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Forschung

„Spiderman“ für Europa-Preis nominiert

Der gebürtige Regensburger Thomas Scheibel hat künstliche Spinnenseide erfunden. 500 Mitbewerber hat er hinter sich gelassen.
Von Marion Koller

Keine Berührungsängste: Forscher Thomas Scheibel mit einer Goldenen Radnetzspinne. Dem 48-Jährigen wird schnell langweilig, deshalb brütet er unablässig über neuen Anwendungsmöglichkeiten für den „Biostahl“. Foto: Koller

Regensburg.Der Biochemiker Thomas Scheibel ist für die Entwicklung der weltweit ersten biotechnischen Spinnenseide für den Preis des Europäischen Patentamts (EPA) nominiert worden. Am Dienstag wird die Entscheidung bekanntgegeben. Scheibel, der bis zu seinem 29. Lebensjahr in Regensburg lebte und studierte, leitet den Lehrstuhl für Biomaterialien an der Universität Bayreuth.

Die künstliche Spinnenseide aus seinem Labor ermöglicht vielfältige Anwendungen in Textilien, Medizin und Kosmetik

Der reißfeste und hochbelastbare „Biostahl“ ist 15 Prozent leichter als herkömmliche synthetische Fasern. EPA-Präsident Battistelli erläutert, warum der 48-Jährige nominiert wurde: „Thomas Scheibels Erfindung macht eines der stärksten Materialien, das in der Natur zu finden ist, zum marktreifen Produkt und im Industriemaßstab verfügbar.“

Eine der stärksten Konstruktionen der Natur

Spinnennetze zählen zu den stärksten Konstruktionen der Natur. Sie haben eine phänomenale Fähigkeit, Gewicht zu tragen, Stößen standzuhalten und sich um bis zu 140 Prozent zu dehnen, ohne zu reißen. Das Geheimnis liegt in der Spinnenseide: Sie ist 30 Mal stärker als Stahl und mindestens dreimal so widerstandsfähig wie Kevlar®, das synthetische Material in kugelsicheren Westen. Seit Jahrzehnten haben Wissenschaftler vergeblich versucht, Spinnenseide als ultrastarkes Material industriell herzustellen. Erst 2014 kamen dank der wegweisenden Forschung des Biochemikers Thomas Scheibel die ersten kommerziellen Produkte auf den Markt. Mit „Biomimicry“ imitierte er die spinnen-eigene Technik der Seidenherstellung im Labor und perfektionierte dieses Verfahren zu einem Herstellungsprozess von biotechnischen Spinnenseidenproteinen und daraus gesponnenen Fasern.

Für diese Leistung wurde Thomas Scheibel als einer von drei Finalisten für den Europäischen Erfinderpreis 2018 in der Kategorie „Kleine und mittlere Unternehmen (KMU)“ nominiert. Die Auszeichnung wird am 7. Juni 2018 im Rahmen eines Festakts in Paris, Saint-Germain-en-Laye, verliehen.

Spinnen sind Kannibalen, deshalb kann man sie nicht kommerziell halten

„Thomas Scheibels Herstellungsverfahren für künstliche Spinnenseide nutzt fortschrittliche biotechnologische Methoden, um eines der widerstandsfähigsten Materialien der Natur in die industrielle Produktion ein zu bringen“, sagte EPA-Präsident Benoît Battistelli bei der Bekanntgabe der Finalisten des Europäischen Erfinderpreises 2018. „Jahre voller konzentrierter, lösungsorientierter Arbeit auf biochemischer und mechanischer Ebene haben die patentierte Erfindung zu einem marktreifen Produkt gemacht.“

Prof. Thomas Scheibel zeigt in einer Skizze, wie er Spinnenseide nutzt, um die extrem stabile „Biostahl“-Faser zu gewinnen. Aus ihr hat Adidas einen Schuh gemacht:

Von der Spinnenseide zum Adidas-Schuh

Adidas hat bereits einen Sneaker aus der künstlichen Spinnenseide hergestellt: Einen Prototypen in Naturbeige gibt es. Er heißt etwas pompös „Adidas Futurecraft Biofabric“ und wurde vor mehr als einem Jahr in New York präsentiert. Erfinder Thomas Scheibel, der stolz auf die Zusammenarbeit ist, hat ihn getestet, musste das Muster aber zurückgeben.

Der Adidas-Prototyp Foto: Adidas Group/Hannah Hlavacek

Der Biosteel macht den Schuh um 15 Prozent leichter und auch robuster. „Man schwitzt nicht, er müffelt nicht, weil Bakterien nicht haften bleiben.“ Wann Adidas den Sportschuh für den Markt fertigt, weiß Scheibel nicht. „Die wollen eine Mega-Aktion, damit jeder darüber spricht.“

Spinnenseide ist unglaublich leicht: Ein Strang, der lang genug ist, um die Erde zu umfassen, würde weniger als ein Stück Seife wiegen. Gleichzeitig ist sie auch stark und vielseitig. „Gegenwärtig kennen wir 45 000 verschiedene Spinnenarten auf der Erde. Sie alle produzieren ihre individuelle Seide mit einzigartigen Eigenschaften: Manche sind wie Klebstoff, manche sind stark, andere elastisch“, sagt Thomas Scheibel. So vielseitig das Material auch sein mag, die Massenproduktion der Superfaser misslang Wissenschaftlern und Chemiekonzernen lange.

Der naturidentische Seidenfaden ist tragfähiger als das stärkste Nylon. Foto: Koller

Kommerzielle Spinnenhaltung erwies sich als aussichtsloses Unterfangen, denn im Gegensatz zu Seidenraupenlarven, die seit Jahrhunderten zur Herstellung von konventioneller Seide „geerntet“ werden, benötigen Spinnen ihr eigenes Territorium und verhalten sich auch kannibalistisch. Sie fressen sich also gegenseitig oder versuchen, sich zu verstecken, wenn sie in engen Räumen gehalten werden.

„Wir hatten die felsenfeste Überzeugung, das muss doch irgendwie machbar sein.“

Erfinder Prof. Thomas Scheibel

Scheibel wählte eine andere Herangehensweise, indem er auf seinen biochemischen Hintergrund zurückgriff, um die Seidenproduktion in den Spinnendrüsen nachzuahmen. Er entwickelte einen zweistufigen Prozess: Zunächst veränderte er E.coli-Bakterien gentechnisch mit Genen der europäischen Gartenkreuzspinne und programmierte auf diese Weise die Bakterien auf die Produktion von Spinnenseidenproteinen um. So liefern die gentechnisch veränderten Bakterien im Labor aus Rohstoffen wie Rüben und Zuckerrohr Spinnenseidenproteine.

Es dauerte ein Jahrzehnt bis zur Vollendung

Doch dieser Durchbruch erwies sich erst als die halbe Miete. Was Scheibel brauchte, war der entscheidende zweite Schritt: Er musste den komplexen Mechanismus nachahmen, mit dem Spinnen Seidenstränge zu Fasern für ihre Netze „ziehen und spinnen“. Die feine Proteinfaser, auch Gossamer genannt, enthält pro Faden bis zu 1500 Seidenstränge und wird in den Spinndrüsen der Tiere hergestellt. Der Faden wird langsam aus den Spinndrüsen gezogen. Die Nachahmung dieses Prozesses im Labor wurde zur Herausforderung schlechthin bei der Herstellung von Fasern aus künstlicher Spinnenseide. Auch hieran hatten sich viele Chemiekonzerne im Laufe der Jahre vergeblich versucht und wieder aufgegeben. Doch Scheibel blieb unbeirrt: „Unser Motto war: ‚Geht nicht, gibt’s nicht‘. Wir hatten die felsenfeste Überzeugung, das muss doch irgendwie machbar sein.“ Es dauerte etwa ein Jahrzehnt bis zur Vollendung. Aber schlussendlich entwickelten Scheibel und sein Team ein komplexes mechanisches Verfahren, rohe Seidenproteine zu Seidenfasern für alle Arten von Produkten zu „spinnen“.

Massenproduktion von künstlicher Spinnenseide

Um seine patentierte Erfindung im Industriemaßstab voranzutreiben, hat Scheibel 2008 das Unternehmen AMSilk mitgegründet, ein Spin-off der Technischen Universität München. Das Start-up, dessen Beirat der Erfinder seit 2011 angehört, mobilisierte bislang einen zweistelligen Millionenbetrag an Risikokapital und beschäftigt 30 Mitarbeiter. 2014 machte das Unternehmen Schlagzeilen als erster industrieller Anbieter von synthetischen Seiden-Biopolymeren. AMSilk kümmert sich allein um die Vermarktung seiner auf Spinnenseide basierenden Materialien.

Unter den Top-50 der innovativsten Unternehmen weltweit

Die geistigen Eigentumsrechte an der künstlichen Spinnenseide, einschließlich des Schlüsselpatents für Scheibels wichtige „Seamless Cloning“-Methode zur Nachbildung von Spinnen-DNA in Bakterien wurde auf AMSilk übertragen. Im August 2017 zählte das Innovationsmagazin Technology Review AMSilk zu den Top-50 der innovativsten Unternehmen weltweit.

Erfahren Sie im Video mehr über Thomas Scheibel:

Der Spiderman aus Regensburg

Scheibels Spinnenseide – einschließlich AMSilks Aufsehen erregendes Produkt Biosteel®, das 15 Prozent leichter als herkömmliche synthetische Fasern ist – wird heute bei einer Vielzahl von Erzeugnissen eingesetzt: von Kosmetika, medizinischen Anwendungen in Chirurgie und bei Arzneimittelbeschichtungen über kugelsichere Westen bis hin zur Computerelektronik. Weil sie vollständig biologisch abbaubar und biokompatibel ist und daher ein geringes Abstoßungsrisiko aufweist, ist die neue Seide beispielsweise für Implantate gut geeignet. Ihre Eigenschaften sind außerdem ideal für chirurgische Instrumente und medizinische Textilien, wie zum Beispiel Netze, Stützverbände oder Wundabdeckungen.

„Mit Spinnenseidenproteinen können Sie alles herstellen, was auch mit Kunststoffen möglich ist. Und dafür brauchen wir nur Wasser, Raumtemperatur und Selbstorganisation.“

Erfinder Prof. Thomas Scheibel

„Mit Spinnenseidenproteinen können Sie alles herstellen, was auch mit Kunststoffen möglich ist. Und dafür brauchen wir nur Wasser, Raumtemperatur und Selbstorganisation. Biosteel ist ein hundertprozentig grünes Produkt. Es ist kunststofffrei, tierfrei und biologisch abbaubar“, sagt der Erfinder.

Globaler Markt für Biokunststoffe wächst rasant

Der globale Markt für Biokunststoffe liegt derzeit schätzungsweise bei über 5,6 Milliarden Euro und wird – getrieben durch eine neue Generation an Materialien wie der Spinnenseide – voraussichtlich um 18,6 Prozent pro Jahr wachsen. Der Weltmarkt für synthetische Fasern, der Produkte von Kleidung über Spielzeug bis hin zu Heimtextilien umfasst, beläuft sich auf rund 38,2 Milliarden Euro. Darüber hinaus hat Scheibels Erfindung das Potenzial, den traditionellen Seidenmarkt zu erschließen, der bis 2021 auf 13,8 Milliarden Euro anwachsen soll. AMSilk teilt sich den aufstrebenden Spinnenseide-Markt mit mindestens acht Konkurrenten. Die Wettbewerber verfolgen unterschiedliche Ansätze, um Spinnenseide in großem Umfang anzubieten.

Inspiriert von der Natur

Thomas Scheibel promovierte 1998 in Biochemie an der Universität Regensburg und verbrachte drei Jahre als Postdoktorand an der University of Chicago. Dort untersuchte er im Labor der kürzlich verstorbenen Susan Lindquist, einer Wegbereiterin der Forschung zur biochemischen Rolle von Proteinen, modernste Techniken der Molekulargenetik und Zellbiologie. Zurück in Deutschland begann er 2001 als Assistenzprofessor an der Technischen Universität München (TUM), um sich den technischen Anwendungen von in der Natur vorkommenden proteinbasierten Materialien – einschließlich Spinnenseide – zu widmen. Seit 2007 ist er Inhaber des Lehrstuhls für Biomaterialien an der Universität Bayreuth.

Thomas Scheibel ist ein produktiver Autor. Als Erfinder wird er in sieben europäischen Patenten genannt. Er verfasste 122 wissenschaftliche Artikel und 18 Buchkapitel. Daneben findet er auch noch die Zeit als Vorstandsmitglied bei den Wissenschaftszeitschriften BioNanoScience (Springer Verlag) und Scientific Reports (Nature Verlag) aktiv zu sein. Im Laufe seiner mehr als 25-jährigen Karriere in der Biochemie erhielt er zahlreiche Auszeichnungen für Forschung und Produktentwicklung, darunter den Bayerischen Innovationspreis (2006), die Heinz-Maier-Leibnitz-Medaille (2007) und den Dechema-Preis der Max-Buchner-Stiftung (2013). Im Jahr 2014 wurde Thomas Scheibel Mitglied der Deutschen Akademie der Technikwissenschaften und organisiert regelmäßig Biochemie-Kongresse wie die Konferenz zu bio-inspirierten Werkstoffen der Deutschen Gesellschaft für Materialkunde e. V. All diese Tätigkeiten verfolgt er, während er weiterhin seine Spinnenseiden-Anwendungen vorantreibt.

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