Sind Proteine mit Metallatomen die neuen Superwerkstoffe?

Borstenwürmer finden sich fast überall wo es Meerwasser gibt, und das schon seit hunderten Millionen Jahren. Trotzdem haben sie Besonderheiten, die erst jetzt entschlüsselt werden konnten: Ihre Kiefer sind aus bemerkenswert stabilem Material aufgebaut, und das Geheimnis dieser Stabilität kann man nun durch Experimente an der TU Wien in Kooperation mit den Max Perutz Labs erklären. Eine entscheidende Rolle spielen Metallatome, die vom Wurm in die Proteinstruktur des Materials eingebaut werden. Sie machen das Material hart und gleichzeitig biegsam – ganz ähnlich wie man das von gewöhnlichen Metallen kennt. Nun soll an dieser Materialklasse weitergeforscht werden, mit dem Ziel, neuartige, industriell nutzbare Materialien auf natürliche Weise herzustellen.

„Die Materialien, aus denen Wirbeltiere bestehen, sind mittlerweile gut erforscht“, sagt Prof. Christian Hellmich vom Institut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen der TU Wien. „Knochen etwa sind sehr hierarchisch aufgebaut: Es gibt organische und mineralische Anteile, winzige Strukturen ergeben größere Strukturen, die sich zu noch größeren Strukturen zusammenfügen.“

Bei Borstenwürmern ist das anders. Ihre Kiefer sind zwar äußerst stabil und unzerbrechlich, doch sie enthalten keine mineralischen Körnchen, wie man das von Wirbeltierknochen kennt. Stattdessen enthalten sie Metalle. Mit reinen Metallobjekten wie Goldzähnen oder künstlichen Hüften aus Titan hat das freilich nichts zu tun: Der Borstenwurm verwendet Metalle wie etwa Magnesium oder Zink in Form einzelner Atome, die in eine Proteinstruktur integriert sind.

„Dass im Borstenwurm-Kiefer Metallatome vorkommen, erklärt noch nicht seine ausgezeichneten Materialeigenschaften“, sagt Christian Hellmich. Die typischen Eigenschaften, die man von alltäglichen Metallen kennt – neben ihrer Härte und Elastizität vor allem ihre Zähigkeit – entstehen schließlich erst durch das Zusammenspiel vieler Atome. Es bilden sich Gleitflächen, entlang derer sich die Atome gegeneinander verschieben. Untersuchen kann man das mit sogenannten Nanoindentationsversuchen: Man belastet das Material auf eine genau definierte Weise und studiert dann, welche Verformungen sich daraus ergeben. Überraschenderweise zeigte sich, dass sich das Material des Borstenwurm-Kiefers dabei ganz ähnlich verhält wie Metall.

Ein uraltes Hochleistungsmaterial

„Das Bauprinzip, das die Kiefer von Borstenwürmern so erfolgreich gemacht hat, ist offenbar vor etwa 500 Millionen Jahren entstanden“, sagt Florian Raible von den Max Perutz Labs, einem Joint Venture der Universität Wien und der Medizinischen Universität Wien. „Die Metallionen werden direkt in die Proteinketten eingebaut und sorgen dann dafür, dass unterschiedliche Proteinketten zusammengehalten werden.“ So kann der Borstenwurm dreidimensionale Formen aus einer besonders stabilen Protein-Matrix herstellen.

Gleichzeitig ermöglicht diese Struktur auch Verformungen: Wenn das Material durch eine äußere Kraft belastet wird, können die Proteinketten aneinander vorübergleiten. Das Material erlaubt elastoplastische Verformungen, daher ist es nicht spröde und zerbrechlich.

„Genau diese Kombination aus hoher Festigkeit und Verformbarkeit ist normalerweise für Metalle charakteristisch“, sagt Luis Zelaya-Lainez, der als Erstautor der Studie die winzigen Kiefer mit materialwissenschaftlichen Techniken untersuchte. „Hier haben wir es zwar mit einem völlig anderen Material zu tun, aber interessanterweise sorgen trotzdem auch dort die Metallatome für Festigkeit und Verformbarkeit, wie bei einem Werkstück aus Metall.“

Während man industriell gefertigte Metalle allerdings nur unter großem Energieaufwand produzieren kann, gelingt dem Borstenwurm ein ähnliches Kunststück auf viel effizientere Weise. „Die Biologie könnte hier als Inspiration dienen, für völlig neuartige Werkstoffe“, hofft Hellmich. „Vielleicht ist es sogar möglich, auf biologische Weise Hochleistungsmaterialien herzustellen – viel effizienter und umweltfreundlicher als uns das heute gelingt.“

Ermöglicht wurde die gemeinsame Studie zwischen den Arbeitsgruppen um Hellmich und Raible unter anderem durch Forschungsgelder aus dem Innovationsfond „Research, Science and Society“ der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, der neuartige Grundlagenforschung im Grenzbereich etablierter Forschungsfelder unterstützt.

Bild oben: Das Gebiss des Borstenwurms besteht aus eine Mischung aus Proteinen und Metall. Dadurch wird es flexibel und gleichzeitig extrem hart. Foto: Dr. Kyojiro Ikeda/TU Wien