteinen handelt es sich um Proteine, vor allem Kollagen, und Kalzium.
Überrascht hat die Forschenden, dass sie Kollagen VI als zentralen Bestandteil des Schleims identifiziert haben. Denn das Protein ist vor allem für seine strukturgebende Funktion in menschlicher Haut, Knochen und Gelenken bekannt. Gemeinsam mit ungeordnetem Kalziumkarbonat, das die Schnecke im Drüsengewebe speichert und bei Bedarf zusammen mit dem Schleim abgibt, trägt der Anteil von Kollagen VI entscheidend dazu bei, die Eigenschaften der verschiedenen Schleime zu steuern. Offenbar verändert die Schnecke über die Gesamtmenge an Proteinen und den Anteil an Kollagen VI, wie dicht das Proteinnetzwerk im Schleim ist. Das wirkt sich unmittelbar auf die mechanischen Eigenschaften aus: Je engmaschiger das Proteinnetz ist, desto zäher ist der Schleim. Kalzium dient in seiner Ionenform entweder der Vernetzung oder als Calcit der Verstärkung des Materials.

Natürliche Materialien erzielen mit wenigen Bausteinen eine enorme Vielfalt an Funktionen. Wenn wir die Prinzipien dahinter verstehen, ist das für die Entwicklung nachhaltiger Materialien von großer Bedeutung.

Prof. Peter Fratzl

Von der Natur lernen

„Die Erkenntnisse dieser Studie reichen weit über die Biologie der Schnecke hinaus“, sagt Prof. Peter Fratzl, Co-Autor der Studie und Direktor am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung. „Natürliche Materialien erzielen mit wenigen Bausteinen eine enorme Vielfalt an Funktionen. Wenn wir die Prinzipien dahinter verstehen, ist das für die Entwicklung nachhaltiger Materialien von großer Bedeutung.“
So könnten sich nach dem Vorbild von Schneckenschleim beispielsweise umweltfreundliche Klebstoffe, funktionelle Beschichtungen oder Materialien für medizinische Anwendungen herstellen lassen.