Die Traumfaser

Die Spinne hängt nachts um 3 Uhr in der Mitte ihres Netzes, und wenn man mit einer Taschenlampe genau richtig leuchtet, fängt die Seide das Licht wie ein Glasfaserkabel ein. In gewisser Weise ist sie das auch - jeder Strang ist dünner als ein menschliches Haar, aber in der Lage, eine Biene zu stoppen, die mit voller Geschwindigkeit unterwegs ist, ohne zu brechen. Die Biene prallt ab. Das Netz biegt sich. Die Spinne wacht nicht einmal auf.

Diese winzige physikalische Demonstration beschäftigt die Materialwissenschaftler seit dreißig Jahren.

Die Gründe für diese Besessenheit sind folgende: Spinnenseide hat eine Zugfestigkeit von etwa 1,0-1,5 GPa - vergleichbar mit der von hochwertigem Stahl. Aber jetzt kommt das entscheidende Detail: Seide hat etwa ein Sechstel der Dichte von Stahl, d. h. ein Strang Spinnenseide ist gewichtsmäßig fünfmal stärker als das gleiche Gewicht an Stahl. Sie ist widerstandsfähiger als Kevlar - das Material in kugelsicheren Westen - und absorbiert mehr Energie, bevor sie bricht. Sie kann sich um vierzig Prozent ihrer Länge dehnen und wieder perfekt zusammenziehen. Und die Spinne hat es in ihrem Bauch, bei Raumtemperatur, aus verdauten Käfern und Wasser hergestellt. Keine Fabrik. Kein Erdöl. Kein Ofen, der bei 1.500 Grad Celsius läuft.

Verteidigungsbehörden und Privatunternehmen haben in den letzten drei Jahrzehnten Hunderte von Millionen Dollar in den Versuch gesteckt, das System zu kopieren.

Sie können es immer noch nicht.

Der Heilige Gral, der sich weigert, gefunden zu werden

Ende der 1990er Jahre gelang es einem Forscher an der Universität von Wyoming, das Gen für das Spinnenseidenprotein in eine Ziege zu klonen. Die Medien waren begeistert. Zeit Magazin einen Artikel über kugelsichere Westen, die den Kampf revolutionieren würden. Verteidigungsunternehmen riefen an. Risikokapitalgeber begannen, Schecks auszustellen.

Das war vor dreiunddreißig Jahren.

Sie können immer noch keine kugelsichere Weste aus Spinnenseide kaufen. Sie können weder ein Seil aus Spinnenseide noch eine Fallschirmschnur aus Spinnenseide oder chirurgisches Nahtmaterial aus Spinnenseide in großem Maßstab kaufen. Einige wenige Boutique-Textilfirmen verkaufen Ihnen eine $300-Krawatte aus “Spinnenseidenfasern”, aber lesen Sie das Kleingedruckte: Es handelt sich in der Regel um eine Mischung, die stark mit herkömmlichen synthetischen Stoffen verschnitten ist und in Mengen hergestellt wird, die in Kilogramm pro Jahr gemessen werden - nicht in den Tonnen, die für die industrielle Relevanz erforderlich sind.

Dies ist das zentrale Geheimnis der modernen Materialwissenschaft: Wir wissen genau, wie Spinnenseide funktioniert. Wir haben ihre Gene entschlüsselt, ihre molekulare Struktur kartiert und Tausende von von Fachleuten begutachteten Artikeln veröffentlicht, in denen jeder Nanometer ihrer Architektur analysiert wurde. Wir haben das Protein erfolgreich in Bakterien, Hefe, Ziegen, Seidenraupen und sogar in gentechnisch veränderter Luzerne hergestellt.

Und doch ist Spinnenseide nach drei Jahrzehnten der Bemühungen, Hunderten von Millionen an Investitionen und einigen der ausgefeiltesten Biotechnologien, die die Menschheit je entwickelt hat, im Wesentlichen eine Laborkuriosität geblieben.

Die Frage ist nicht, ob Spinnenseide bemerkenswert ist. Die Frage ist, warum etwas so Bemerkenswertes - und so gründlich Verstandenes - sich weigert, außerhalb der Spinne zu existieren.

Warum sich das alle so sehr gewünscht haben

Um diese Besessenheit zu verstehen, muss man die Lücke in der Welt der Materialien verstehen, die Spinnenseide zu füllen schien.

Die moderne Zivilisation lebt von einer erstaunlich geringen Anzahl von Hochleistungsmaterialien. Wenn man etwas Leichtes und Steifes braucht, verwendet man Kohlefaser - brillant für Fahrräder und Flugzeuge, aber spröde. Wenn man etwas braucht, das Stöße absorbiert, ohne zu versagen, verwendet man Kevlar - es rettet Leben in Schutzwesten, ist aber schwer für seine Stärke. Wenn Sie etwas brauchen, das im Verhältnis zum Gewicht unglaublich stark ist, verwenden Sie ultrahochmolekulares Polyethylen - hervorragend für schnittfeste Handschuhe, schrecklich für alles, was Steifigkeit erfordert.

Jedes Material steht in einem Spannungsverhältnis zu anderen Eigenschaften. Hohe Festigkeit bedeutet in der Regel Sprödigkeit. Zähigkeit bedeutet in der Regel Gewicht. Flexibilität bedeutet in der Regel Schwäche.

Spinnenseide scheint gegen diese Regeln zu verstoßen.

Sie befindet sich an einem magischen Punkt auf der Festigkeits-/Zähigkeitskurve, den technische Materialien nicht erreichen können. Ein Strang Schleppseide - das Material, das die Spinne für ihre Sicherheitsleine und die Radialfäden ihres Netzes verwendet - hat eine spezifische Festigkeit, die mit Stahl vergleichbar ist, und eine Zähigkeit, die Kevlar übertrifft. Nicht das eine oder das andere. Sondern beides.

Diese Konvergenz führte zu einem seltenen Moment der Einigkeit zwischen sehr unterschiedlichen Branchen. Das Pentagon wollte leichtere Schutzwesten, die mehr Geschossenergie absorbieren konnten. Die Textilhersteller wollten biologisch abbaubare Hochleistungsstoffe, die kein Erdöl benötigen. Medizintechnikunternehmen wollten biokompatibles Nahtmaterial, das der Körper nicht abstoßen würde. Luft- und Raumfahrtingenieure wollten ultraleichte Anbindungselemente und Verbundwerkstoffe.

Sie alle wollten Spinnenseide.

Das Material schien wie geschaffen für das 21. Jahrhundert: stärker als alles, was wir synthetisieren können, nachhaltig produziert und mit lebendem Gewebe kompatibel. In den ersten Tagen der biotechnologischen Revolution, als die Wissenschaftler gerade lernten, Gene wie Softwarecode zu bearbeiten, schien Spinnenseide der Beweis dafür zu sein, dass die Natur unsere schwierigsten Materialprobleme bereits gelöst hatte. Alles, was wir tun mussten, war, das Rezept zu kopieren.

Die Logik war verführerisch: Die Evolution hat 400 Millionen Jahre damit verbracht, dieses Material zu optimieren. Wir mussten uns nur den Bauplan ausleihen.

Das “perfekte Material”, das es nicht war

Aber hier wird die Geschichte interessant - und der anfängliche Hype begann sich zu entladen.

Der Satz, den man immer wieder hört, “stärker als Stahl”, ist zwar technisch richtig, aber in seiner Bedeutung irreführend. Spinnenseide ist nach Gewicht stärker als Stahl, was Ingenieure als spezifische Festigkeit bezeichnen. Das ist von enormer Bedeutung, wenn man Flugzeuge oder Raumfahrzeuge baut, wo jedes Gramm zählt. Beim Bau einer Brücke oder eines Gebäudes, wo es auf absolute Festigkeit und Steifigkeit ankommt, spielt es eine weitaus geringere Rolle.

Und Steifigkeit? Hier werden die Grenzen der Spinnenseide schmerzlich deutlich.

Materialwissenschaftler betrachten die Leistung in drei Hauptdimensionen: Festigkeit (wie viel Kraft ist nötig, um zu brechen), Steifigkeit (wie viel Widerstand leistet das Material gegen Dehnung oder Biegung) und Zähigkeit (wie viel Energie kann es aufnehmen, bevor es versagt). Sie können sich dies als einen dreifachen Kompromiss vorstellen. Kohlefaser hat die höchste Festigkeit und Steifigkeit, zerbricht aber bei einem Aufprall. Kevlar dominiert den Bereich mit hoher Zähigkeit, ist aber nicht besonders steif. Gummi ist elastisch, aber schwach.

Spinnenseide hat eine ungewöhnliche Eigenschaft: Sie verbindet hohe Festigkeit mit außergewöhnlicher Zähigkeit. Das ist ihre Superkraft - die Fähigkeit, enorme Energiemengen zu absorbieren, ohne zu brechen, was sie ideal macht, um fliegende Insekten aufzuhalten oder - theoretisch - Aufprallkräfte abzufangen.

Aber sie ist bei weitem nicht so steif wie Kohlefaser oder sogar Edelstahl. Bei Anwendungen, die starre Strukturen erfordern - Rahmen für die Luft- und Raumfahrt, Automobilkomponenten, Baumaterialien - ist Spinnenseide einfach nicht konkurrenzfähig. Sie würde sich dort biegen und verformen, wo man etwas braucht, das unter Belastung seine Form behält.

Dann ist da noch das Problem der thermischen und chemischen Stabilität. Kevlar kann Temperaturen von bis zu 400 Grad Celsius standhalten. Kohlefaser übersteht sogar noch höhere Temperaturen. Spinnenseide? Sie ist ein Protein. Hydratisierte Spinnenseidenproteine beginnen bei 60 bis 80 °C zu denaturieren, obwohl trockene Fasern weit über 200 °C vertragen können - in extremen thermischen Umgebungen sind sie den Aramiden dennoch deutlich unterlegen. Wird sie über einen längeren Zeitraum UV-Licht ausgesetzt, zersetzt sie sich. Wenn man sie mit bestimmten Lösungsmitteln behandelt, löst sie sich auf.

Das sind keine kleinen technischen Spitzfindigkeiten. Es sind grundlegende Einschränkungen, die ganze Kategorien von Anwendungen ausschließen.

Im frühen Marketing wurde dies nie erwähnt. Die Erzählung vom “Wundermaterial” implizierte eine universelle Überlegenheit - dass Spinnenseide einfach in allen Bereichen besser sei als synthetische Alternativen. Es wurde suggeriert, dass, sobald wir herausgefunden hätten, wie man sie herstellt, jede Hochleistungsanwendung von selbst umgestellt würde.

Dies stellte sich als gefährliche Vereinfachung heraus und offenbarte einen tieferen Aspekt des ganzen Unterfangens: die philosophische Verlockung der Biomimikry.

In der Materialwissenschaft herrscht der fast schon romantische Glaube, dass die Natur unsere schwierigsten Probleme bereits gelöst hat, dass die Evolution - mit ihren 400 Millionen Jahren Forschung und Entwicklung - Lösungen gefunden hat, die wir uns kaum vorstellen können. Manchmal stimmt das auch. Klettverschlüsse sind aus Graten entstanden. Von Haifischhäuten inspirierte Oberflächen verringern den Luftwiderstand. Geckofüße inspirierten neue Klebstoffe.

Doch die Spinnenseide wurde zum abschreckenden Beispiel dafür, dass das “Kopieren der Natur” nicht länger eine clevere Technik ist, sondern zur Falle wird. Denn hier ist das, wofür die Evolution eigentlich optimiert wurde: ein einsames Raubtier, das fliegende Insekten mit einer Struktur fangen muss, die es aus seinem eigenen Körper herstellen, bei Beschädigung recyceln und ohne externe Energie oder Werkzeuge einsetzen kann.

Die Evolution optimierte nicht für: Fabriken, Gewinnspannen, industriellen Durchsatz, Qualitätskontrolle, behördliche Genehmigungen oder Kosten pro Kilogramm.

Der Spinne ist es egal, dass ihre Seidenproduktion nach industriellen Maßstäben “ineffizient” ist. Es ist ihr egal, dass der Prozess nur in winzigem Maßstab funktioniert. Es ist ihr egal, dass jeder Strang eine Präzision im Nanobereich erfordert, die nur Sekunden dauert. Die Spinne hat alle Zeit der Welt, nutzt kostenlose biologische Arbeitskraft und recycelt ihre Fehler, indem sie sie frisst.

Diesen Luxus können wir uns nicht leisten.

Der Kreislauf, der sich nicht durchbrechen lässt

Und doch erscheint alle fünf bis sieben Jahre die gleiche Schlagzeile: “Wissenschaftler erschaffen superstarke Spinnenseide”. Die Pressemitteilungen folgen einem Schema. Ein Forschungsteam verkündet einen Durchbruch bei der Herstellung des Proteins, eine geringfügige Verbesserung der Fasereigenschaften oder eine neue Spinntechnik, die sich an der Spinndüse der Spinne orientiert. Die Reporter sprechen von einer “bahnbrechenden Neuerung”. Verteidigungszeitschriften bringen atemlose Artikel. Risikokapitalfirmen vereinbaren Pitch-Meetings.

Dann ändert sich still und leise nichts mehr.

Die Unternehmen, die Millionen eingesammelt haben, schwenken auf “angrenzende Märkte” um. Die vielversprechende Ausgründung wird zu einem Unternehmen für medizinische Geräte, dann zu einer Beratungsfirma für Biomaterialien und schließlich zu einer Fußnote in einem Konkursantrag. Die Forscher veröffentlichen ihre Ergebnisse, stellen fest, dass “die industrielle Umsetzung eine Herausforderung bleibt”, und kehren in ihre Labors zurück.

Der Zyklus hat sich so oft wiederholt, dass er zu einem eigenen Genre des Wissenschaftsjournalismus geworden ist - das Wundermaterial, das immer fünf Jahre entfernt ist.

Warum passiert das immer wieder?

Zum Teil ist es strukturell bedingt. Spinnennetze sind visuell beeindruckend - sie filmen sich praktisch selbst. Das Video von der Spinne gegen die Biene ist ein gefundenes Fressen für wissenschaftliche Dokumentationen. Die Phrase “stärker als Stahl, leichter als eine Feder” ist Marketing-Gold. Fügen Sie das Wort “Biomimikry” hinzu und Sie haben eine Geschichte, die Technologen, Umweltschützer und Futuristen gleichermaßen anspricht.

Jeder Deep-Tech-Investor kennt die Schlagworte: revolutionäres Biomaterial, riesiger adressierbarer Gesamtmarkt (Militär! Medizin! Textilien!), nachhaltige Produktion und ein klarer Weg zur Kommerzialisierung. Spinnenseide trifft jeden Ton. Es ist das perfekte Pitch Deck.

Aber es gibt noch einen tieferen Grund. Alle paar Jahre gelingt es einem Team, etwas wirklich Neues zu erreichen. Sie bringen das Protein dazu, sich in Hefe mit höherer Ausbeute zu exprimieren. Sie finden heraus, wie man verhindern kann, dass es in Lösung verklumpt. Sie entwickeln eine bessere synthetische Spinndüse, die dem natürlichen Prozess der Spinne ein wenig näher kommt.

Dies sind echte Fortschritte, veröffentlicht in Natur oder Wissenschaft, und sie bringen das Feld wirklich voran. Eine Labordemonstration, die zeigt, dass 10% eine bessere Faserfestigkeit aufweist, ist ein legitimer wissenschaftlicher Fortschritt. Dasselbe Ergebnis wird in eine Pressemitteilung über “Schutzwesten der nächsten Generation” verpackt, und plötzlich beginnt der Kreislauf von neuem.

Das Problem ist, dass der wissenschaftliche Fortschritt und der Fortschritt in der Produktion nicht dasselbe sind. Der wissenschaftliche Fortschritt wird in Veröffentlichungen und Zitaten gemessen. Der industrielle Fortschritt wird in Tonnen pro Jahr und Dollar pro Kilogramm gemessen. Diese Lücke - zwischen einem Konzeptnachweis in einem Universitätslabor und einem rentablen Produkt, das in großem Maßstab ausgeliefert werden kann - ist der Punkt, an dem Spinnenseide seit drei Jahrzehnten immer wieder gescheitert ist.

Die Lücke, die sich nicht schließen will

Wir wissen, wie es geht: Spinnenseidenprotein in industriellen Mengen mit Hilfe gentechnisch veränderter Organismen herstellen. Unternehmen haben dies bereits demonstriert. Das Protein existiert. Sie können es in begrenzten Mengen bei spezialisierten Anbietern kaufen.

Was wir nicht wissen, ist, wie man dieses Protein in eine Faser umwandelt, die die Eigenschaften beibehält, die Spinnenseide so besonders machen - zu Kosten, die kommerziell sinnvoll sind, mit einer Geschwindigkeit, die für die industrielle Produktion erforderlich ist, und mit der Konsistenz, die regulierte Märkte verlangen.

Diese Lücke - zwischen einem Bottich mit teurer Proteinlösung und einer Spule mit brauchbaren Fasern - hat Hunderte von Millionen Dollar und Tausende von Forscherjahren verschlungen.

Die Spinne macht das in ihrem Unterleib in etwa drei Sekunden. Wir wissen immer noch nicht, wie.

Nun, das ist nicht ganz richtig. Wir wissen, wie es geht, und zwar in dem Sinne, dass wir den Prozess außerordentlich detailliert beschreiben können. Die Seidendrüse der Spinne ist ein chemisches und mechanisches Wunderwerk: Sie reguliert den pH-Wert, steuert Ionengradienten, wendet präzise Scherkräfte an und löst die molekulare Selbstorganisation aus, und das alles gleichzeitig auf einem Raum, der kleiner ist als ein Reiskorn. Wir haben jeden Schritt mit molekularer Auflösung kartiert.

Was wir nicht können, ist, diesen Prozess in einer Fabrik mit der Geschwindigkeit und den Mengen nachzubilden, die erforderlich sind, um mit Nylon zu konkurrieren, das etwa $2 pro Kilogramm kostet und das wir in Mengen von Millionen Tonnen pro Jahr herstellen.

Hier wird die Biomimikry-Falle brutal deutlich. Die Spinndüse der Spinne funktioniert, weil sie winzig ist, weil sie langsam arbeitet und weil sie in ein lebendes System integriert ist, das eine präzise biochemische Steuerung ermöglicht. Vergrößert man das System - macht es größer, schneller, kompatibel mit industriellen Geräten - bricht die Physik zusammen. Die Flüssigkeitsdynamik ändert sich. Die Scherkräfte, die die Proteine auf der Ebene der Spinne perfekt ausrichten, erzeugen Turbulenzen auf der Ebene der Fabrik. Die Ionengradienten, die in einem mikroskopischen Kanal funktionieren, lassen sich in einem Rohr nicht mehr aufrechterhalten.

Es ist nicht so, dass wir die Spinne nicht verstehen. Wir verstehen die Mechanismen in allen Einzelheiten. Das Problem ist nur, dass sich dieses Verständnis nicht in Technik umsetzen lässt. Die Lösung der Spinne ist hervorragend dafür optimiert, eine Spinne zu sein. Für eine Fabrik ist sie jedoch furchtbar optimiert.

Das ist die unbequeme Wahrheit, die die Spinnenseidenindustrie seit drei Jahrzehnten zu lösen versucht: Das Material ist außergewöhnlich, aber der Herstellungsprozess - der Vorgang, der das flüssige Protein in eine feste Faser verwandelt - erfordert ein Maß an Kontrolle im Nanobereich, das unsere besten Industrieanlagen bei wirtschaftlich vertretbaren Geschwindigkeiten einfach nicht erreichen können.

Man kann Fasern in Spinnenqualität mit einer Geschwindigkeit wie bei der Spinne herstellen, d. h. Gramm pro Tag zu Kosten, die in Tausenden von Dollar pro Kilogramm gemessen werden. Oder man kann mit industrieller Geschwindigkeit tonnenweise pro Tag produzieren, aber die daraus resultierende Faser verliert genau die Eigenschaften, die Spinnenseide überhaupt erst zu etwas Besonderem gemacht haben. Die Festigkeit nimmt ab. Die Zähigkeit nimmt ab. Das Ergebnis ist eine teure, mittelmäßige Kunstfaser, die nicht mit Kevlar oder sogar normalem Nylon mithalten kann.

Die materialwissenschaftliche Version der Heisenbergschen Unschärferelation: Man kann wissen, wie man es herstellt, oder man kann wissen, wie man es skaliert, aber man kann nicht beides gleichzeitig wissen.

Warum dies über Spinnenseide hinaus von Bedeutung ist

Dies ist keine Geschichte über eine Technologie, die gescheitert ist, weil die Wissenschaft falsch lag. Spinnenseide funktioniert. Sie existiert. Spinnen stellen sie kontinuierlich und zuverlässig her, und zwar Millionen Tonnen pro Jahr, verteilt über alle terrestrischen Ökosysteme der Erde.

Dies ist eine Geschichte über die brutale Kluft zwischen wissenschaftlicher Leistung und wirtschaftlicher Realisierbarkeit - zwischen dem, was in einem Labor möglich ist, und dem, was auf dem Markt möglich ist. Es geht darum, warum das “Kopieren der Natur” eine verführerische, aber oft irreführende Strategie für Ingenieure ist. Es geht um die strukturelle Diskrepanz zwischen den Zeitplänen von Risikokapitalgebern (die Renditen in 7-10 Jahren erwarten) und den Entwicklungszyklen in der Materialwissenschaft (die in der Regel 15-20 Jahre vom Konzept bis zur Marktreife benötigen).

Vor allem geht es darum, dass nicht nur ein schwieriges Problem, sondern fünf gleichzeitig gelöst werden müssen: das Protein billig herstellen, seine Struktur erhalten, es mit industrieller Geschwindigkeit zu Fasern spinnen, die Konsistenz von Charge zu Charge sicherstellen und das alles zu Kosten, die mit Materialien konkurrieren können, die bereits seit fünfzig Jahren optimiert werden.

Spinnenseide wurde zu einem Paradebeispiel für zu große Versprechungen der Biomimikry. Die intensive Konzentration auf die Nachahmung der Natur lenkte die Industrie vom eigentlichen Ziel ab: der Schaffung einer Hochleistungsfaser, die die Menschen kaufen würden. Ob diese Faser nun von einem Spinnengen oder einem vollständig synthetischen Ansatz stammte, spielte keine Rolle - Leistung und Kosten waren alles, was zählte.

Die überlebenden Unternehmen haben diese Lektion gelernt. Sie haben den reinen Biomimikry-Ansatz - den Versuch, den Prozess der Spinne perfekt nachzubilden - zugunsten der Bio-Inspiration aufgegeben: Sie leihen sich die Prinzipien, verwenden aber völlig andere Herstellungsmethoden. Einige haben sich ganz von der Massenfaser abgewandt und konzentrieren sich stattdessen auf medizinische Anwendungen mit hohen Gewinnspannen, bei denen ein paar Gramm Material in einem chirurgischen Implantat für Tausende von Dollar verkauft werden können, wodurch die Produktionskosten irrelevant werden.

Andere haben die Spinnenproteine ganz aufgegeben und entwickeln synthetische Polymere, die die molekulare Architektur der Seide - die Blockstruktur, das kristalline und amorphe Gleichgewicht - nachahmen, ohne den biologischen Ballast. Diese Materialien werden nie “echte” Spinnenseide sein, aber sie könnten es tatsächlich auf den Markt schaffen.

Die Spinne hängt immer noch in ihrem Netz und wickelt ihre Beute in ein Material ein, das wir zwar bewundern, aber nicht in großem Maßstab reproduzieren können. Nach dreißig Jahren, Milliardeninvestitionen und Tausenden von Forschungsarbeiten bleibt uns eine tiefgreifende Lektion über Innovation: Manchmal ist die eleganteste Lösung der Natur die denkbar schlechteste Vorlage für die Industrie.

Die Wunderfaser bleibt gerade deshalb ein Wunder, weil sich das Geheimnis - die nanoskalige Choreografie, die innerhalb von drei Sekunden im Inneren eines Spinnenbauchs abläuft - der Industrialisierung verweigert. Wir haben das Rezept entschlüsselt, können aber die Küche nicht bauen. Wir haben den Bauplan gelesen, können aber das Gebäude nicht errichten.

Und vielleicht ist das die wahre Geschichte. Nicht, dass es uns nicht gelungen ist, die Spinne zu kopieren, sondern dass wir - langsam, teuer und wiederholt - gelernt haben, dass einige Errungenschaften der Natur überhaupt nicht dazu gedacht sind, kopiert zu werden. Sie sollen uns lehren, dass die Evolution und die Technik ganz andere Spiele spielen, mit ganz anderen Regeln, die auf ganz andere Ziele hin optimiert sind.

Die Spinne kümmert sich nicht um Gewinnspannen, Risikokapitalfristen oder Kosten pro Kilogramm. Sie muss nur ihre nächste Mahlzeit fangen.

Wir wollten die Welt mit ihrer Faser verändern. Die Spinne wollte nur zu Abend essen.

Diese Diskrepanz ist mehr als jede technische Herausforderung der Grund, warum die Traumfaser ein Traum bleibt.

Das Meisterwerk der Natur: Was die Spinnenseide so besonders macht

Wenn man einen Strang Spinnenseide unter dem Elektronenmikroskop betrachtet, sieht man etwas Unscheinbares: einen glatten, gleichmäßigen Zylinder mit einem Durchmesser von etwa fünf Mikrometern. Zoomt man näher heran, auf die molekulare Ebene, findet man etwas, das Materialwissenschaftler mit Worten beschreiben, die normalerweise für Kathedralen oder Symphonien reserviert sind: elegant, präzise, perfekt orchestriert.

Was Sie hier sehen, ist die Lösung der Natur für ein Problem, das industrielle Chemiker immer noch nicht vollständig nachbilden können: Wie kann man ein Material herstellen, das gleichzeitig stark, zäh und elastisch ist, und zwar mit nichts anderem als Protein und Wasser, bei Raumtemperatur und in drei Sekunden.

Das Geheimnis liegt nicht in den Zutaten. Es liegt in der Architektur.

Der molekulare Bauplan, der nicht funktionieren sollte

Beginnen Sie mit den Grundlagen. Spinnenseide ist ein Protein - genauer gesagt, eine Familie von Proteinen, die Spidroine genannt werden. Wenn Sie in der Schule Biologie belegt haben, erinnern Sie sich vielleicht daran, dass Proteine lange Ketten von Aminosäuren sind, die sich zu bestimmten Formen falten. Hämoglobin transportiert Sauerstoff. Insulin reguliert den Blutzucker. Enzyme katalysieren Reaktionen.

Spinnenseidenproteine tun etwas anderes. Sie bilden Strukturen.

Jetzt wird es interessant. Die meisten Strukturproteine in der Natur - Kollagen in Ihren Sehnen, Keratin in Ihrem Haar - sind relativ einfache, sich wiederholende Ketten. Sie funktionieren durch ihre schiere Masse: Packen Sie genügend Moleküle zusammen und Sie erhalten etwas Starkes.

Spidroins sind anders. Sie sind modular, fast wie LEGO-Bausteine, mit verschiedenen Abschnitten, die völlig unterschiedliche Funktionen haben. Stellen Sie sich eine lange Kette vor, die aus abwechselnden Segmenten besteht: Einige Abschnitte sind reich an der Aminosäure Alanin und in Sequenzen angeordnet, die von Natur aus enge, kristalline Schichten bilden wollen. Andere Abschnitte sind reich an Glycin und bilden lose, amorphe Bereiche, die flexibel bleiben.

Das ist nicht zufällig. Es handelt sich um eine bewusste molekulare Architektur.

Die alaninreichen Blöcke falten sich zu dem, was Chemiker als Beta-Sheets bezeichnen - flache, geschichtete Strukturen, in denen sich die Proteinketten übereinander stapeln wie Papier in einem Ries, zusammengehalten durch Wasserstoffbrücken. Diese kristallinen Bereiche sind stark und steif. Sie sind das Skelett der Faser und sorgen für die Zugfestigkeit.

Die glycinreichen Blöcke tun das Gegenteil. Sie bleiben locker und ungeordnet und bilden amorphe Bereiche, die sich dehnen und verformen können. Sie sind die Stoßdämpfer der Faser und sorgen für Elastizität und Energieabsorption.

Beide Strukturen sind für sich genommen nichts Besonderes. Kristalline Proteine sind stark, aber spröde - sie brechen bei Belastung. Amorphe Proteine sind flexibel, aber schwach - sie verformen sich ständig. Kombiniert man sie jedoch in präzisen Verhältnissen, in genauen Abständen, entlang derselben Molekülkette, geschieht etwas Bemerkenswertes.

Sie erhalten ein Material, das sich wie Gummi dehnen lässt und wie Stahl hält.

Die Hierarchie, die es möglich macht

Aber die Magie hört nicht auf der molekularen Ebene auf. Das Geheimnis der Spinnenseide besteht darin, dass sie hierarchisch organisiert ist - Strukturen innerhalb von Strukturen innerhalb von Strukturen, wobei auf jeder Ebene neue Fähigkeiten hinzukommen.

Auf der Nanometerskala sind die einzelnen Spidroinmoleküle parallel zueinander angeordnet, wobei ihre kristallinen Bereiche winzige, starre Domänen bilden, die in eine weichere amorphe Matrix eingebettet sind. Man kann sich das wie Bewehrungsstäbe im Beton vorstellen, nur dass die Bewehrungsstäbe und der Beton aus demselben Molekül bestehen, das nur anders gefaltet ist.

Diese ausgerichteten Moleküle bündeln sich zu Nanofibrillen - Proteinkabel von etwa 100 Nanometern Durchmesser. Die Nanofibrillen verdrillen sich zu Fibrillen. Die Fibrillen ordnen sich zur endgültigen Faser an.

Auf jeder Ebene ist die Ausrichtung entscheidend. Wenn die Moleküle wahllos durcheinander liegen, verliert die Faser den Großteil ihrer Festigkeit - die kristallinen Bereiche können die Last nicht teilen, und die gesamte Struktur bricht unter der Belastung zusammen. Die Spinne erreicht eine nahezu perfekte Ausrichtung, indem sie steuert, wie das flüssige Protein durch ihren Spinnkanal fließt, indem sie Scherkräfte und chemische Auslöser einsetzt, um die Moleküle in ihre Position zu bringen, bevor sie sich verfestigen.

Hier stößt die menschliche Produktion auf ihre erste große Hürde. Wir können das Protein herstellen. Wir können es sogar richtig falten. Was wir nicht können - nicht zuverlässig, nicht schnell und nicht in großem Maßstab - ist, Millionen von Proteinmolekülen beim Übergang von der Flüssigkeit zum Festkörper perfekt auszurichten.

Die Spinne schafft dies in einem Kanal, der schmaler ist als ein menschliches Haar, in etwa drei Sekunden, ohne Fehler, tausende Male pro Tag.

Wir haben dreißig Jahre lang versucht, sie zu reproduzieren.

Warum verschiedene Seiden unterschiedliche Aufgaben erfüllen

Was die meisten Menschen nicht wissen: Eine einzige Spinne produziert bis zu sieben verschiedene Arten von Seide, die jeweils für eine bestimmte Funktion optimiert sind. Die Kugelweberin, die in Ihrem Garten sitzt, spinnt nicht nur ein Material, sondern betreibt eine Materialfabrik.

Das strukturelle Gerüst des Netzes - die nicht klebrigen Radialfäden und die äußeren Stützfäden - besteht aus großer Ampullatseide, auch Schleppseide genannt. Das ist die “Wunderfaser”, die alle studieren. Sie ist stark, zäh und relativ steif. Die Spinne benutzt sie als Sicherheitsleine, wenn sie sich von einer Oberfläche fallen lässt und ihr Leben einem einzigen Strang anvertraut.

Die klebrige Fangspirale, die tatsächlich Insekten einfängt? Das ist viskose Seide, die aus verschiedenen Drüsen besteht. Im Vergleich zu Schleppleinen ist sie schwach - man könnte sie leicht zwischen den Fingern zerreißen -, aber sie ist unglaublich dehnbar und mit klebrigen Glykoproteintröpfchen überzogen. Ihre Aufgabe ist es nicht, das Insekt festzuhalten, sondern es so lange zu fangen, bis die Spinne ankommt.

Der Eiersack wird in zylindrische Seide eingewickelt, die zäh, aber flexibel ist und die Eier schützt, ohne sie zu zerdrücken. Wenn die Spinne ihre Beute einwickelt, verwendet sie nadelförmige Seide, die in großen Mengen produziert wird und sich leicht mit ihr verbindet.

Jede Seide hat eine andere Proteinzusammensetzung, ein anderes Verhältnis von kristallinem zu amorphem Material und andere mechanische Eigenschaften. Die Spinne stellt nicht nur ein einziges Super-Material her. Sie stellt einen Werkzeugkasten spezialisierter Materialien her, von denen jedes perfekt auf seine Aufgabe abgestimmt ist.

Die Industrie hat sich aus einem einfachen Grund für Schleppseide entschieden: Sie hat die besten Allround-Eigenschaften. Sie ist die Goldlöckchen-Faser - stark genug für strukturelle Anwendungen, zäh genug für die Energieabsorption und elastisch genug, um Stöße zu verkraften. Sie entspricht am ehesten dem, was man sich für Körperpanzer, Hochleistungstextilien oder Komponenten für die Luft- und Raumfahrt wünscht.

Aber diese Konzentration auf das Schleppnetz offenbart auch eine industrielle Voreingenommenheit. Wir wollten das eine Material, das alles kann - den universellen Ersatz für Kevlar, Nylon und Kohlefaser. Die Natur verfolgt einen anderen Ansatz: spezialisierte Materialien für spezialisierte Aufgaben, die nach Bedarf in winzigen Mengen hergestellt werden.

Wir wollten eine Handelsware. Die Natur gab uns eine Boutique.

Was “Härte” wirklich bedeutet

An dieser Stelle müssen wir innehalten und uns darüber klar werden, was Spinnenseide wirklich außergewöhnlich macht, denn mit dem Wort “stark” wird leichtfertig um sich geworfen.

In der Materialwissenschaft gibt es drei entscheidende, aber unterschiedliche Eigenschaften:

Stärke ist die Kraft, die ein Material aushalten kann, bevor es bricht. Ziehen Sie an einem Stahlseil, bis es reißt - die erforderliche Kraft ist seine Zugfestigkeit.

Steifigkeit ist, wie sehr sich ein Material verformen lässt. Drücken Sie auf ein Holzbrett im Vergleich zu einem Schaumstoffkissen - Holz ist steifer, weil es sich kaum biegt.

Zähigkeit gibt an, wie viel Energie ein Material absorbieren kann, bevor es versagt. Dies ist die Eigenschaft, die für Schutzwesten, Aufprallschutz und das Auffangen von fliegenden Insekten von Bedeutung ist. Sie wird anhand der Fläche unter einer Spannungs-Dehnungs-Kurve gemessen - im Wesentlichen also daran, wie viel Arbeit man leisten muss, um etwas kaputt zu machen.

Die wahre Superkraft der Spinnenseide ist ihre Zähigkeit.

Kevlar hat in absoluten Zahlen eine höhere Zugfestigkeit als Spinnenseide - etwa 3,0-3,6 GPa im Vergleich zu 1,0-1,5 GPa bei Spinnenseide. Stahl ist steifer. Aber keines der beiden Materialien kann mit der Fähigkeit von Spinnenseide, Energie zu absorbieren, mithalten. Die Zähigkeit von Kevlar beträgt 30 bis 50 Megajoule pro Kubikmeter. Die härteste Spinnenseide, die von der Darwin'schen Rindenspinne stammt, kann 350-520 MJ/m³ erreichen - mehr als zehnmal so viel wie Kevlar.

Wenn eine Kraft auf Kevlar trifft, hält das Gewebe sie auf, indem es den Aufprall über das Gewebe verteilt - die Kevlarfasern selbst versagen jedoch durch Riss. Die Fasern brechen durch eine Kombination aus Zugüberlastung und Ausreißen der Fasern. Ist die Weste einmal gebrochen, ist sie gefährdet, und der Träger erleidet dennoch ein erhebliches Trauma durch stumpfe Gewalt.

Spinnenseide würde bei mäßigen Aufprallgeschwindigkeiten theoretisch etwas anderes tun. Da sie Stärke mit hoher Dehnung kombiniert - sie kann sich um bis zu 40% ihrer Länge dehnen - absorbiert sie Aufprallenergie, indem sie sich verformt, anstatt zu zerbrechen. Die kristallinen Bereiche sorgen für Festigkeit und verhindern ein völliges Versagen. Die amorphen Bereiche entfalten sich, dehnen sich und leiten die Energie wie molekulare Federn ab.

Auf molekularer Ebene geschieht dies durch einen Mechanismus, der als Opferbindung bezeichnet wird. Die Wasserstoffbrückenbindungen, die die Proteinstruktur zusammenhalten, sind einzeln relativ schwach - bei Belastung brechen sie. Aber es gibt Millionen von ihnen, und sie brechen nicht alle auf einmal. Stattdessen brechen sie nacheinander auf, wobei jede einzelne eine winzige Menge an Energie absorbiert. Die Proteinkette entfaltet sich auf kontrollierte Weise, wie ein sorgfältig entfalteter Airbag und nicht wie ein platzender Luftballon.

Aus diesem Grund kann Spinnenseide eine Biene aufhalten, ohne zu brechen. Die Seide dehnt sich und absorbiert die kinetische Energie der Biene über einen längeren Zeitraum und über eine größere Entfernung, wobei diese Energie in eine molekulare Verformung und nicht in ein strukturelles Versagen umgewandelt wird. Das Netz prallt ab. Die Seide hält.

Dann - und das ist der bemerkenswerte Teil - erholt sich die Seide. Die amorphen Bereiche falten sich wieder. Die Wasserstoffbrückenbindungen bilden sich neu. Die Faser erreicht wieder fast ihre ursprüngliche Länge und ist bereit für den nächsten Aufprall.

Kevlar kann das nicht. Sobald diese Fasern versagen, sind sie dauerhaft kaputt.

Diese Kombination aus hoher Festigkeit, hoher Dehnung und Rückstellvermögen ist das, was Materialwissenschaftler meinen, wenn sie sagen, dass Spinnenseide einen einzigartigen Platz auf der Leistungsskala einnimmt. Sie ist nicht nur für ein biologisches Material sehr robust. Sie ist zäher als fast alles, was wir bisher entwickelt haben, ob natürlich oder synthetisch.

Das Problem ist natürlich, dass sich Zähigkeit nicht verkaufen lässt, wenn man das Material nicht herstellen kann. Und die Herstellung in der von der Spinne erreichten Qualität - die kristallin-amorphe Architektur, die perfekte Ausrichtung, das präzise Verhältnis von Struktur und Flexibilität - bleibt die ungelöste Herausforderung.

Wir wissen, wie es funktioniert. Wir können es unter dem Mikroskop sehen, mit Röntgenbeugung messen und mit chemischen Berechnungen modellieren. Wir haben Tausende von Artikeln veröffentlicht, in denen wir bis ins kleinste Detail erklären, warum Spinnenseide so bemerkenswert ist.

Wir können es einfach nicht schaffen.

Die Spinne sitzt in ihrem Netz und produziert ein Material, das wir außerordentlich detailliert beschreiben, aber nicht nachbilden können. Sie demonstriert damit eine Herstellungsfähigkeit, die die Evolution in 400 Millionen Jahren perfektioniert hat und die wir mit all unserer Biotechnologie und Materialwissenschaft immer noch nicht erreichen können.

Um diese Kluft zwischen Verständnis und Umsetzung geht es im Rest dieser Geschichte. Denn es stellt sich heraus, dass zu wissen, was Spinnenseide so besonders macht, etwas ganz anderes ist, als zu wissen, wie man sie selbst herstellt - vor allem, wenn man sie gewinnbringend und in großem Maßstab in einer Fabrik herstellen muss, die Investoren und Kunden gegenüber verantwortlich ist und nicht der natürlichen Auslese.

Der Bauplan der Spinne ist perfekt. Unsere Fähigkeit, ihm zu folgen, ist es nicht.

Die erste Welle: Kühne Versprechen und gescheiterte Abkürzungen (1990er-2000er)

Im Jahr 1989 unternahm ein Molekularbiologe namens Randy Lewis etwas, das damals wie reine Science-Fiction wirkte. Er versuchte, eine Ziege davon zu überzeugen, Spinnenseide herzustellen.

Nicht um Spinnenseide zu spinnen - das würde vielleicht später kommen. Zuerst brauchte er das Rohmaterial: das flüssige Protein, das Spinnen in ihrem Bauch produzieren, bevor sie es in Fasern verwandeln. Seine Logik war tadellos. Spinnen kannibalisieren sich gegenseitig, was ihre Zucht unmöglich macht. Aber Ziegen? Ziegen sind sanftmütig, produktiv und durch jahrtausendelange landwirtschaftliche Züchtung bereits darauf optimiert, große Mengen an Eiweiß in ihrer Milch zu produzieren.

Alles, was er tun musste, war, das Spinnenseidengen in das Genom der Ziege einzufügen, es gezielt in die Milchdrüsen einzubringen und die von der Natur geschaffene Infrastruktur der Milchwirtschaft die Arbeit machen zu lassen.

Als es funktionierte - als die Ziegen tatsächlich Milch produzierten, die Spinnenseidenprotein enthielt - explodierten die Nachrichten. Dies war kein schrittweiser Fortschritt. Hier löste die Biotechnologie ihr kühnstes Versprechen ein: Sie schrieb den genetischen Code einer Art um, um ihr die Fähigkeiten einer anderen zu verleihen.

Das Medienecho war vorhersehbar atemlos. “Spinnenziegen spinnen ein Netz aus Stahl”, verkündete eine Schlagzeile. “Kugelsichere Westen aus Ziegen”, erklärte eine andere. Rüstungskonzerne riefen an. Textilhersteller schickten Anfragen. Risikokapitalgeber begannen zu rechnen: Wenn eine Ziege X Liter Milch pro Tag produziert und die Milch Y Prozent Seidenprotein enthält, dann könnte eine Herde von Z Ziegen...

Die Berechnungen sahen unglaublich aus. In der Realität wurde es dann kompliziert.

Das Gen sollte der schwierige Teil sein

Um den Optimismus der frühen 1990er Jahre zu verstehen, muss man wissen, wo die Biotechnologie zu diesem Zeitpunkt stand. Das Humangenomprojekt war im Gange. Die Gentechnik war dabei, sich von einer theoretischen Möglichkeit zu einem praktischen Werkzeug zu entwickeln. Den Forschern war es gelungen, menschliches Insulin in Bakterien zu exprimieren und damit eine erneuerbare Quelle für ein lebensrettendes Medikament zu schaffen, für das zuvor die Bauchspeicheldrüse von Schweinen entnommen werden musste.

Das Paradigma war einfach und verführerisch: Die DNA ist die Gebrauchsanweisung. Wenn man die Anweisungen lesen kann, kann man sie kopieren. Wenn man sie kopieren kann, kann man sie in einen neuen Organismus einfügen und “run” drücken.”

Spinnenseide schien ein perfekter Testfall zu sein. Die Seidengene waren gut charakterisiert - lange, sich wiederholende Sequenzen, die für die im vorherigen Kapitel beschriebenen modularen Proteinstrukturen kodieren. Diese Gene in Bakterien, Hefen oder Säugetiere einzubringen, war eine etablierte Technologie. Die Organismen würden zu lebenden Fabriken werden, die mit nichts anderem als ihrem normalen Stoffwechsel Spinnenseidenproteine herstellen.

Das war das Versprechen, das hundert Forschungsprogramme und ein Dutzend Start-ups ins Leben rief: Wir haben den schwierigen Teil gelöst - die Gentechnik. Alles andere ist nur noch industrielles Scale-up.

Diese Annahme erwies sich als katastrophal falsch.

Die Menagerie der Seidenfabriken

Die Ziegen waren nur der Anfang. In den folgenden fünfzehn Jahren setzten die Forscher das gesamte biotechnologische Instrumentarium zur Herstellung von Spinnenseide ein und entwickelten eine immer bizarrer werdende Menagerie von Organismen.

Die transgenen Ziegen, die von Nexia Biotechnologies entwickelt und später von Randy Lewis an der Utah State University weitergeführt wurden, waren das Aushängeschild. Die Vorteile lagen auf der Hand: große Tiere, die täglich literweise proteinreiche Flüssigkeit produzieren und die bestehende Infrastruktur der Molkereien für die Sammlung und Verarbeitung nutzen. Das Spinnenseidenprotein wäre in der Milch gelöst - man würde es einfach extrahieren, reinigen und zu Fasern spinnen.

Die Probleme lagen ebenso auf der Hand, auch wenn es Jahre dauerte, bis sie vollständig erkannt wurden. Erstens ist Milch eine komplexe biologische Suppe, die Hunderte von Proteinen, Fetten und Zuckern enthält. Die Abtrennung eines bestimmten Proteins - selbst bei Konzentrationen von mehreren Gramm pro Liter - erforderte teure Chromatographie und Filtration. Zweitens sind Ziegen teuer im Unterhalt. Sie benötigen Land, Futter, tierärztliche Versorgung und etwa zwei Jahre, um die Produktivitätsreife zu erreichen. Drittens produziert jede Ziege eine leicht unterschiedliche Konzentration an Seidenprotein, je nach Genetik, Ernährung und Laktationszyklus. Konsistenz - der heilige Gral der Industrie - war nahezu unmöglich.

Und viertens, vielleicht das Schlimmste: Die Skalierung erforderte Herden. Hunderte von Ziegen. Schließlich Tausende, um kommerziell relevante Mengen zu produzieren. Die Romantik der Spinnenziegen verflüchtigte sich schnell, als man sie mit der Logistik der industriellen Milchwirtschaft konfrontierte.

Die Bakterien waren praktischer, hatten aber auch ihren eigenen Fluch. E. coli ist seit den 1970er Jahren das Arbeitspferd der Biotechnologie - billig, schnell wachsend, leicht genetisch zu manipulieren. Bakterien dazu zu bringen, Spinnenseidenprotein zu produzieren, war einfach. Sie dazu zu bringen, nützliches Spinnenseidenprotein zu produzieren, war es nicht.

Das Problem waren die Einschlusskörper. Wenn Bakterien versuchen, große Mengen an Fremdproteinen zu produzieren, insbesondere große, komplexe Proteine wie Spidroine, sind sie oft überfordert. Die Proteine falten sich falsch und verklumpen zu dichten, unlöslichen Klumpen im Inneren der Zelle. Diese Einschlusskörper sind nutzlos - das Protein hat die falsche Form, kann sich nicht auflösen und lässt sich nicht spinnen.

Die Forscher konnten die Zellen aufbrechen und die Einschlusskörper mit scharfen Chemikalien und großer Hitze extrahieren und dann versuchen, das Protein wieder in seine richtige Struktur zu falten. Manchmal funktionierte dies. Oft aber auch nicht. Und wenn es doch funktionierte, war der Prozess so energie- und kostenintensiv, dass der Kostenvorteil, den die Verwendung von Bakterien mit sich brachte, zunichte gemacht wurde.

Das Ergebnis: Bakterien können zwar Quantität, aber keine Qualität produzieren.

Hefe einen Mittelweg angeboten. Pichia pastoris und andere industrielle Hefestämme verfügen über eine ausgefeiltere Proteinfaltungsmaschinerie als Bakterien - sie sind Eukaryoten mit zellulären Kompartimenten und Chaperonproteinen, die bei der korrekten Faltung komplexer Proteine helfen. Sie können in riesigen Bioreaktoren gezüchtet werden, wobei die bewährte Fermentationstechnologie zum Einsatz kommt, also derselbe grundlegende Prozess, der auch zur Herstellung von Bier oder Industrieenzymen verwendet wird.

Mehrere Unternehmen setzten stark auf Hefe. Bolt Threads, Spiber in Japan und andere entwickelten eigene Stämme, die in der Lage waren, Spidroine in Mengen von Gramm pro Liter zu produzieren. Das war ein echter Fortschritt. Die Proteine waren löslich, richtig gefaltet und in ausreichend hohen Konzentrationen vorhanden, um wirtschaftlich interessant zu sein.

Doch “wirtschaftlich interessant” erwies sich als eine gefährlich niedrige Messlatte. Um Hefe zu züchten, braucht man Zucker als Ausgangsmaterial - und zwar jede Menge. Die industrielle Gärung erfordert Temperaturkontrolle, sterile Bedingungen und ständiges Rühren. All dies erfordert Energie. Nach der Gärung muss das Protein noch von den Hefezellen und dem Wachstumsmedium getrennt und dann auf die für das Spinnen erforderliche hohe Dichte konzentriert werden.

Als die Unternehmen eine vollständige Kostenrechnung aufstellten, waren die Zahlen ernüchternd. Frühe Schätzungen für die bakterielle Fermentation gingen von Kosten in Höhe von $35.000-50.000 pro Kilogramm verwertbaren Seidenproteins aus. Optimistischere akademische Hochrechnungen für Hefesysteme in großem Maßstab gingen von $300-3.000 pro Kilogramm im Pilotmaßstab aus, wobei theoretisch Kosten von $40-100 pro Kilogramm im industriellen Maßstab möglich wären. Das war vor dem Spinnen zu Fasern - nur das Rohproteinmaterial.

Zum Vergleich: Ein Kilogramm Nylon kostet etwa $2. Kevlar, eine der teuersten Hochleistungsfasern, kostet etwa $80 pro Kilogramm - als fertige Faser, bereit zum Weben.

Die transgenen Seidenraupen schienen die Lösung für alles zu sein. Seidenraupen produzieren bereits Seide - viel Seide, zuverlässig, seit Tausenden von Jahren. Es gab bereits eine Seidenindustrie mit einer etablierten Infrastruktur für die Aufzucht der Würmer, die Ernte der Kokons und die Gewinnung der Fasern. Wenn man die Seidenraupen dazu bringen könnte, Spinnenseide anstelle ihrer einheimischen Seide zu produzieren, hätte man sofort eine Industrie.

Forscher an der University of Notre Dame, der University of Wyoming sowie an Einrichtungen in China und Japan verfolgten diesen Ansatz. Sie züchteten erfolgreich transgene Seidenraupen, die Seide produzierten, die Spinnenseidenproteine enthielt, entweder in reiner Form oder gemischt mit der natürlichen Seide des Wurms.

Die gute Nachricht: Es hat funktioniert. Die Würmer sponnen Kokons, die das manipulierte Protein enthielten. Die schlechte Nachricht: Die resultierende Faser war uneinheitlich. Manchmal wurden die Spinnenseidenproteine richtig eingebunden. Manchmal aber auch nicht. Die Fasern waren oft schwächer als reine Seidenraupenseide und besaßen nicht die außergewöhnliche Zähigkeit, die Spinnenseide so besonders macht.

Und es gab noch ein grundlegenderes Problem: Seidenraupen spinnen ihre Kokons über mehrere Tage hinweg zu einer einzigen Faser und verwenden dabei einen völlig anderen Spinnprozess als Spinnen. Sie konnten die präzise chemische und mechanische Choreografie der Spinne nicht nachahmen. Das Protein war richtig, aber der Prozess war falsch.

Pflanzen und Algen war die Grenze der Verzweiflung. Einige Forscher veränderten Tabak-, Alfalfa- und sogar Kartoffelpflanzen, um Spinnenseidenproteine zu produzieren. Andere versuchten es mit Algen, weil sie dachten, dass photosynthetische Organismen eine nachhaltige, kostengünstige Produktionsplattform bieten könnten.

Diese Bemühungen brachten zwar Papiere und Patente hervor, aber sonst wenig. Die Proteinausbeute war extrem gering. Pflanzen verfügen nicht über die zelluläre Maschinerie, um Spinnenseidenproteine richtig zu falten, und die Extraktion von Proteinen aus Pflanzengewebe ist bekanntermaßen schwierig und teuer. Bei den Algen sah es noch schlechter aus.

Was tatsächlich funktionierte - und was es bedeutete

Mitte der 2000er Jahre konnte die erste Welle von Spinnenseidenunternehmen einen echten Erfolg verbuchen: Sie hatten erfolgreich Spinnenseidenprotein in Nicht-Spinnenorganismen in Größenordnungen produziert, die in Kilogramm pro Jahr statt in Milligramm pro Woche gemessen werden konnten.

Das war keine Kleinigkeit. Fünfzehn Jahre zuvor bestand die einzige Möglichkeit, Spinnenseidenprotein zu gewinnen, darin, es aus Spinnen herauszuschneiden. Jetzt konnte man es in einem Bioreaktor züchten.

Doch dieser Erfolg ging mit einer brutalen Erkenntnis einher: Die Herstellung des Proteins war nur der Anfang. Das eigentliche Problem - ein Problem, das weitere zwei Jahrzehnte und Hunderte von Millionen Dollar verschlingen würde - war die Frage, was man mit dem Protein machen sollte, wenn man es einmal hatte.

Das Protein lag in einer konzentrierten Lösung vor, die manchmal als “Seidenspinnstoff” bezeichnet wird - eine zähflüssige Flüssigkeit auf Wasserbasis, die 20-50% Protein pro Gewicht enthält. Bei der Spinne befindet sich dieser Spinnstoff in der großen Ampullendrüse und wartet darauf, durch die präzise Abfolge chemischer und mechanischer Vorgänge im Spinnkanal in Fasern umgewandelt zu werden.

In der Fabrik lagerte der Stoff in Tanks und Behältern, und die Forscher starrten ihn an und versuchten herauszufinden, wie man ihn in eine funktionierende Faser verwandeln könnte.

Bei den ersten Versuchen wurden herkömmliche Textilextrusionsverfahren angewandt, bei denen die Proteinlösung durch eine kleine Düse gepresst wurde, manchmal in ein Koagulationsbad aus Methanol oder Aceton, manchmal einfach in die Luft. Diese Methoden funktionierten bei Nylon, Polyester und sogar Kevlar.

Sie haben Spinnenseide zerstört.

Die resultierenden Fasern waren schwach und spröde und hatten wenig Ähnlichkeit mit natürlicher Spinnenseide. Unter dem Elektronenmikroskop waren die Proteinmoleküle durcheinandergewürfelt und schlecht ausgerichtet. Die kristallinen und amorphen Bereiche bildeten sich eher zufällig als in der organisierten Struktur, die der Spinnenseide ihre Eigenschaften verleiht.

Die industrielle Extrusion war zu schnell, zu turbulent, zu heftig. Die Proteine hatten keine Zeit, sich vor der Verfestigung auszurichten. Die entscheidenden Beta-Faltblattkristalle bildeten sich nicht richtig aus. Unter dem Mikroskop sah die Faser aus wie Spinnenseide, aber im Test funktionierte sie wie mittelmäßiges Nylon.

Mehrere Unternehmen verkündeten, sie hätten “Spinnenseidenfasern” hergestellt. Technisch gesehen stimmte dies - es handelte sich um Fasern, die aus Spinnenseidenprotein hergestellt wurden. Aber es war keine Spinnenseide, jedenfalls nicht in einem sinnvollen Sinne. Die mechanischen Eigenschaften waren nicht vorhanden.

Es war, als hätte man alle Bestandteile einer Stradivari-Geige erfolgreich synthetisiert und sie zu einer Ukulele zusammengesetzt. Ja, beides sind Saiteninstrumente aus Holz. Nein, sie erzeugen nicht den gleichen Klang.

Der Umschwung, das Schweigen und der Stillstand

Im Jahr 2009 war die erste Welle zu Ende. Nexia Biotechnologies, das bekannteste Spinnenseidenunternehmen, war still und leise zusammengebrochen. Seine Vermögenswerte, einschließlich der Spinnenziegenherde, wurden an ein kanadisches Unternehmen verkauft. Die Ziegen wurden schließlich an die Utah State University gespendet, wo Randy Lewis seine Forschung fortsetzte - nicht mehr als kommerzielles Unternehmen, sondern als akademische Kuriosität.

Kraig Biocraft Laboratories, das sich auf transgene Seidenraupen spezialisiert hat, schwenkte wiederholt um - von militärischen Anwendungen über medizinische Geräte bis hin zu Hochleistungstextilien. Der Aktienkurs des Unternehmens, das einst auf der Hype-Welle der Biotechnologie mitschwamm, hat sich im Bereich der Pennystocks eingependelt.

Andere Unternehmen verließen das Unternehmen auf sanftere Weise. Sie sprachen nicht mehr von kugelsicheren Westen, sondern von Wundauflagen. Sie versprachen keine Umwälzung der Textilindustrie mehr, sondern zielten auf medizinische Nischenanwendungen ab, bei denen die hohen Kosten durch hohe Gewinnspannen und geringe Stückzahlen gerechtfertigt werden konnten.

Einigen ging einfach das Geld aus und sie schlossen ohne Pressemitteilungen oder Erklärungen. Ihre Websites verschwanden. Ihre Patente liefen aus oder wurden verkauft. Die Forscher wechselten zu anderen Projekten.

Rückblickend fällt auf, wie wenig Drama diese Misserfolge begleitete. Es gab keine spektakulären Insolvenzen, keine Enthüllungsjournalisten, keine öffentlichen Abrechnungen. Die Unternehmen sind einfach... verschwunden. Die Pressemitteilungen wurden seltener. Die Fristen wurden stillschweigend verlängert. Aus “kommerzieller Produktion im Jahr 2005” wurde “2008” wurde “wenn die Bedingungen es erlauben”.”

Die Infrastruktur ist geblieben. Das Wissen blieb erhalten. Die Technologie der Proteinproduktion wurde schrittweise verbessert. Die Hefestämme wurden besser. Die Aufreinigungsmethoden wurden effizienter. Die Kosten sanken - nur nicht schnell genug und nicht weit genug.

Aber das ursprüngliche Versprechen - die transformative Vision von Spinnenseide als revolutionäres Material, das Kevlar verdrängen, Körperpanzer neu erfinden und eine neue Industrie für biobasierte Materialien begründen würde - war still und leise gestorben, unbetrauert außer von den Forschern und Investoren, die ihre Karrieren und ihr Kapital darauf gesetzt hatten.

Die Lektion, die sie zu spät gelernt haben

Die erste Welle ist gescheitert, weil sie von einem grundlegenden Missverständnis darüber ausging, wo die Schwierigkeiten lagen.

Die Gentechnik war nie der Engpass. Ja, es war eine technische Herausforderung, aber sie war mit den vorhandenen Werkzeugen lösbar. Das Einfügen von Genen in Organismen, die Optimierung der Expression, die Skalierung der Fermentation - all dies war bekanntes Terrain, Gegenstand von Lehrbüchern und kommerzieller Praxis.

Der Engpass war immer die Umwandlung von Flüssigkeit in Feststoff. Das Spinnen. Ein Prozess, der innerhalb von drei Sekunden im Bauch einer Spinne abläuft und den wir auch zwanzig Jahre nach der Herstellung unseres ersten Spinnenseidenproteins immer noch nicht in industriellem Maßstab nachbilden können, ohne die außergewöhnlichen Eigenschaften des Materials zu beeinträchtigen.

Die erste Welle ging davon aus, dass die Errungenschaft der Spinne das Protein war - dass das Meisterwerk der Evolution die Molekularstruktur war. Sobald man also das Protein hatte, war der schwierige Teil erledigt.

Sie hatten Unrecht. Das Meisterwerk der Evolution war nicht das Protein. Es war die Spinndüse - die biologische Maschine, die das Protein nimmt und es mit nahezu perfekter Effizienz und ohne Defekte in Fasern umwandelt, mit nichts anderem als mikrofluidischer Flusskontrolle und sorgfältig orchestrierter Chemie.

Wir haben das Rezept kopiert. Wir haben es versäumt, die Küche zu kopieren. Und es hat sich herausgestellt, dass bei der Herstellung von Spinnenseide die Küche das A und O ist.

Diese Erkenntnis sollte die zweite Welle von Versuchen prägen. Doch zunächst musste sich die Industrie mit einer noch grundlegenderen Frage auseinandersetzen, die eigentlich von Anfang an hätte gestellt werden müssen: Wenn die Herstellung von Spinnenseide so schwierig ist, warum nicht einfach Spinnen züchten?

Die Antwort auf diese Frage erklärt, warum jeder noch so ausgeklügelte Ansatz irgendwann gegen dieselbe brutale Wand stößt.

Warum man Spinnen nicht züchten kann

Die Frage stellt sich bei jeder Präsentation, bei jedem Pitch-Meeting, bei jedem lockeren Gespräch über Spinnenseide. Normalerweise hebt jemand nach etwa fünf Minuten die Hand.

“Wenn Seidenraupen gezüchtet werden können, um normale Seide herzustellen, warum können wir dann nicht einfach Spinnen züchten?”

Das ist eine völlig berechtigte Frage. Es ist auch die Frage, die erklärt, warum die gesamte Spinnenseidenindustrie in ihrer derzeitigen, gequälten Form existiert. Denn wenn man Spinnen züchten könnte, wären weder die Gentechnik noch die Biotechnologie noch die Hunderte von Millionen Dollar teuren Forschungsprogramme notwendig. Man würde einfach Spinnenfarmen bauen.

Die Menschen haben es versucht. Eigentlich seit Jahrhunderten. Es hat nie funktioniert. Und der Grund dafür, dass es nicht funktioniert, offenbart etwas Grundlegendes über die Zwänge, die jeden nachfolgenden Versuch, Spinnenseide kommerziell herzustellen, geprägt haben.

Das Experiment, das immer wieder scheitert

Im Jahr 1709 versuchte der französische Naturforscher François Xavier Bon de Saint Hilaire, die erste Spinnenseidenindustrie der Welt aufzubauen. Er sammelte Gartenspinnen, hielt sie in Käfigen und versuchte, ihre Seide zu ernten, um daraus Textilien herzustellen - insbesondere Handschuhe und Strümpfe, die er der französischen Akademie der Wissenschaften vorstellte.

Das Experiment war technisch erfolgreich. Die Handschuhe existierten. Sie wurden aus Spinnenseide hergestellt. Die Akademie war beeindruckt.

Das Experiment war wirtschaftlich katastrophal. Die Spinnen kämpften. Sie töteten sich gegenseitig. Sie weigerten sich, regelmäßig Seide zu produzieren. Saint Hilaire berechnete, dass die Produktion von Seide für ein einziges Kleidungsstück Hunderte von Spinnen und unzählige Stunden mühsamer Arbeit erforderte. Die Kosten waren absurd. Das Projekt wurde eingestellt.

Dreihundert Jahre später haben Forscher des American Museum of Natural History einen neuen Versuch unternommen. Zwischen 2009 und 2012 arbeitete ein Team in Madagaskar mit mehr als einer Million Goldkugelspinnen (Nephila), um ein einziges 11 Fuß mal 4 Fuß großes Textil herzustellen - einen goldenen Umhang, der im Victoria and Albert Museum ausgestellt ist.

Der Stoff war atemberaubend. Der Prozess war ein absoluter Albtraum.

Arbeiter sammelten jeden Morgen Spinnen in der freien Natur ein. Jede Spinne wurde an einem kleinen Gestell befestigt, und die Seide wurde von Hand aus den Spinndüsen gewonnen - ein Verfahren, das “Silking” genannt wird, was weitaus sanfter klingt, als es ist. Jede Spinne produzierte etwa 25 Meter brauchbare Seide, bevor sie wieder in die Wildnis entlassen wurde und am nächsten Tag wieder eingefangen werden musste.

Die Rechnung war brutal: 23.000 Spinnen, um eine Unze Seide zu produzieren. Vier Jahre Arbeit, um ein einziges Textil herzustellen. Für den Umhang waren über eine Million Spinnen nötig.

Sie hängt in einem Museum als Kuriosität, als Beweis für die menschliche Ausdauer und die Produktivität der Spinnen. Sie hängt auch als Beweis dafür, dass Spinnenzucht kommerziell unmöglich ist.

Die Biologie, die das Modell bricht

Der Grund dafür ist nicht geheimnisvoll. Er ist in der Spinnenbiologie auf allen Ebenen verankert, angefangen mit dem Offensichtlichsten: Spinnen sind Raubtiere, und Raubtiere lassen sich nicht gut züchten.

Seidenraupen sind Pflanzenfresser - sie fressen vor allem Maulbeerblätter. Man kann Tausende von Seidenraupen in Lagerhallen auf Schalen stapeln, sie mit billigen Blättern füttern, und sie werden friedlich koexistieren, bis sie ihre Kokons spinnen. Sie werden seit etwa 5.000 Jahren domestiziert. Sie sind inzwischen so sehr auf die Seidenproduktion spezialisiert, dass Bombyx mori, Die heimische Seidenraupe kann in freier Wildbahn kaum überleben. Sie ist die Milchkuh unter den wirbellosen Tieren: gefügig, produktiv und für den menschlichen Gebrauch optimiert.

Spinnen sind nicht so.

Die meisten Spinnen, die für die Seidenproduktion von Interesse sind - Korbweber wie Nephila und Argiope-sind einsame Jäger. Sie sind territorial. Ihre gesamte evolutionäre Strategie ist darauf ausgerichtet, ein netzförmiges Stück Land zu verteidigen und alles zu fressen, was in seine Nähe kommt.

Wenn sich zwei Spinnen in der Nähe befinden, kooperieren sie nicht. Sie kämpfen. Normalerweise frisst die größere die kleinere.

Es handelt sich nicht um gelegentliche Aggression. Es handelt sich nicht um ein Problem, das man mit einer besseren Käfiggestaltung oder einem sorgfältigen Management lösen kann. Es handelt sich um ein grundlegendes Verhalten, das sich über Millionen von Jahren entwickelt hat. Weibliche Spinnen fressen Männchen manchmal sogar während der Paarung - sexueller Kannibalismus ist bei einigen Arten so verbreitet, dass er zum Standardverhalten gehört. Die Vorstellung, dass man Hunderte von Spinnen davon überzeugen könnte, friedlich in einem Gehege zu leben, ist ein biologischer Fehlstart.

Theoretisch könnte man jede Spinne einzeln unterbringen. Aber jetzt betreiben Sie keine Landwirtschaft, sondern einen Zoo. Die Arbeits- und Infrastrukturkosten steigen linear mit der Anzahl der Spinnen. Es gibt keine Größenvorteile, keinen Effizienzgewinn durch Größe.

Und im Gegensatz zu Seidenraupen, die einmal einen großen Kokon produzieren und dann sterben, so dass man sie in großen Mengen ernten kann, produzieren Spinnen kontinuierlich Seide in kleinen Mengen. Sie spinnen Netze, die man einsammeln könnte, aber die Netzseide ist klebrig und mit verschiedenen Seidenarten vermischt. Die von Ihnen gewünschte Schleppseide ist die Minderheitskomponente.

Die einzige praktikable Methode ist die manuelle Gewinnung - das in Madagaskar angewandte “Silking”-Verfahren, bei dem Menschen jede Spinne körperlich festhalten und die Seide aus ihren Spinnwarzen ziehen. Das ist langsam, arbeitsintensiv und stressig für die Spinne, was die zukünftige Seidenproduktion verringert.

Die Mathematik, die nicht funktioniert

Lassen Sie uns einmal durchrechnen, was die industrielle Spinnenzucht tatsächlich erfordern würde.

Ein produktives Nephila Spinne könnte 50 bis 100 Meter Schleppseide pro Tag produzieren, wenn man sie von Hand erntet und die Spinne vorsichtig behandelt. Das klingt vielversprechend, bis man die Masse berechnet: Schleppseide hat einen Durchmesser von etwa 5 Mikron. Einhundert Meter davon wiegen etwa 10 Milligramm.

Zehn Milligramm. Pro Spinne. Pro Tag.

Industrielle Textilfasern werden pro Tonne verkauft. Eine Tonne entspricht einer Million Gramm. Um eine Tonne Spinnenseide pro Jahr in der Landwirtschaft zu produzieren, bräuchte man mindestens 270.000 Spinnen, die jeden Tag Seide produzieren, wenn man von einer perfekten Sammelleistung und keinen Verlusten ausgeht.

In der Praxis, unter Berücksichtigung von Sterblichkeit, Stress, jahreszeitlichen Schwankungen und der Unmöglichkeit, jeden Tag zu ernten, bräuchte man vielleicht eine Million Spinnen in aktiver Produktion zu einem bestimmten Zeitpunkt.

Hinzu kommt die Infrastruktur: Einzelgehege (Spinnen können sich nicht teilen), Fütterung (jede Spinne braucht lebende Insekten), Abfallentsorgung, Klimakontrolle und die Arbeitskosten für die manuelle Ernte der Seide von einer Million einzelner Spinnen täglich.

Vergleichen Sie dies mit der Serikultur. Moderne Seidenraupenzuchtbetriebe produzieren mehrere Tonnen Seide in einem einzigen Lagerhaus mit saisonalen Arbeitskräften und Massenernte. Die Seidenraupen müssen nicht einzeln untergebracht werden, können sich nicht gegenseitig ausrotten und produzieren ihre Seide automatisch in praktischen, erntefähigen Kokons.

Oder vergleichen Sie es mit der Kunstfaserproduktion. Eine einzige Nylonproduktionsanlage produziert Tausende von Tonnen pro Jahr in einem vollautomatischen Prozess. Keine Fütterung. Keine Abfallentsorgung. Keine individuelle Betreuung der Tiere.

Die Spinnenzucht ist nicht skalierbar. Sie kann nicht skalieren. Die Biologie verhindert es.

Die Entscheidung, die alles veränderte

Diese biologische Sackgasse ist der Grund, warum die gesamte Spinnenseidenindustrie diesen Weg eingeschlagen hat. Da man Spinnen nicht züchten kann, braucht man eine alternative Quelle für Seidenprotein. Das bedeutet Biotechnologie: Man manipuliert andere Organismen, damit sie das Protein für einen produzieren.

Aber diese Notwendigkeit zu akzeptieren bedeutete, ein zweites, schwierigeres Problem zu akzeptieren: Wenn man keine Spinnen benutzt, benutzt man auch nicht ihre Spinndüsen. Man muss nicht nur das Protein herstellen, sondern auch ein völlig neues Verfahren für die Umwandlung dieses Proteins in Fasern erfinden.

Die Seidenproduktion der Spinne ist ein integriertes biologisches System. Die Proteinzusammensetzung, die chemische Umgebung der Drüse, die mechanischen Scherkräfte im Spinnkanal, das präzise Timing der pH-Änderungen und des Ionenaustauschs - all dies hat sich als ein aufeinander abgestimmtes System entwickelt. Man kann nicht einen Teil herausnehmen und erwarten, dass er unabhängig funktioniert.

Als die Forscher beschlossen, die Spinnenzucht zugunsten der Gentechnik aufzugeben, entschieden sie sich implizit dafür, zwei Probleme zu lösen, anstatt eines:

1. Produzieren Sie das Protein in einem Organismus, der keine Spinne ist

2. Bau einer künstlichen Spinndüse, die den Prozess der Spinne nachahmen kann

Die erste Welle von Unternehmen dachte, das Problem #1 sei das schwierigste. Sie haben sich geirrt. Es stellte sich heraus, dass das Problem #1 mit der vorhandenen Biotechnologie lösbar war, wenn auch zu höheren Kosten als erhofft.

Das Problem #2 - das Spinnen - erwies sich als bösartig, unerwartet und hartnäckig schwierig. So schwierig, dass es zwanzig Jahre später immer noch nicht im industriellen Maßstab gelöst ist.

Warum dies über Spinnenseide hinaus von Bedeutung ist

Die Unmöglichkeit der Spinnenzucht ist nicht nur eine biologische Kuriosität. Sie ist die ursprüngliche Bedingung, die jede nachfolgende Entscheidung auf diesem Gebiet erzwang. Deshalb wurde die Spinnenseide zu einem Thema der Biotechnologie und nicht der Landwirtschaft. Das ist der Grund, warum Hunderte von Millionen Dollar in Gärtanks und Gentechnik und nicht in die Spinnenzucht gesteckt wurden.

Und deshalb ist der Vergleich mit Seidenraupen - der Vergleich, der die Spinnenseidenzucht so plausibel erscheinen lässt - grundlegend irreführend. Seidenraupen sind nicht nur einfacher zu züchten als Spinnen. Sie sind eine ganz andere Kategorie von Organismen: domestiziert, kooperativ, über Jahrtausende für den menschlichen Gebrauch optimiert.

Spinnen sind wild. Sie sind Raubtiere. Sie sind Produkte einer Evolution, die nie mit der menschlichen Landwirtschaft gerechnet hat. Und sie weigern sich absolut und vollständig, mit den wirtschaftlichen Bedürfnissen des Menschen zu kooperieren.

Diese Ablehnung hat alles geprägt. Der gentechnische Weg wurde nicht gewählt, weil er besser war - er wurde gewählt, weil er die einzige Option war. Und sobald diese Entscheidung getroffen war, sah sich die Industrie mit dem Versuch konfrontiert, nicht nur ein Material, sondern einen ganzen biologischen Herstellungsprozess zu replizieren, den die Evolution 400 Millionen Jahre lang perfektioniert hatte.

Wir konnten das Tier nicht züchten, also haben wir versucht, das Protein zu züchten. Das ist uns gelungen. Dann entdeckten wir, dass das Protein nur die Hälfte des Problems war - vielleicht sogar weniger als die Hälfte.

Die Spinne sitzt in ihrem Netz, einer biologischen Maschine, die wir nicht nachbauen und nicht züchten können und die ein Material produziert, das wir unbedingt haben wollen, aber nicht wirtschaftlich ernten können. Diese Unmöglichkeit hat eine Industrie ins Leben gerufen. Sie ist in vielerlei Hinsicht auch der Grund dafür, dass diese Industrie dreißig Jahre lang ihr Versprechen nicht einlösen konnte.

Spinnen kann man nicht züchten. Also haben wir versucht, sie zu werden. Und es stellte sich heraus, dass das noch schwieriger ist.

Der wichtigste technische Engpass: Spinnen, nicht Eiweiß

In jedem Forschungslabor für Spinnenseide gibt es einen Moment, meist spät in der Nacht nach monatelanger Arbeit, wenn ein Forscher ein Fläschchen mit konzentrierter Seidenproteinlösung in die Hand nimmt und feststellt, dass er ein gentechnisch hergestelltes Material im Wert von einer Viertelmillion Dollar vor sich hat, von dem er absolut keine Ahnung hat, wie es zu verwenden ist.

Das Eiweiß ist perfekt. Die Fermentation hat funktioniert. Die Aufreinigung war erfolgreich. Die molekulare Struktur ist korrekt - Betafaltblätter, amorphe Bereiche, alles in der von der Natur vorgesehenen Reihenfolge angeordnet. Sie haben vielleicht 100 Milliliter Lösung, die 30-40% Seidenprotein nach Gewicht enthält. Das ist mehr Spinnenseidenprotein, als hundert Spinnen in einem Jahr produzieren würden.

Und es könnte genauso gut eine teure Suppe sein.

Denn der nächste Schritt - die Umwandlung dieser Flüssigkeit in eine Faser, die tatsächlich die Eigenschaften hat, die Spinnenseide so besonders machen - ist auch nach drei Jahrzehnten Forschung und Hunderten von Millionen an Finanzmitteln das ungelöste Problem, das fast jedes kommerzielle Spinnenseidenprojekt zunichte gemacht hat.

An dieser Stelle wird die Geschichte technisch. Und hier wird sie auch wichtig. Denn wenn man versteht, warum das Spinnen so schwierig ist, kann man verstehen, warum die gesamte Branche seit dreißig Jahren im Leerlauf feststeckt, obwohl es in allen anderen Bereichen kontinuierliche Fortschritte gibt.

Warum das Protein nie der Engpass war

Im Jahr 2010 waren mehrere Forschungsgruppen und Unternehmen in der Lage, Spinnenseidenprotein im Kilogramm-Maßstab herzustellen. Bolt Threads verfügte über eigene Hefestämme. Spiber in Japan verfügte über seine eigene Fermentationstechnologie. Akademische Labors in Utah State, Cambridge und anderswo hatten die Produktion im Gramm-Maßstab demonstriert.

Das Proteinproblem wurde nicht dadurch gelöst, dass es billig war - die Kosten reichten von $300 bis über $3.000 pro Kilogramm im Pilotmaßstab, mit theoretischen Prognosen von $40-100 pro Kilogramm im vollen industriellen Maßstab. Aber das Problem war insofern gelöst, als die Technologie existierte, reproduzierbar war und ständig verbessert wurde. Jedes Jahr brachte höhere Erträge, bessere Faltung, effizientere Reinigung.

Wäre die Proteinproduktion die einzige Herausforderung, wäre Spinnenseide heute ein Nischenmaterial - teuer, aber verfügbar, wie bestimmte Spezialpolymere oder pharmazeutische Wirkstoffe.

Aber wenn man das Eiweiß hat, steht man nur an der Startlinie. Das Rennen beginnt, wenn Sie versuchen, Ballaststoffe herzustellen.

Das flüssige Seidenprotein ist eine hochkonzentrierte wässrige Lösung aus massiven, sich wiederholenden Proteinen, die in einem empfindlichen chemischen Gleichgewicht schweben. Die Proteine sind gefaltet, aber noch nicht zur endgültigen Faserstruktur zusammengesetzt. Sie sind löslich, was bedeutet, dass sie von Wassermolekülen umgeben sind und genügend Abstand halten, damit sie nicht aggregieren und aus der Lösung herausfallen.

In der großen Ampullatendrüse der Spinne lagert dieser “Seidenstoff” in Konzentrationen von 30-50% Protein - so dick wie möglich, ohne die Fließfähigkeit zu beeinträchtigen. Es wird in einer sorgfältig kontrollierten chemischen Umgebung gelagert: bestimmter pH-Wert, bestimmte Ionenkonzentrationen, bestimmte Temperatur. Ändert man einen dieser Parameter, beginnt das Protein vorzeitig zu verklumpen. Wenn Sie es falsch machen, wird Ihre teure Lösung zu teurem Hüttenkäse.

Die Spinne hält den Stoff stabil, bis sie bereit ist, ihn zu spinnen. Dann verwandelt sie diese Flüssigkeit in etwa drei Sekunden in eine feste Faser mit nahezu perfekter molekularer Ausrichtung und außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften.

Wir haben seit den 1990er Jahren versucht herauszufinden, wie das geht. Wir versuchen es immer noch.

Die molekulare Choreographie, die wir nicht reproduzieren können

Der Spinnprozess der Spinne ist ein Meisterwerk der Chemie und des Maschinenbaus, komprimiert in einem Kanal von etwa 5 Millimetern Länge und einem halben Millimeter Breite. Was im Inneren dieses Kanals geschieht, ist gleichzeitig elegant und brutal komplex.

Erste Stufe: Konzentration. Der Seidenfaden tritt in hoher Konzentration in den Spinnkanal ein, enthält aber noch genügend Wasser, um ihn flüssig zu halten. Während er durch den ersten Abschnitt des Kanals fließt, wird das Wasser aktiv durch die Kanalwände resorbiert. Die Proteinkonzentration steigt weiter an, so dass die Proteine enger zusammenrücken.

Zweite Stufe: Versauerung. Der pH-Wert fällt stark ab, von etwa 7,6 in der Drüse auf etwa 6,3 im Kanal. Das ist kein Zufall. Die Seidenproteine haben spezifische Aminosäuren, die auf pH-Veränderungen reagieren. Bei höherem pH-Wert stoßen sie sich gegenseitig elektrostatisch ab. Wenn der pH-Wert sinkt, wird diese Abstoßung schwächer. Die Proteine beginnen, sich zu verbinden.

Dieser pH-Übergang ist unglaublich präzise. Ist er zu schnell oder zu langsam, geht der Aufbau schief. Die Spinne steuert ihn mit spezialisierten Zellen, die den Gang auskleiden und aktiv Protonen pumpen, wodurch ein gleichmäßiger pH-Gradient entsteht.

Dritte Stufe: Ionenaustausch. Gleichzeitig mit der Versauerung ändert sich das ionische Milieu. Natrium- und Chlorid-Ionen, die den flüssigen Zustand stabilisieren, werden entfernt. Kalium- und Phosphat-Ionen werden eingeführt. Diese Ionenaustausche destabilisieren den gelösten Zustand weiter und fördern die Proteinaggregation.

Auch dies geschieht unter strenger Kontrolle. Die Spinne schüttet nicht einfach wahllos Ionen hinein. Es gibt ein räumliches Muster, eine sorgfältig orchestrierte Abfolge chemischer Veränderungen, die den Aufbau des Proteins steuern.

Vierte Stufe: mechanische Scherung. Hier übernimmt die Physik den Part der Chemie. Der Spinnkanal verjüngt sich - er wird entlang seiner Länge immer enger. Wenn die sich verdickende Proteinlösung durch diesen sich verengenden Kanal gezogen wird, treten zunehmende Scherkräfte auf.

Scherung ist das, was passiert, wenn eine Flüssigkeit an einer Oberfläche vorbei oder durch ein Hindernis fließt. Stellen Sie sich vor, Honig fließt von einem Löffel - der Honig direkt an der Oberfläche des Löffels bewegt sich langsamer als der weiter entfernte Honig, wodurch Schichten entstehen, die aneinander vorbeigleiten. Das ist Scherung.

Im Spinnenkanal wirken die Scherkräfte auf die Seidenproteine ein, wodurch sie physisch gedehnt und in Strömungsrichtung ausgerichtet werden. Dies ist von entscheidender Bedeutung. Die kristallinen Beta-Sheet-Bereiche müssen sich parallel zur Faserachse ausbilden. Die amorphen Bereiche müssen richtig zwischen ihnen verteilt sein. Eine zufällige Ausrichtung führt zu einer schwachen Faser. Die Scherkräfte des verjüngten Kanals sorgen für eine gerichtete Ausrichtung.

Aber hier ist das entscheidende Detail: Die Schere muss stark genug sein, um die Proteine auszurichten, aber sanft genug, um ihre Faltung nicht zu stören. Eine zu geringe Scherung führt zu einer schlechten Ausrichtung. Bei zu starker Scherung denaturieren die Proteine und ihre Struktur wird zerstört.

Die Spinne erreicht dies durch eine laminare Strömung - eine glatte, geschichtete Strömung ohne Turbulenzen. Die Proteine gleiten in geordneten Bahnen aneinander vorbei, richten sich allmählich aus und fügen sich allmählich zur endgültigen Faserstruktur zusammen, wenn die chemischen Auslöser (pH-Wert, Ionen) ihnen sagen, wann sie ihre Position einnehmen sollen.

Fünfte Stufe: Verfestigung. Wenn das Dope das Ende des Spinnkanals erreicht, ist es nicht mehr flüssig. Die Proteine haben sich zu ausgerichteten Bündeln zusammengefügt. Der Wassergehalt ist auf etwa 10% gesunken. Die Faser wird fest, aber immer noch etwas elastisch und vervollständigt ihre endgültige Härtung in den nächsten Sekunden, wenn sie von der Spinndüse weggezogen wird.

Der gesamte Prozess - vom Eintritt der Flüssigkeit in den Kanal bis zum Austritt der festen Fasern - findet in Sekundenschnelle statt.

Warum die industrielle Extrusion alles vernichtet

Wenn man nun versucht, diesen Prozess mit einer industriellen Faserproduktionsanlage nachzubilden, passiert folgendes.

Beim konventionellen Faserspinnen gibt es zwei Hauptvarianten: das Schmelzspinnen (für Nylon, Polyester) und das Nassspinnen (für Viskose, einige Aramide). Bei beiden wird ein Polymer durch ein kleines Loch - eine Spinndüse - gepresst, um eine Endlosfaser zu bilden.

Beim Schmelzspinnen wird Wärme verwendet. Man schmilzt das Polymer und extrudiert es durch winzige Löcher. Wenn es austritt und abkühlt, verfestigt es sich. Dieses Verfahren eignet sich hervorragend für einfache synthetische Polymere, die thermisch stabil sind.

Für Spinnenseidenprotein ist es nutzlos. Proteine denaturieren bei erhöhten Temperaturen. Hydratisierte Spinnenseidenproteine beginnen bei 60-80 °C zu denaturieren, obwohl trockene Fasern weit über 200 °C vertragen können. Die Schmelzspinnerei arbeitet normalerweise bei 200-300 °C. Das Ergebnis wäre eine Verkohlung mit Proteingeschmack.

Beim Nassspinnen wird die Hitze durch den Einsatz chemischer Lösungsmittel vermieden. Man löst das Polymer in einem Lösungsmittel auf, extrudiert es in ein Koagulationsbad (in der Regel eine andere Chemikalie, die das Polymer zum Ausfallen bringt) und zieht die entstandene Faser heraus.

Dies kommt dem nahe, was bei Spinnenseide funktionieren könnte. Mehrere Forschergruppen haben Variationen ausprobiert: Sie haben die Seide in Methanol, Aceton oder verschiedene Salzlösungen extrudiert, die das Protein aggregieren und verfestigen lassen.

Und es funktioniert - sozusagen. Du bekommst Fasern. Sie besteht aus Spinnenseidenprotein. Unter dem Mikroskop sieht sie wie eine Faser aus.

Aber die mechanischen Eigenschaften sind schrecklich. Die Zugfestigkeit könnte 30% der natürlichen Spinnenseide betragen. Die Zähigkeit - die entscheidende Eigenschaft, die Spinnenseide so besonders macht - ist oft schlechter als bei Nylon. Die Faser ist spröde. Sie bricht leicht.

Was ist schief gelaufen?

Problem eins: Ausrichtung. Industrielle Extrusion ist schnell. Sie brauchen einen hohen Durchsatz, um wirtschaftlich zu sein - Meter an Fasern pro Sekunde, nicht Millimeter. Bei diesen Geschwindigkeiten wird die Strömung durch die Spinndüse turbulent, nicht laminar. Anstatt glatter Schichten, die aneinander vorbeigleiten, kommt es zu einer chaotischen Vermischung und zufälligen Ausrichtung.

Die Seidenproteine taumeln wahllos umher. Sie richten sich nicht aus. Wenn sie sich verfestigen, sind sie durcheinandergeraten. Die kristallinen Bereiche zeigen in zufällige Richtungen. Die tragende Struktur, die von der parallelen Ausrichtung abhängt, bildet sich nicht richtig aus.

Das Ergebnis: eine schwache Faser, die schon bei einem Bruchteil der Belastung versagt, die Naturseide aushalten kann.

Problem zwei: Kinetik. Die drei Sekunden dauernde Verwandlung der Spinne wird sorgfältig gesteuert. Der pH-Wert ändert sich allmählich. Die Ionen tauschen sich innerhalb einer bestimmten Zeitspanne aus. Die Proteine haben Zeit, sich zu falten, zu assoziieren und auszurichten, bevor sie in die endgültige Struktur eingeschlossen werden.

Die industrielle Extrusion erfolgt in Millisekunden. Die Proteinlösung trifft auf das Koagulationsbad und stürzt sofort aus der Lösung. Die Proteine aggregieren, wo auch immer sie sich gerade befinden, wie auch immer sie ausgerichtet sind. Es bleibt keine Zeit für eine sorgfältige Zusammenstellung.

Sie erhalten einen schnellen Niederschlag, keine kontrollierte Selbstmontage. Es ist der Unterschied zwischen dem sorgfältigen Stapeln von Ziegeln zum Bau einer Mauer und dem Auskippen einer LKW-Ladung von Ziegeln auf einem Haufen.

Problem drei: Scherung. Das ist der Knackpunkt. Bei industriellen Fließgeschwindigkeiten sind die Scherkräfte in der Spinndüse enorm - um Größenordnungen höher als die, die die Spinne anwendet. Diese Kräfte können chemische Bindungen aufbrechen, die Proteinfaltung stören und einen derart chaotischen Fluss erzeugen, dass eine Ausrichtung unmöglich wird.

Aber man kann nicht einfach langsamer werden. Langsamer Fluss bedeutet geringen Durchsatz und damit unwirtschaftliche Produktion. Die Spinne kann drei Sekunden brauchen, weil sie nur ein paar Meter Seide braucht. Eine Fabrik braucht Kilometer pro Stunde, um mit der Nylonproduktion konkurrieren zu können.

Die Physik lässt sich nicht skalieren. Die sanfte, kontrollierte Scherung, die in einem 0,5-Millimeter-Kanal über drei Sekunden hinweg funktioniert, kann in einem größeren System, das mit höheren Geschwindigkeiten arbeitet, nicht reproduziert werden. Die Strömungsdynamik ändert sich grundlegend. Turbulenzen sind unvermeidlich.

Die wirtschaftliche Falle des Slow Spinning

Einige Forschergruppen haben beeindruckende Ergebnisse erzielt, indem sie die Spinne genauer nachgeahmt haben: langsame Extrusion durch mikrofluidische Kanäle, sorgfältige pH-Gradienten, kontrollierter Ionenaustausch, sanfte Zugkräfte.

2017 hat ein Team der schwedischen Universität für Agrarwissenschaften im Labormaßstab eine Faser gesponnen, die den mechanischen Eigenschaften von Naturseide mit 70% nahekommt. Das war ein echter Durchbruch.

Sie produzierten es mit etwa einem Meter pro Stunde.

Die industrielle Textilproduktion arbeitet mit 1.000 bis 10.000 Metern pro Stunde. Kevlar-Produktionsanlagen laufen mit etwa 100 Metern pro Minute. Selbst bei der Produktion von Spezial- und Hochleistungsfasern werden die Geschwindigkeiten in Metern pro Minute und nicht in Metern pro Stunde gemessen.

Das ist die wirtschaftliche Falle: Je näher man dem Prozess der Spinne kommt - je besser die mechanischen Eigenschaften werden - desto langsamer und teurer wird die Produktion. Je besser die Faser ist, desto weniger ist sie wirtschaftlich rentabel.

Man kann Fasern in Spinnenqualität mit Spinnengeschwindigkeit und in Spinnengröße herstellen, und zwar in Gramm pro Tag zu Kosten von mehreren tausend Dollar pro Kilogramm. Oder man kann einen industriellen Durchsatz haben, bei dem Tonnen pro Tag produziert werden - aber die Faser verliert die Eigenschaften, die Spinnenseide überhaupt erst erstrebenswert machten.

Ein Mittelweg ist noch nicht gefunden. Die Unternehmen, die die Produktion von “Spinnenseidenfasern” ankündigten, entschieden sich in der Regel für die Option der industriellen Geschwindigkeit und akzeptierten im Austausch für die erreichbaren Produktionsraten drastisch reduzierte mechanische Eigenschaften. Ihre Fasern entsprachen in ihrer molekularen Zusammensetzung der Spinnenseide, nicht aber in ihrer Leistung.

Warum dieses Problem Hunderte von Millionen verschlungen hat

Das Verständnis des Engpasses beim Spinnen erklärt, warum sich die Spinnenseidenindustrie so entwickelt hat - und warum sie ihre Versprechen nicht einhalten konnte.

Die Proteinproduktion wurde Mitte der 2010er Jahre mehr oder weniger gelöst. Die Fermentationstechnologie funktioniert. Die Ausbeute wird immer besser. Die Kosten sinken weiter. Wenn Protein genug wäre, gäbe es eine Spinnenseidenindustrie.

Aber Eiweiß ist nicht genug. Eiweiß ist nur ein teures Rohmaterial, das in einem Tank sitzt und auf einen Herstellungsprozess wartet, den es im industriellen Maßstab nicht gibt.

Der Spinnprozess erfordert die gleichzeitige Kontrolle der Chemie (pH-Wert, Ionen), der Flüssigkeitsdynamik (laminare Strömung, spezifische Scherkräfte) und der Kinetik (Zeitpunkt des Zusammenbaus), und das alles in einem kontinuierlichen Prozess, der schnell genug läuft, um wirtschaftlich zu sein. Die Natur schafft dies in einem Fünf-Millimeter-Kanal, der in 400 Millionen Jahren der Evolution optimiert wurde. Wir versuchen, dies in industriellen Anlagen zu erreichen, die für völlig andere Polymere mit völlig anderen Montagemechanismen optimiert sind.

Jeder Versuch, den Prozess zu vergrößern, macht etwas kaputt. Vergrößern Sie den Kanal? Die Strömung wird turbulent. Den Prozess beschleunigen? Die Ausrichtung schlägt fehl. Stärkere chemische Koagulation, um die Verfestigung zu beschleunigen? Die Proteinstruktur wird gestört.

Die Lösung der Spinne ist exquisit, aber sie ist exquisit daran angepasst, eine Spinne zu sein - sie arbeitet in Spinnengröße, mit Spinnengeschwindigkeit und mit Spinnenkontrollmechanismen. Sie will nicht industrialisiert werden. Die Physik widersteht ihr. Die Wirtschaft straft sie ab.

Das ist der Grund, warum man nach dreißig Jahren immer noch keine kugelsichere Weste aus Spinnenseide kaufen kann. Nicht, weil wir nicht wüssten, was Spinnenseide ist. Nicht, weil wir das Protein nicht herstellen können. Sondern weil die Verwandlung von flüssig zu fest - die drei Sekunden molekularer Choreographie, die sich im Bauch einer Spinne abspielen - nach wie vor außerhalb unserer Möglichkeiten liegt, sie wirtschaftlich in großem Maßstab zu reproduzieren.

Wir haben das Rezept gelöst. Wir versuchen immer noch, die Küche zu bauen. Und die Küche, so stellt sich heraus, ist der schwierige Teil.

Das Problem der Maßstabsvergrößerung bei Biomaterialien

Im Jahr 2008 hatte ein Spinnenseiden-Startup namens Nexia Biotechnologies ein Problem, das auf dem Papier nach Erfolg klang. Sie konnten Spinnenseidenprotein in Ziegenmilch herstellen. Ihr Fermentationsprozess wurde verfeinert. Ihr Aufreinigungsprotokoll funktionierte. In ihrer Anlage standen Fässer mit Seidenkot, bereit, zu Fasern versponnen zu werden.

Das Problem war, dass diese Fässer Proteine im Wert von etwa $2 Millionen enthielten, von denen niemand wusste, wie man sie gewinnbringend verwerten konnte.

Das Unternehmen hatte acht Jahre und $50 Millionen investiert, um diesen Punkt zu erreichen. Es gab einen Konzeptnachweis. Es gab Veröffentlichungen. Sie hatten Patente. Was sie nicht hatten, war ein Weg von “wir können das im Labor machen” zu “wir können das für mehr verkaufen, als es in der Herstellung kostet”.”

Zwei Jahre später war Nexia bankrott.

Das ist das Tal des Todes, in dem die meisten Unternehmen für Biomaterialien untergehen. Nicht am Anfang, wenn die Wissenschaft noch unsicher ist. Auch nicht am Ende, wenn die Produktion hochgefahren ist und die Kunden kaufen. Sondern in der Mitte - in dem brutalen Übergang von der nachgewiesenen Technologie zur realisierbaren Produktion.

Seit dreißig Jahren stirbt in diesem Tal die Spinnenseide.

Die Illusion des Fortschritts

In der materialwissenschaftlichen Forschung gibt es eine eigenartige Dynamik, die das Scheitern wie einen Vorwärtsdrang erscheinen lässt. Jedes Jahr veröffentlicht jemand eine Arbeit, die eine verbesserte Proteinausbeute, bessere Fasereigenschaften oder ein neues Spinnverfahren zeigt. Alle paar Jahre gibt ein Start-up-Unternehmen bekannt, dass es eine “bahnbrechende” Produktionskapazität erreicht hat.

Die Zahlen klingen beeindruckend: “10-fache Verbesserung der Fermentationseffizienz”. “Faserfestigkeit erreicht 800 MPa.” “Produktionskapazität von 50 Kilogramm pro Jahr”.”

Für einen Außenstehenden - einen Investor, einen Journalisten, einen Rüstungsunternehmer - klingen sie wie wichtige Meilensteine. Sie klingen wie eine Industrie, die der Marktreife näher kommt.

Für jemanden, der sich mit industrieller Fertigung auskennt, klingen sie wie jemand, der feiert, dass er laufen gelernt hat, während er versucht, sich für die Olympischen Spiele zu qualifizieren.

Die Kluft zwischen dem Erfolg im Labor und der industriellen Umsetzbarkeit ist nicht linear. Sie ist nicht einmal logarithmisch. Es handelt sich um eine Reihe zusammengesetzter Probleme, die sich gegenseitig multiplizieren und eine Barriere schaffen, die exponentiell schwieriger wird, je näher man ihr kommt.

Was bedeutet eigentlich “industrieller Maßstab”?

Wenn ein Start-up-Unternehmen eine Produktion von 50 Kilogramm pro Jahr ankündigt, enthält die Pressemitteilung oft Prognosen: “Diese Kapazität könnte auf 500 Kilogramm und dann auf 5 Tonnen skaliert werden und kommerzielle Anwendungen in Hochleistungstextilien ermöglichen.”

Bei dieser Prognose wird Folgendes übersehen: Industrielle Materialien werden nicht in Kilogramm verbraucht. Sie werden in Tonnen verbraucht. Tausende von Tonnen.

Weltweite Textilnylonproduktion: etwa 6 Millionen Tonnen pro Jahr. Produktion von Para-Aramidfasern (einschließlich Kevlar): etwa 110.000 Tonnen pro Jahr. Selbst Spezial-Aramidfasern besetzen Marktnischen, die in Tausenden von Tonnen jährlich gemessen werden.

Um auf dem Markt für Hochleistungsfasern relevant zu sein - nicht dominierend, sondern einfach nur relevant - müssen Sie in der Lage sein, mindestens Hunderte von Tonnen pro Jahr zu produzieren. Andernfalls kann man keine Verträge liefern. Sie können keine Beständigkeit garantieren. Sie können nicht die Größenvorteile erzielen, die Ihre Preise wettbewerbsfähig machen.

Fünfzig Kilogramm pro Jahr klingt nach viel, wenn man ein Forscher ist, der vorher 50 Gramm produziert hat. Es ist eine tausendfache Verbesserung. Das fühlt sich wie ein Erfolg an.

Aber fünfzig Kilogramm pro Jahr sind etwa 140 Gramm pro Tag. Das sind fünf Unzen. Sie könnten Ihre gesamte Jahresproduktion in einer Einkaufstasche transportieren.

Der Weg von 50 Kilogramm pro Jahr zu 100 Tonnen pro Jahr ist kein schrittweiser Fortschritt. Es ist eine 2.000-fache Vergrößerung. Und jeder Schritt dieser Vergrößerung bringt neue Probleme mit sich.

Die Kontaminationskatastrophe

Einer der brutalsten Aspekte der biologischen Herstellung ist das Kontaminationsrisiko. Die Pharmaunternehmen haben jahrzehntelang gelernt, mit diesem Problem umzugehen, und das zu enormen Kosten. Die Unternehmen der Biomaterialienbranche müssen dieselben Lektionen lernen, allerdings mit weitaus weniger Mitteln und weitaus weniger Spielraum für Fehler.

Das Szenario sieht folgendermaßen aus: Sie betreiben einen 10.000-Liter-Bioreaktor, in dem Sie Hefe züchten, die Spinnenseidenprotein produziert. Die Fermentation dauert 3-5 Tage. Wenn alles perfekt läuft, haben Sie am Ende 10.000 Liter Fermentationsbrühe mit etwa 30 Kilogramm Protein.

Diese 30 Kilogramm sind - bei optimistischer Kalkulation - etwa $3.000 bis $10.000 wert, je nach Ihren Produktionskosten. Die gesamte Charge ist vielleicht $20.000 an Rohstoffen (Zucker, Nährstoffe, Wachstumsmedium), Energie und Arbeit wert.

Stellen Sie sich nun einen Kontaminationsfall vor. Bakterien gelangen in den Reaktor. Vielleicht kommen sie aus dem Belüftungssystem. Vielleicht von einem unsachgemäß sterilisierten Ventil. Vielleicht stammt es aus der Wasserversorgung. Die Verunreinigung verlangsamt nicht nur das Wachstum der Hefe, sondern verbraucht auch aktiv die Nährstoffe, die für den von Ihnen entwickelten Stamm bestimmt sind. Sie produziert Abfallprodukte, die Ihr Protein denaturieren können. Sie verwandelt Ihre teure Charge in nicht mehr verwertbaren Abfall.

In einer kleinen Laboreinrichtung - 1-Liter-Kolben, sorgfältige sterile Technik, ständige Überwachung durch die Forscher - ist eine Kontamination selten. In einem industriellen 10.000-Liter-Bioreaktor, der tagelang ununterbrochen in Betrieb ist und über mehrere Zufuhrleitungen, Probenahmeanschlüsse und Temperaturkontrollsysteme verfügt, ist die Kontamination eine ständige Bedrohung.

Die pharmazeutische Produktion begegnet diesem Problem mit extremen Maßnahmen: Reinräume, redundante Sterilisation, Einweg-Bioreaktorkomponenten, umfassende Qualitätsprüfungen in jeder Phase. Diese Maßnahmen funktionieren. Sie kosten aber auch Millionen von Dollar in der Umsetzung und Wartung.

Biomaterialienhersteller, die mit $2 pro Kilogramm Nylon konkurrieren wollen, können sich keine Kontaminationskontrolle in pharmazeutischer Qualität leisten. Aber sie können es sich auch nicht leisten, Chargen zu verlieren. Selbst eine Kontaminationsrate von 5% - eine von zwanzig fehlgeschlagenen Chargen - kann Ihre Wirtschaftlichkeit völlig zerstören, wenn Ihre Gewinnspannen ohnehin schon gering sind.

Die Kosten für die Reinigung, über die niemand spricht

Nach der Gärung haben Sie eine komplexe biologische Suppe: Hefezellen, verbrauchtes Wachstumsmedium, Stoffwechselnebenprodukte und irgendwo in diesem Durcheinander Ihr Spinnenseidenprotein. Jetzt müssen Sie es extrahieren.

Dieser Prozess, der als Downstream Processing bezeichnet wird, ist durchweg der teuerste Teil der biologischen Herstellung. Bei Spinnenseide macht er oft 40-60% der gesamten Produktionskosten aus.

Das Protein muss von der Zellmasse getrennt werden. Dazu müssen die Zellen aufgebrochen werden (wenn das Protein intrazellulär ist) oder es muss von den Zellen getrennt werden (wenn es in das Medium sezerniert wird). Dann müssen Sie alle anderen Proteine, Nukleinsäuren, Lipide und Zelltrümmer entfernen.

Dies umfasst in der Regel mehrere Schritte: Zentrifugation zur Entfernung von Zellen, Filtration zur Entfernung größerer Verunreinigungen, Chromatographie zur Abtrennung des Proteins von allem anderen und schließlich Konzentration, um das Protein auf die für das Spinning erforderliche hohe Dichte zu bringen.

Jeder Schritt kostet Geld. Zentrifugen verbrauchen Energie. Filter verstopfen und müssen ersetzt werden. Chromatographieharze sind teuer und lassen sich nur begrenzt wiederverwenden. Die Aufkonzentrierung erfordert entweder teure Ultrafiltrationsmembranen oder eine energieintensive Verdampfung.

Aber der eigentliche Knackpunkt ist, dass diese Kosten nicht proportional nach unten skalieren. Ein kleiner Reinigungsprozess kostet pro Kilogramm fast genauso viel wie ein großer - weil man die gleiche Ausrüstung, die gleiche Qualitätskontrolle und die gleichen Fachkräfte benötigt.

So entsteht ein Teufelskreis. Man kann sich erst dann Anlagen im industriellen Maßstab leisten, wenn man in industriellen Mengen produziert. Sie können aber erst dann rentabel produzieren, wenn Sie über Anlagen im industriellen Maßstab verfügen, mit denen Sie die Reinigungskosten pro Kilogramm senken können.

Mehrere Spinnenseidenunternehmen haben nach jahrelanger Entwicklung festgestellt, dass allein die Kosten für die Reinigung - vor dem Spinnen, vor jeglichem Mehrwert - ihr Produkt nicht wettbewerbsfähig mit bestehenden Materialien machen. Sie hatten die Fermentierung optimiert, hohe Erträge erzielt und konnten trotzdem die Wirtschaftlichkeit nicht herstellen.

Konsistenz: Der unsichtbare Killer

Im Labor ist eine gewisse Variabilität zu erwarten. Charge A produziert 27 Gramm Protein pro Liter. Charge B produziert 31 Gramm pro Liter. Sie notieren den Unterschied in Ihrem Labornotizbuch, untersuchen, was sich geändert hat, und fahren fort.

In der industriellen Produktion ist diese Variabilität eine Katastrophe.

Industrielle Kunden - Hersteller von Textilien, Rüstungsunternehmen, Unternehmen der Medizintechnik - benötigen Materialien mit bestimmten, garantierten Eigenschaften. Wenn sie 1.000 Kilogramm Fasern mit einer Zugfestigkeit von 1,0 GPa und einer Bruchdehnung von 15% bestellen, muss jedes Kilogramm dieser Spezifikation entsprechen.

Nicht im Durchschnitt. Nicht die meiste Zeit. Jedes einzelne Kilogramm, jede einzelne Charge, für immer.

Dies ist bei der biologischen Herstellung außerordentlich schwierig. Die Fermentationsleistung variiert bei geringfügigen Änderungen der Temperatur, der Mischrate, des Fütterungszeitpunkts und sogar des Alters der Zellkultur. Die Proteinqualität variiert mit den Fermentationsbedingungen - derselbe genetische Stamm kann Proteine mit leicht unterschiedlicher Faltung, unterschiedlichen posttranslationalen Modifikationen und unterschiedlicher Reinheit produzieren.

Diese Variationen kaskadieren. Geringfügig abweichendes Protein, das in den Spinnprozess gelangt, führt zu Fasern mit leicht abweichenden mechanischen Eigenschaften. Eine Charge, die 5% stärker als spezifiziert ist, ist genauso problematisch wie eine, die 5% schwächer ist - der Kunde kann kein Material verwenden, das außerhalb seines Toleranzbereichs liegt.

Um die Konsistenz von Charge zu Charge zu erreichen, ist eine rigorose Prozesskontrolle erforderlich. Jeder Parameter muss überwacht und in engen Zeitfenstern gehalten werden. Jeder Input - Rohmaterial, Wasser, Luft - muss von gleichbleibender Qualität sein. Jedes Gerät muss jedes Mal die gleiche Leistung erbringen.

Pharmazeutische Unternehmen erreichen dies durch die so genannte Prozessvalidierung: umfangreiche Dokumentation, statistische Prozesskontrolle und umfassende Tests. Sie können sich dies leisten, weil Pharmazeutika enorme Gewinnspannen haben. Ein Proteintherapeutikum kann für $10.000 pro Kilogramm oder mehr verkauft werden.

Um als Material wettbewerbsfähig zu sein, muss Spinnenseidenprotein für unter $100 pro Kilogramm verkauft werden - idealerweise für unter $50. Es gibt keinen Spielraum für umfangreiche Qualitätskontrollkosten. Aber es gibt auch keinen Markt ohne sie.

Mehrere Unternehmen haben mit dieser Spannung gekämpft. Sie konnten zwar Fasern mit hervorragenden Durchschnittseigenschaften herstellen, aber die Schwankungen von Charge zu Charge waren zu groß. Eine Charge wurde mit 90% der Eigenschaften von Naturseide getestet und war begeistert. Die nächste Charge wurde mit 60% getestet. Die dritte Charge lag dann wieder bei 85%.

Für einen industriellen Abnehmer macht diese Inkonsistenz das Material unbrauchbar. Man kann kein Produkt um ein Material herum entwickeln, dessen Eigenschaften man nicht garantieren kann. Es spielt keine Rolle, ob der Durchschnitt gut ist, wenn die Bandbreite zu groß ist.

Die Investitionskostenfalle

Dies ist die brutalste wirtschaftliche Realität bei der Ausweitung der Produktion von Werkstoffen: Der Investitionsbedarf kommt, bevor die Einnahmen eintreffen.

Für die Herstellung von Spinnenseidenfasern in kommerziell relevantem Umfang - beispielsweise 100 Tonnen pro Jahr - benötigt man:

- Fermentationskapazität im industriellen Maßstab: mehrere Bioreaktoren mit einem Volumen von mehr als 50.000 Litern

- Nachgeschaltete Prozessausrüstung: industrielle Zentrifugen, Filtrationssysteme, Chromatographiesäulen

- Faserspinnanlagen: maßgeschneiderte Systeme (da handelsübliche Spinnanlagen für Spinnenseide nicht geeignet sind)

- Qualitätskontrolllabors: Analysegeräte, Prüfstände, geschultes Personal

- Gebäudeinfrastruktur: Reinräume, Versorgungseinrichtungen, Abfallbehandlung, Lagerung

Die Gesamtkapitalkosten für eine Anlage, die 100 Tonnen Spinnenseide pro Jahr herstellen kann? Die Schätzungen von Branchenexperten reichen von $50 Mio. bis $150 Mio., abhängig von der jeweiligen Technologie und dem Standort.

Dieses Geld muss aufgebracht und ausgegeben werden, bevor Sie Ihre erste kommerzielle Tonne produzieren. Bevor Sie Kunden haben. Bevor Sie sicher wissen, dass Ihr Verfahren in vollem Umfang funktionieren wird. Bevor Sie irgendwelche Einnahmen haben.

Das nennen Risikokapitalgeber ein “kapitalintensives” Geschäftsmodell, und sie hassen es. Das ideale wagnisfinanzierte Unternehmen ist ein Unternehmen mit geringem Kapitaleinsatz: Software, Dienstleistungen, Dinge, die sich mit minimalem zusätzlichem Kapital vergrößern lassen. Die Werkstoffherstellung ist das Gegenteil. Sie ist anlagenintensiv, kapitalaufwendig und erreicht nur langsam die Rentabilität.

Auch die Renditen sind niedriger. Selbst wenn alles gut läuft, kann ein Werkstoffunternehmen auf einem reifen Markt Gewinnspannen von 20-30% erzielen. Ein erfolgreiches Softwareunternehmen kann 80%+ Margen erzielen. Für den gleichen Betrag an investiertem Kapital und Risiko würden VCs viel lieber Software finanzieren.

Das erklärt, warum so vielen Spinnenseidenunternehmen das Geld ausgegangen ist, gerade als sie sich der Größenordnung näherten. Sie haben $10 Millionen für die Entwicklung der Technologie aufgebracht. Sie haben weitere $20 Millionen aufgebracht, um eine Pilotanlage zu bauen. Jetzt brauchen sie $100 Millionen, um eine kommerzielle Produktion aufzubauen, aber die Investoren sind erschöpft, die Zeitspanne hat sich von “3 Jahre bis zur Marktreife” auf “vielleicht noch 5 Jahre” verlängert, und niemand will den nächsten Scheck ausstellen.

Der tödliche Tanz der Skalen

Der grausamste Aspekt des Problems der Maßstabsvergrößerung bei Biomaterialien ist, dass man seinen Prozess nicht validieren kann, bevor man ihn nicht in großem Maßstab gebaut hat, aber man kann den Bau in großem Maßstab nicht rechtfertigen, bevor man seinen Prozess validiert hat.

Die Produktion im kleinen Maßstab - 100 Liter, 1.000 Liter, sogar 10.000 Liter - sagt nichts darüber aus, wie der Prozess bei 100.000 Litern funktionieren wird. Die Mischungsdynamik ändert sich. Die Wärmeübertragung wird schwieriger. Das Kontaminationsrisiko steigt. Das Verhalten der Anlagen ändert sich.

Pharmazeutische Unternehmen handhaben dies durch ein methodisches Scale-up-Verfahren: umfangreiche Pilotstudien, sorgfältige Charakterisierung in jedem Maßstab, konservative Prognosen. Sie können sich das leisten, weil sie auf ein Produkt hinarbeiten, das für $100.000 pro Kilogramm verkauft werden könnte.

Werkstoffunternehmen arbeiten an einem Produkt, das für $50 pro Kilogramm verkauft werden muss. Sie können sich keine jahrelangen, sorgfältigen Pilotstudien leisten. Sie werden von den Investoren unter Druck gesetzt, schnell zu handeln, schnell den kommerziellen Maßstab zu erreichen und Einnahmen zu erzielen, bevor das Geld ausgeht.

Also machen sie größere Sprünge. Sie skalieren von 1.000 Litern auf 50.000 Liter, basierend auf begrenzten Daten. Und manchmal funktioniert es anders als erwartet. Die Kontaminationsrate ist höher. Die Proteinausbeute ist geringer. Die Aufreinigungseffizienz sinkt.

Jetzt haben Sie $30 Millionen für den Bau einer Anlage ausgegeben, die nicht die erwartete Leistung erbringt. Ihre Kosten pro Kilogramm sind 50% höher als in Ihrem Modell vorhergesagt. Sie sind nicht wettbewerbsfähig. Sie können kein weiteres Geld auftreiben, weil Sie bereits in der Größenordnung gescheitert sind.

Das Unternehmen, das “nur noch wenige Jahre von der kommerziellen Produktion entfernt” war, steht plötzlich nur noch wenige Monate vor dem Konkurs.

Warum “Kilogramm pro Jahr” eine Falle ist

Wenn Spinnenseidenunternehmen Meilensteine in der Produktion verkünden - ”Wir haben eine Produktionskapazität von 100 Kilogramm erreicht” - sind sie oft technisch korrekt, aber wirtschaftlich bedeutungslos.

Eine Kapazität von 100 Kilogramm pro Jahr bedeutet, dass Sie etwa 275 Gramm pro Tag produzieren können. Das ist genug, um Forschungslabors zu beliefern, Prototypen herzustellen und Konzeptnachweise zu erbringen. Es reicht bei weitem nicht aus, um einen einzigen Industriekunden mit einer einzigen Produktlinie zu beliefern.

Ein Automobilhersteller, der Hochleistungsfasern in einem Verbundstoffbauteil einsetzt, benötigt vielleicht 10-50 Tonnen pro Jahr für diese eine Anwendung. Ein Rüstungsunternehmen, das Schutzwesten herstellt, benötigt Hunderte von Tonnen pro Jahr. Ein Textilhersteller benötigt Tausende von Tonnen pro Jahr.

Die Lücke zwischen “wir können dies produzieren” und “wir können genug davon produzieren, um von Bedeutung zu sein” ist der Punkt, an dem die meisten Biomaterialien-Unternehmen feststecken. Sie haben das wissenschaftliche Problem gelöst, die Technologie demonstriert und sind nun in einer Scale-up-Phase gefangen, die Kapital erfordert, das sie nicht aufbringen können, Know-how, das sie nicht haben, und Zeit, die ihnen ihre Investoren nicht geben wollen.

Sie feiern Kilogramm-Meilensteine, weil das ein echter Fortschritt gegenüber ihren Anfängen ist. Aber der Markt interessiert sich nicht für Kilogramm. Der Markt interessiert sich für Tonnen, für Beständigkeit und für den Preis.

Und das ist der Grund, warum man nach dreißig Jahren Fortschritt, nach Tausenden von Forschungsarbeiten und Hunderten von Millionen an Investitionen immer noch keine industriellen Mengen an Spinnenseidenfasern zu Preisen kaufen kann, die wirtschaftlich sinnvoll sind.

Das Tal des Todes hat fast jeden geholt, der versucht hat, es zu durchqueren. Und die wenigen Überlebenden, die es halbwegs geschafft haben, sind immer noch unterwegs, noch Jahre von der anderen Seite entfernt und verbrennen mit jedem Schritt Geld.

Die Biomimikry-Falle: Warum das “Kopieren der Natur” immer wieder scheitert

Im Jahr 1948 kehrte ein Schweizer Ingenieur namens George de Mestral von einem Jagdausflug zurück, der von Kletten übersät war. Anstatt sie zu verfluchen und abzuzupfen, untersuchte er sie unter dem Mikroskop. Die winzigen Haken auf der Oberfläche des Grats hatten sich in den Schlaufen seines Stoffes verfangen. Vier Jahre später hatte er den Klettverschluss erfunden.

Dies ist die Ursprungsgeschichte der Biomimikry, die in Fallstudien von Wirtschaftsschulen und in Innovationsvorträgen wiederholt wird: die Natur betrachten, den Mechanismus kopieren, profitieren. Das ist ein verführerischer Rahmen. Die Natur hatte Milliarden von Jahren Zeit, Lösungen zu optimieren. Wir müssen sie nur beobachten, verstehen und nachahmen.

Spinnenseide wurde zum Aushängeschild für diesen Ansatz. Die Evolution hatte 400 Millionen Jahre damit verbracht, ein Super-Material zu perfektionieren. Alles, was wir tun mussten, war, es zu kopieren.

Dreißig Jahre später versuchen wir es immer noch. Und das ständige Scheitern offenbart etwas Unangenehmes an der Biomimikry als Innovationsstrategie: Manchmal ist das Kopieren der Natur keine clevere Technik. Manchmal ist es eine Falle, die einen systematisch in die falsche Richtung führt.

Wofür die Evolution eigentlich optimiert ist

Hier liegt das grundlegende Missverständnis, das die Spinnenseidenindustrie von Anfang an zum Scheitern verurteilt hat: Die Evolution optimiert nicht nach Effizienz, Kosten oder Skalierbarkeit. Sie optimiert den Fortpflanzungserfolg innerhalb eines bestimmten ökologischen Kontextes.

Das Seidenproduktionssystem der Spinne ist für ein einzelnes Raubtier optimiert, das täglich ein paar Meter Faser produzieren muss, um Insekten zu fangen und nicht gefressen zu werden. Das war's. Das ist das Fitnesskriterium, mit dem die Evolution gearbeitet hat.

Das System muss zuverlässig genug funktionieren - nicht perfekt, aber gerade gut genug, um die Spinne lange genug am Leben zu halten, damit sie sich fortpflanzen kann. Es muss die Ressourcen nutzen, die der Spinne zur Verfügung stehen - die Proteine aus verdauter Beute, die Stoffwechselenergie aus eben diesen Mahlzeiten. Es muss absolut nicht schnell oder billig (in wirtschaftlicher Hinsicht) oder beständig sein, wie es für die industrielle Fertigung wichtig ist.

Die Spinne recycelt ihr Netz jeden Tag, indem sie die alte Seide auffrisst, um das Protein zurückzugewinnen. Wenn ein Strang reißt, macht die Spinne einfach einen neuen. Wenn die Seidenproduktion an einem kalten Morgen langsamer ist, ist das in Ordnung - die Spinne wird an diesem Tag weniger Insekten fangen, aber sie wird nicht verhungern. Das biologische System verfügt über eingebaute Flexibilität, Redundanz und Fehlertoleranz.

Die industrielle Fertigung verträgt das alles nicht. Eine Fabrik, die an kalten Tagen 20% weniger Fasern produziert, ist eine gescheiterte Fabrik. Ein Prozess, der Recycling und Wiederaufbereitung von Fehlern erfordert, ist ein unwirtschaftlicher Prozess. Ein System, das “zuverlässig genug” und nicht “jedes Mal perfekt” funktioniert, wird abgeschaltet.

In der Natur hat die Evolution die Spinne für das Überleben optimiert. Im Kapitalismus brauchen wir eine Optimierung für den Profit. Das ist nicht dasselbe Optimierungsproblem.

Die Skalierungsgesetze, die die Natur ignoriert

Die Befürworter der Biomimikry erörtern nur selten ein tieferes Problem: Natürliche Systeme skalieren nicht linear, und oft skalieren sie überhaupt nicht.

Der Spinnkanal der Spinne ist etwa 5 Millimeter lang und einen halben Millimeter breit. Der Seidenspinnstoff fließt mit einer Geschwindigkeit von Millimetern pro Sekunde durch ihn. Diese Dimensionen sorgen für eine besondere Fluiddynamik - laminare Strömung, kontrollierte Scherkräfte, vorhersehbare Diffusion von Ionen und pH-Gradienten.

Stellen Sie sich nun vor, Sie könnten dies um den Faktor 100 vergrößern. Sie wollen 100-mal so viel Seide verarbeiten, also bauen Sie einen Kanal, der 100-mal so groß ist - vielleicht 50 Millimeter lang und 5 Millimeter breit.

Die Physik skaliert nicht. Überhaupt nicht.

Das Verhältnis zwischen der Oberfläche eines Systems und seinem Volumen ändert sich mit dem Maßstab. Wenn man die linearen Abmessungen eines Rohrs verdoppelt, vervierfacht sich seine Oberfläche, aber sein Volumen verachtfacht sich. Dies wirkt sich auf die Wärmeübertragung, die Diffusionsraten und die Mischungsdynamik in einer Weise aus, die mathematisch unvermeidlich ist.

Noch entscheidender ist, dass sich das Strömungsregime ändert. Der winzige Kanal der Spinne arbeitet in einem Bereich, in dem viskose Kräfte dominieren - die Strömung ist gleichmäßig und vorhersehbar. Erhöht man die Durchflussmenge, um den wirtschaftlichen Durchsatz aufrechtzuerhalten, gelangt man in einen Bereich, in dem die Trägheitskräfte dominieren. Die Strömung wird turbulent. Die vorsichtige laminare Scherung, die die Proteine ausgerichtet hat, wird durch eine chaotische Durchmischung ersetzt, die die Proteine durcheinander bringt.

Das ist kein Problem, das man konstruktiv umgehen kann. Es ist Physik. Die Gleichungen der Flüssigkeitsdynamik sind nichtlinear. Das Verhalten von Flüssigkeiten in verschiedenen Maßstäben ist grundlegend unterschiedlich.

Man kann nicht einfach eine größere Spinndüse bauen. Die größere Spinndüse arbeitet in einem anderen physikalischen System, in dem die Lösung der Spinne nicht funktioniert.

Das Integrationsproblem

Das Seidenproduktionssystem der Spinne ist kein eigenständiges Modul. Es ist tief in die gesamte Physiologie der Spinne integriert.

Die Seidendrüse wird mit Nährstoffen aus dem Verdauungssystem der Spinne versorgt, das die Rohstoffe bereits aufgespalten und verarbeitet hat. Die pH-Gradienten im Spinnkanal werden von Zellen aufrechterhalten, die durch den Stoffwechsel der Spinne angetrieben und durch ihr Nervensystem gesteuert werden. Die mechanische Zugkraft kommt von den Beinen der Spinne, wobei das propriozeptive Feedback der Spinne genau sagt, wie schnell sie ziehen und wie viel Spannung sie aufbringen muss.

Temperaturkontrolle? Die Körpertemperatur der Spinne. Ionenversorgung? Die Hämolymphe (Blut) der Spinne. Abfallbeseitigung? Das Ausscheidungssystem der Spinne. Qualitätskontrolle? Wenn die Seide nicht richtig funktioniert, kompensiert die Spinne dies durch ihr Verhalten - sie zieht fester, passt ihre Netzarchitektur an oder baut ihr Netz ganz neu auf.

Das gesamte System funktioniert, weil es in einen lebenden Organismus eingebettet ist, der automatisch für Kontext, Kontrolle und Korrektur sorgt.

Versuchen Sie nun, nur den Spinnkanal zu extrahieren und ihn in einer Fabrik nachzubauen. Sie müssen all diese unterstützenden Systeme künstlich bereitstellen. Sie brauchen Pumpen, um Ionen zirkulieren zu lassen. Kontrollsysteme zur Steuerung des pH-Werts. Temperaturregelung. Kraftsensoren und Rückkopplungsschleifen. Analysegeräte, um zu erkennen, wenn etwas schief läuft.

Du kopierst nicht die Spinndüse der Spinne. Sie versuchen, die gesamte Spinne zu kopieren, abzüglich der Teile, die Sie nicht wollen. Und es stellt sich heraus, dass man sie nicht sauber trennen kann.

Dies ist die reinste Biomimikry-Falle: Die elegante Lösung, die man zu kopieren versucht, funktioniert nur, weil sie in ein komplexes biologisches System integriert ist. Die “Lösung” und das “System” sind untrennbar miteinander verbunden. Man kann das eine nicht ohne das andere haben.

Die Kostenstruktur, um die sich die Evolution nicht kümmert

Hier ist ein Gedankenexperiment: Was “kostet” es eine Spinne, Seide herzustellen?

Aus wirtschaftlicher Sicht ist diese Frage unsinnig. Die Spinne kauft keine Futtermittel. Sie fängt Beute, verdaut sie und verwendet die dabei entstehenden Aminosäuren. Es gibt keine Rechnung, keinen Kilopreis, keine Kosten der verkauften Waren.

Die Energiekosten? Der Stoffwechsel der Spinne liefert sie, angetrieben von der gleichen Beute. Es gibt keine Stromrechnung. Die Investitionsgüter? Die Seidendrüsen sind als Teil der Entwicklung der Spinne natürlich gewachsen. Es gibt keinen Abschreibungsplan.

Die “Produktionsstätte” der Spinne ist frei, selbstreplizierend und selbst erhaltend. Die Rohmaterialien sind frei. Die Energie ist frei. Die Qualitätskontrolle ist ein eingebautes neuronales Feedback. Die Arbeit ist... nun ja, die Spinne selbst.

Überlegen Sie einmal, was es eine Fabrik kostet, Seide herzustellen:

- Ausgangsstoff: $5-15 pro Kilogramm Zuckersubstrat für die Fermentation

- Energie: Strom für Bioreaktoren, Pumpen, Temperaturregelung, Reinigung

- Kapital: Bioreaktoren, Spinnanlagen, Qualitätskontrolllabors - Abschreibung im Laufe der Zeit

- Arbeitskräfte: Fachkräfte, Ingenieure, Techniker für Qualitätskontrolle

- Gemeinkosten: Instandhaltung der Einrichtungen, Einhaltung von Vorschriften, Versicherung

- Abfallentsorgung: verbrauchte Fermentationsbrühe, misslungene Chargen, Lösungsmittel für die Reinigung

Jede einzelne Kostenkategorie, die für die Spinne gleich Null ist, ist für die industrielle Fertigung nicht gleich Null - oft sogar dramatisch ungleich Null.

Die Evolution hat ein System optimiert, bei dem all diese Kosten externalisiert und durch den normalen Stoffwechsel und die biologischen Funktionen der Spinne absorbiert werden. Wir versuchen, den Output zu replizieren, während wir für jeden Input explizit bezahlen.

Aus diesem Grund war der Ansatz, die Natur zu kopieren, von Anfang an zum Scheitern verurteilt. Wir haben nicht versucht, ein Herstellungsverfahren zu kopieren. Wir haben versucht, das Endergebnis eines Fertigungsprozesses zu kopieren, aber unter völlig anderen wirtschaftlichen Bedingungen und Zwängen.

Es ist, als würde man jemandem beim Kochen in der heimischen Küche zusehen und denken: “Das mache ich nach und eröffne ein Restaurant.” Der Hobbykoch macht sich keine Gedanken über den Prozentsatz der Lebensmittelkosten, die Arbeitseffizienz oder die Vorschriften des Gesundheitsamtes. Das Restaurant muss sich um all diese Dinge kümmern. Ein und dasselbe Rezept führt in verschiedenen Kontexten zu völlig unterschiedlichen wirtschaftlichen Ergebnissen.

Wenn Biomimikry tatsächlich funktioniert

Um fair zu sein: Biomimikry ist nicht immer eine Falle. Klettverschluss hat funktioniert. Von Haifischhaut inspirierte Oberflächen, die den Luftwiderstand verringern, wurden erfolgreich vermarktet. Von Geckos inspirierte Klebstoffe sind echte Produkte.

Was haben diese Erfolge gemeinsam? Sie haben ein Prinzip kopiert, nicht einen Prozess.

Klettverschlüsse versuchen nicht, Grate zu bilden. Er verwendet Kunststoffhaken und -schlaufen, die im Standard-Spritzgussverfahren hergestellt werden. Der Mechanismus ist biomimetisch - Haken, die sich in Schlaufen verfangen -, aber die Umsetzung ist industriell.

Von der Haifischhaut inspirierte Oberflächen versuchen nicht, den biologischen Wachstumsprozess der Haifischhaut nachzuahmen. Sie verwenden Mikrofabrikationstechniken, um ähnliche Oberflächenmuster auf verschiedenen Materialien zu erzeugen. Das Muster ist biomimetisch, die Herstellung erfolgt auf konventionelle Weise.

Die Misserfolge - und Spinnenseide ist das beste Beispiel - treten auf, wenn man versucht, den biologischen Prozess selbst zu kopieren. Wenn man versucht, die Fabrik dazu zu bringen, sich wie der Organismus zu verhalten.

Die Spinne produziert Seide durch einen biologischen Prozess, der sich in einem biologischen Kontext mit biologischen Zwängen und biologischer Ökonomie entwickelt hat. Der Versuch, diesen Prozess in einem industriellen Kontext, mit industriellen Zwängen und industrieller Ökonomie, zu replizieren, ist ein Kategorienfehler.

Die versunkenen Kosten des Engagements

Mitte der 2000er Jahre hatten viele Spinnenseidenforscher dieses Problem erkannt. Der reine Biomimikry-Ansatz - die Spinndüse zu replizieren und den natürlichen Prozess so genau wie möglich nachzuahmen - funktionierte nicht. Je näher sie der Nachahmung der Natur kamen, desto unwirtschaftlicher wurde das Verfahren.

Aber bis dahin waren Hunderte von Millionen Dollar für diesen Ansatz ausgegeben worden. Die Unternehmen hatten ihre Technologie auf biomimetisches Spinnen ausgerichtet. Sie hatten Biologen eingestellt, die sich auf die Physiologie von Spinnen spezialisiert hatten. Sie meldeten Patente an, die biologisch inspirierte Herstellungsverfahren beschrieben.

Die Abkehr von der Biomimikry bedeutete das Eingeständnis, dass der grundlegende Ansatz falsch war. Es bedeutete, jahrelange Forschung abzuschreiben. Es bedeutete, den Investoren zu erklären, warum die Kernstrategie geändert werden musste.

So viele Unternehmen haben sich nicht umorientiert. Sie haben noch einmal nachgelegt. Sie versuchten weiterhin, den biomimetischen Ansatz zum Funktionieren zu bringen, indem sie die Parameter veränderten, die Bedingungen optimierten und marginale Verbesserungen in einem grundlegend fehlerhaften Rahmen anstrebten.

Dies ist der letzte Mechanismus der Falle: Es geht nicht nur darum, dass die Biomimikry in die falsche Richtung geführt hat. Es geht darum, dass es fast unmöglich ist, den Kurs zu ändern, wenn man sich einmal auf diese Richtung festgelegt hat - intellektuell, finanziell und organisatorisch.

Die Überlebenden, die Unternehmen, die heute noch an Spinnenseide arbeiten, haben sich größtenteils von der reinen Biomimikry verabschiedet. Sie sind zu dem übergegangen, was man als Bio-Inspiration bezeichnen könnte: Sie nutzen die Prinzipien der Spinnenseide (die Proteinstruktur, die kristallin-amorphe Architektur), während sie den Herstellungsprozess für die industrielle Realität völlig neu gestalten.

Einige haben die Spinnenproteine ganz aufgegeben und entwickeln synthetische Polymere, die die molekulare Architektur der Seide mit herkömmlicher Polymerchemie nachahmen. Keine Fermentation. Keine biologischen Prozesse. Nur ein sorgfältiges molekulares Design, das Konzepte aus der Natur übernimmt, ohne zu versuchen, die Umsetzung der Natur zu kopieren.

Diese Ansätze könnten tatsächlich funktionieren. Aber sie sind keine Biomimikry mehr. Es handelt sich um Werkstofftechnik, die zufällig von der Biologie inspiriert wurde.

Was uns die Spinnenseide tatsächlich lehrt

Die Geschichte mit der Spinnenseide ist kein Versagen der Wissenschaft. Es ist ein Versagen der Strategie - eine Fallstudie darüber, wie man sich zu sehr an der Natur orientieren und sich systematisch von brauchbaren Innovationen entfernen kann.

Die Lektion lautet nicht: “Sieh dir die Natur nicht an”. Die Lektion lautet: “Verstehe, wofür die Natur eigentlich optimiert wurde, bevor du versuchst, sie zu kopieren”.”

Die Evolution optimiert die Organismen für ihre ökologische Nische. Die industrielle Fertigung optimiert für den Gewinn in einer Marktwirtschaft. Dabei handelt es sich um völlig unterschiedliche Optimierungsprobleme mit völlig unterschiedlichen Zwängen und Erfolgskriterien.

Die Lösung der Spinne ist perfekt für die Spinne. Für eine Fabrik ist sie schrecklich. Und keine noch so ausgeklügelte Technik kann diese grundlegende Diskrepanz ändern.

Die wirkliche Innovation bei Spinnenseide - wenn sie denn jemals kommt - wird nicht darin bestehen, die Spinne perfekt zu kopieren. Sie wird darin bestehen, zu verstehen, warum Spinnenseide auf molekularer Ebene funktioniert, und dann ein völlig anderes Verfahren zu entwickeln, das mit industriellen Methoden, industrieller Wirtschaftlichkeit und industriellen Zwängen ähnliche Ergebnisse erzielt.

Nicht Biomimikry. Bio-Inspiration. Von der Natur lernen, nicht versuchen, wie sie zu werden.

Die Spinne sitzt in ihrem Netz, eine schöne Lösung für ein Problem, das wir eigentlich nicht haben. Wir wollten sie kopieren, weil sie elegant aussah. Wir sind gescheitert, weil Eleganz in der Natur und Machbarkeit in der Industrie völlig unterschiedliche Dinge sind.

Manchmal sind die besten Ideen der Natur diejenigen, die wir anpassen und bis zur Unkenntlichkeit verändern. Und manchmal - wie uns die Spinnenseide immer wieder lehrt - sollten die besten Ideen der Natur in der Natur bleiben, bewundert, aber nicht nachgeahmt, verstanden, aber nicht kommerzialisiert.

Die Falle besteht darin, zu denken, dass etwas, das in einem Kontext perfekt funktioniert, auch in einem anderen funktionieren sollte. Natur und Industrie spielen völlig unterschiedliche Spiele mit völlig unterschiedlichen Regeln. Wenn man versucht, das Spiel der Industrie zu gewinnen, indem man das Spielbuch der Natur kopiert, verbringt man dreißig Jahre und Hunderte von Millionen Dollar damit, zu lernen, was eigentlich von Anfang an hätte klar sein müssen.

Das Wunder ist nicht, dass Spinnenseide erstaunlich ist. Das Wunder ist, dass Spinnen es einfach aussehen lassen. Und genau diese Leichtigkeit - diese evolutionäre Eleganz - hat eine ganze Industrie dazu verleitet, das Problem für einfacher zu halten, als es tatsächlich war.

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Referenzen

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https://en.wikipedia.org/wiki/Spider_silk

Spinnenseide - PLOS ONE (2010)
https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0011234

Dehnbarkeit von Spinnenseide - Universität von Tennessee
https://lgross.utk.edu/LGrossTIEMwebsite/home/gross/public_html/bioed/bealsmodules/spider.html

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https://www.theglobeandmail.com/report-on-business/nexias-transgenic-spider-goat-to-produce-milk-of-steel/article1035969/

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https://www.sciencenewstoday.org/how-spiders-weave-webs-stronger-than-steel

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https://en.wikipedia.org/wiki/Kevlar

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Darwinsche Rindenspinne - Wikipedia
https://en.wikipedia.org/wiki/Darwin’s_bark_spider

Kosten für synthetische Spinnenseide - KraigLabs
https://www.kraiglabs.com/comparison/

Technisch-wirtschaftliche Analyse synthetischer Spinnenseide - AIChE Proceedings (2024)
https://proceedings.aiche.org/conferences/aiche-annual-meeting/2024/proceeding/paper/161b-techno-economic-analysis-and-life-cycle-assessment-synthetic-spider-silk-production

Nylon Preisführer - Derun Nylon
https://www.derunnylon.com/News/nylon-6-and-nylon-66-price-guide-costprice-per-kg-from-china

Kevlar-Kostenanalyse - MDPI Polymers
https://www.mdpi.com/2073-4360/17/16/2254

BioSteel-Faser - Wikipedia
https://en.wikipedia.org/wiki/BioSteel_(fiber)

Weltweite Produktion von Polyamidfasern - Statista
https://www.statista.com/statistics/649908/polyamide-fiber-production-worldwide/

Ausblick auf die globale Aramidfaserindustrie - Doshine Material
https://www.doshinematerial.com/news/outlook-of-the-global-aramid-fiber-industry-84086734.html