Eine gewöhnliche Bänderschnecke hat Forschenden in Potsdam Einblicke in ein erstaunlich vielseitiges Naturmaterial ermöglicht. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung haben gemeinsam mit dem Max-Planck-Institut für Biochemie untersucht, wie Schnecken mit demselben molekularen Grundbaukasten Schleime mit völlig unterschiedlichen Eigenschaften herstellen. Die Ergebnisse könnten künftig bei der Entwicklung nachhaltiger Klebstoffe, Beschichtungen und medizinischer Materialien eine Rolle spielen.

Fünf Schleimarten mit ganz unterschiedlichen Aufgaben

Ausgangspunkt der Untersuchung waren Bänderschnecken der Art Cepaea nemoralis, wie sie auch auf dem Max-Planck-Campus in Potsdam-Golm vorkommen. Besonders nach Regenfällen hinterlassen die Tiere ihre typischen glänzenden Spuren.

Was im Alltag unscheinbar erscheint, ist materialwissenschaftlich bemerkenswert. Schnecken benötigen ihren Schleim für mehrere völlig unterschiedliche Aufgaben.

Die Forschenden untersuchten fünf Varianten. Eine erleichtert die Fortbewegung, eine andere sorgt für besonders starke Haftung an Oberflächen. Weitere Schleimarten schützen das Tier vor dem Austrocknen, verschließen das Gehäuse während längerer Ruhephasen oder dienen der Verteidigung.

Die entscheidende Frage lautete deshalb: Wie kann ein Tier aus ähnlichen Ausgangsstoffen Materialien erzeugen, die sich mechanisch so unterschiedlich verhalten?

Die nun im Fachjournal „Science“ veröffentlichte Studie zeigt, dass dafür kein jeweils vollständig neuer chemischer Bauplan nötig ist.

Schnecke verändert vor allem die Mischungsverhältnisse

Die Wissenschaftler fanden heraus, dass die verschiedenen Schleimarten im Kern aus denselben Komponenten bestehen. Entscheidend ist, in welchen Mengen die einzelnen Bestandteile miteinander kombiniert werden.

Zu den wichtigsten Bausteinen zählen Proteine, darunter insbesondere Kollagen, sowie Kalzium.

Je nachdem, welche Funktion der Schleim erfüllen soll, verändert die Schnecke die Zusammensetzung. Dadurch entsteht beispielsweise ein stärker vernetztes und zäheres Material oder ein Schleim, der sich besser für die Fortbewegung eignet.

„Schneckenschleim mag auf den ersten Blick unscheinbar wirken, ist aber ein unglaublich vielseitiges Material“, erklärt Dr. Franziska Jehle, korrespondierende Autorin der Studie.

Für die Forschenden ist gerade diese Flexibilität interessant. Die Natur erreicht mit einer vergleichsweise kleinen Zahl an Bausteinen eine große Bandbreite funktioneller Eigenschaften.

Kollagen VI spielt überraschend wichtige Rolle

Ein besonders auffälliger Fund war Kollagen VI.

Dieses Protein ist bislang vor allem als Bestandteil menschlicher Gewebe bekannt. Es erfüllt unter anderem strukturgebende Funktionen in Haut, Knochen und Gelenken.

Nun zeigte sich, dass Kollagen VI auch im Schneckenschleim eine zentrale Rolle spielt.

Nach den Ergebnissen der Studie beeinflussen sowohl die Gesamtmenge der Proteine als auch der Anteil dieses Kollagens, wie dicht das Proteinnetzwerk im Schleim aufgebaut ist.

Je dichter dieses Netzwerk wird, desto zäher verhält sich das Material.

Damit kann die Schnecke die mechanischen Eigenschaften ihres Schleims verändern, ohne dafür grundsätzlich andere Ausgangsstoffe herstellen zu müssen.

Auch Kalzium verändert die Materialeigenschaften

Neben den Proteinen spielt Kalzium eine entscheidende Rolle.

Die Schnecke speichert ungeordnetes Kalziumkarbonat in ihrem Drüsengewebe und kann es bei Bedarf gemeinsam mit dem Schleim abgeben.

Das Kalzium kann dabei unterschiedliche Funktionen übernehmen. In Form von Ionen trägt es zur Vernetzung des Materials bei. Als Calcit kann es den Schleim zusätzlich verstärken.

Das Zusammenspiel zwischen Proteinen, Kollagen VI und Kalzium ermöglicht somit verschiedene Materialzustände.

Die Forschenden sprechen deshalb sinngemäß von einem molekularen Baukastensystem: Die Komponenten bleiben ähnlich, ihre Kombination und Menge verändert sich jedoch abhängig von der jeweiligen Aufgabe.

Naturmaterial könnte Vorbild für neue Klebstoffe werden

Für die Wissenschaft geht die Bedeutung der Ergebnisse über die Biologie der Schnecke hinaus.

Prof. Peter Fratzl, Direktor am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung und Co-Autor der Studie, verweist auf ein grundsätzliches Prinzip natürlicher Materialien: Mit wenigen Ausgangsstoffen können sehr unterschiedliche Funktionen erreicht werden.

Genau das ist für die Materialentwicklung interessant.

Technische Materialien werden heute häufig für eine einzelne Aufgabe optimiert. Soll ein Stoff gleichzeitig kleben, flexibel bleiben, Schutz bieten oder auf äußere Bedingungen reagieren, steigt die Komplexität schnell an.

Die Schnecke zeigt dagegen, wie sich mit einem überschaubaren Set an Bausteinen unterschiedliche Eigenschaften erzeugen lassen.

Solche Prinzipien könnten langfristig als Vorbild für Klebstoffe dienen, deren Eigenschaften sich gezielter einstellen lassen.

Anwendungen auch in Medizin und Beschichtungen denkbar

Neben nachhaltigen Klebstoffen nennen die Forschenden funktionelle Beschichtungen und medizinische Materialien als mögliche künftige Anwendungsfelder.

Dabei handelt es sich zunächst um Perspektiven aus der Grundlagenforschung. Die Studie beschreibt kein fertiges Produkt und keinen bereits marktreifen Klebstoff.

Sie zeigt vielmehr, welche Konstruktionsprinzipien natürliche Materialien nutzen und wie diese wissenschaftlich verstanden werden können.

Bioinspirierte Materialforschung versucht genau solche Mechanismen zu übertragen. Dabei geht es nicht darum, Schneckenschleim einfach industriell zu sammeln oder zu kopieren. Entscheidend ist vielmehr, die zugrunde liegenden Prinzipien zu verstehen und technisch nachzubilden.

Potsdam-Golm liefert Grundlagen für nachhaltige Materialforschung

Die Arbeit fügt sich in den Forschungsschwerpunkt der Abteilung Biomaterialien am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung ein.

Untersucht wird dort unter anderem, wie natürliche Materialien aufgebaut sind und warum sie bestimmte Eigenschaften besitzen.

Für die Entwicklung nachhaltiger Materialien kann das besonders interessant sein. Natürliche Systeme arbeiten häufig mit wenigen verfügbaren Rohstoffen und erreichen dennoch hohe Funktionalität.

Die unscheinbare Bänderschnecke liefert dafür nun ein anschauliches Beispiel.

Was auf einem Gehweg nach einem Regenschauer lediglich als Schleimspur erscheint, erweist sich auf molekularer Ebene als fein abgestimmtes Materialsystem.

Quellen

Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung – Presseinformation „Dem Schneckenschleim auf der Spur“

Max-Planck-Institut für Biochemie – Forschungsbeteiligung an der Untersuchung von Schneckenschleim

Science – Studie zu den biochemischen und mechanischen Eigenschaften verschiedener Schleimarten der Bänderschnecke