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Mit denselben molekularen Bausteinen fünf funktional verschiedene Materialien herstellen: Das schafft die Bänderschnecke (Cepaea nemoralis) seit Millionen von Jahren. Forschende am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam-Golm haben nun systematisch beschrieben, wie dieses Prinzip funktioniert. Ihre Studie ist im Fachjournal Science erschienen.
Fünf Schleimarten, zwei Hauptkomponenten
Das Forschungsteam analysierte fünf Schleimtypen der Schnecke, von denen jeder eine andere Aufgabe erfüllt. Einer ermöglicht die Fortbewegung, ein anderer wirkt als starker Klebstoff. Weitere Varianten schützen vor Austrocknung, verschließen das Gehäuse in Ruhephasen oder dienen der Verteidigung.
Das überraschende Ergebnis: Die Schnecke setzt dabei stets dieselben Grundkomponenten ein, nämlich Proteine, vor allem Kollagen, und Kalzium. Variiert werden lediglich die Mengenverhältnisse. Aus dieser Variation entstehen Materialien mit grundlegend unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften.
Kollagen VI als zentraler Baustein
Auffällig ist die Rolle von Kollagen VI. Das Protein ist aus der Medizin vor allem als Strukturelement in menschlicher Haut, Knochen und Gelenken bekannt. Im Schneckenschleim übernimmt es eine steuernde Funktion: Je höher sein Anteil im Proteinnetzwerk, desto enger ist dessen Struktur, und je engmaschiger das Netz, desto zäher der Schleim.
Kalzium hat im System zwei verschiedene Rollen. In Ionenform vernetzt es die Proteine. Als Calcit, also in kristalliner Form, verstärkt es das Material. Die Schnecke speichert ungeordnetes Kalziumkarbonat im Drüsengewebe und gibt es bei Bedarf zusammen mit dem Schleim ab.
Relevanz für die Materialentwicklung
Mit wenigen Bausteinen ein breites Eigenschaftsspektrum zu erzeugen ist in der technischen Materialentwicklung bislang schwer zu realisieren. Synthetische Werkstoffe erfordern häufig unterschiedliche Grundstoffe, wenn unterschiedliche Eigenschaften gefragt sind, was Komplexität, Kosten und Rohstoffbedarf erhöht.
Biologische Systeme wie der Schneckenschleim zeigen, dass ein modularer Baukasten mit definierten Stellgrößen ausreicht. Für Entwickler von Klebstoffen, Beschichtungen oder medizinischen Materialien ist das ein relevanter Ansatz. Klebstoffe nach biologischem Vorbild sind kein neues Feld: Bereits 2019 stellten US-Forscher ein Polymer-Gel vor, das sich ähnlich wie Schneckenschleim verhält. Die aktuelle Studie liefert die biochemische Grundlage für gezielteres Design solcher Materialien.
Anwendungsfelder: Kleben, Beschichten, Implantate
Die Forschenden nennen drei Bereiche, in denen das Schneckenprinzip übertragbar erscheint. Biologisch abbaubare Haftstoffe auf Proteinbasis könnten synthetische Klebstoffe in bestimmten Anwendungen ersetzen. Oberflächen, die je nach Bedarf rutschig oder haftend sind, sind für Produktions- und Medizintechnik interessant. Gewebeklebstoffe und Implantatbeschichtungen wiederum profitieren von biokompatiblen Komponenten wie Kollagen und Kalzium.
Für die industrielle Umsetzung ist relevant, dass beide Hauptkomponenten des Schleims, Kollagen und Kalziumkarbonat, bereits in technischen und medizinischen Prozessen etabliert sind, was den Weg von der Grundlagenforschung zur Anwendung verkürzt.
Fazit
Die Studie aus Potsdam-Golm ist zunächst Grundlagenforschung. Bis zur Serienreife biologisch inspirierter Klebstoffe oder Beschichtungen ist der Weg weit. Für Einkäufer und Entwickler in der Klebstoff-, Medizintechnik- und Beschichtungsbranche lohnt es sich, diese Forschungsrichtung zu verfolgen. Das Prinzip, Materialeigenschaften über Mengenverhältnisse weniger Komponenten zu steuern, hat das Potenzial, Formulierungsansätze in diesen Branchen langfristig zu verändern.
