GEMSilk-Projekt – Pionierarbeit an medizinischen Seiden-Biopolymeren

Die nächste Generation medizinischer Klebstoffe: Seide, die heilt

Dinge im Inneren des menschlichen Körpers zu verkleben, ist keine einfache Aufgabe. Wer schon einmal versucht hat, ein Pflaster auf feuchter Haut zu befestigen, weiß, wie frustrierend das sein kann. In der Chirurgie müssen Ärzte häufig Gewebe wieder verbinden oder innere Wunden in feuchter Umgebung verschließen – doch bestehende medizinische Klebstoffe halten oft nicht gut. Nähte und Klammern sind weiterhin Standard – aber wäre ein Kleber nicht schneller, sanfter und anpassungsfähiger?

Leider sind viele der aktuellen chirurgischen Klebstoffe alles andere als ideal. Manche sind stark, aber giftig für das Gewebe und haften schlecht auf feuchten Oberflächen. Andere sind sicherer, aber schwach und unzuverlässig. Die Folgen können schwerwiegend sein – nach einer Bauchoperation etwa kommt es bei bis zu jedem fünften Patienten zu inneren Leckagen an der Operationsstelle. Es ist also klar: Bessere medizinische Klebstoffe werden dringend gebraucht.

Die Natur könnte die Lösung bereits bereithalten. Einige Tiere produzieren wasserdichte Seide, die wie Klebeband unter Wasser funktioniert. Diese natürlichen Klebstoffe sind stark, härten schnell aus und haften hervorragend auf feuchten Oberflächen – genau das, was Chirurgen suchen. Das Problem: Diese Insekten sind klein und lassen sich nicht in nennenswerter Menge für die Ernte ihrer klebrigen Seide züchten. Aber was wäre, wenn wir Seiden produzierende Insekten dazu befähigen könnten?

Genau das ist das Ziel von GEMSilk – Genetisch Modifizierte Medizinische Seide (Genetically Engineered Medical Silk). Finanziert von Horizon Europe im Rahmen eines Marie Skłodowska-Curie-Postdoktorandenstipendiums – einem der Flaggschiff-Förderprogramme der EU – verfolgt GEMSilk einen innovativen Ansatz: Die Hausseidenraupe wird gentechnisch so verändert, dass sie eine neue Art von Seide produziert, die als biokompatibler medizinischer Klebstoff dient. Gefördert durch das Marie Skłodowska-Curie-Programm baut das Projekt auf der vorhandenen Expertise des Forschers auf, der sich schon vorher mit der genetischen Modifikation von Seidenraupen zur Förderung nachhaltiger kommerzieller Seidenproduktion konzentrierte. Unter der Leitung von Prof. Philipp Seib, dessen Forschung Biopolymere und Innovationen im Gesundheitswesen verbindet, vereint das Projekt Gentechnik und Materialwissenschaft, um die nächste Generation von Seidenklebstoffen zu entwickeln. Unterstützt wird das Projekt zudem von der Doktorandin Franziska Lai und der MSc-Studentin Srinithi Kirubakaran.

Nach den Prinzipien der Bionik – also dem Lernen von der Natur zur Lösung menschlicher Herausforderungen – will das Team eine nachhaltige und skalierbare Quelle für medizinische Klebstoffe schaffen. Dabei verschmelzen Biologie, Biotechnologie und Materialwissenschaft, um einen langjährigen klinischen Bedarf zu decken.

Im Inneren des Kokons: Seidenraupen eine neue Fähigkeit verleihen

Damit Seide klebt, muss der genetische Code der Seidenraupe umgeschrieben werden. Das GEMSilk-Team verwendet dafür die CRISPR/Cas9-Technologie – eine Methode, mit der sich DNA präzise verändern lässt. Man kann es sich wie molekulare Chirurgie vorstellen: Die DNA wird an genau der richtigen Stelle geschnitten, und eine neue Anleitung wird eingefügt.

Dr. Brady entwickelte ein DNA-Stück mit dem genetischen Bauplan für klebende Proteinsegmente. Mithilfe der CRISPR/Cas-Technologie wird diese DNA in das Genom der Seidenraupe eingebaut. Das Ergebnis: Ein Hybridgen, das die Seidenraupe weiterhin Seide produzieren lässt – nun aber mit zusätzlichen, klebstoffähnlichen Eigenschaften.

Diese genetische Veränderung erfolgt ganz am Anfang der Entwicklung. Weibliche Falter legen winzige Eier, kleiner als ein Streichholzkopf. Diese Eier werden unter dem Mikroskop mit einer feinen Glaskapillare injiziert. So gelangen die CRISPR-Komponenten und die Spender-DNA in den Embryo – nur wenige Stunden nach der Eiablage. Dieser Schritt ist äußerst sensibel und präzise.

Um festzustellen, welche Seidenraupen das modifizierte Gen tragen, wird zusätzlich ein fluoreszierender Marker eingeführt. Unter dem Mikroskop leuchten die Augen der geschlüpften Raupen mit dem neuen Gen rot. Diese Individuen werden gezielt gezüchtet, um eine stabile Linie von Seidenraupen zu etablieren, die beständig den neuen Kleber produzieren. Diese Linie wird zu einer lebenden Produktionslinie für das neue Biomaterial. Anders als bei vielen anderen Modellinsekten – etwa Drosophila – lassen sich Seidenraupeneier bis zu einem Jahr lagern. Eine ständige Nachzucht ist daher nicht notwendig.

Eine neue Art von Seide züchten

Sobald die genetisch veränderte Seidenraupenlinie etabliert ist, folgt der nächste Schritt: die Prüfung der produzierten Seide. Die Raupen werden unter kontrollierten Bedingungen in der Insektenbiotechnologie-Einrichtung des Fraunhofer IME in Gießen aufgezogen. Nachdem die Larven ihre Kokons gesponnen haben, wird die Seide geerntet und analysiert.

Die wichtigste Frage ist simpel: Klebt sie? Mit mechanischen Tests, Mikroskopie und Gewebemodellen untersucht Dr. Brady, wie gut die neue Seide auf feuchtem Gewebe haftet, wie viel Kraft sie aushält und wie sie sich unter Belastung verhält.

Ebenso wichtig ist die Sicherheit. Medizinische Klebstoffe müssen biokompatibel sein. Sie dürfen keine Entzündungen, allergischen Reaktionen oder Toxizität auslösen. Natürliche Seide hat bereits ein exzellentes Sicherheitsprofil, und die in GEMSilk eingeführten Modifikationen sollen genau dieses beibehalten. Der neue Seidenkleber besteht aus Protein, ist biologisch abbaubar und könnte sich im Körper auflösen, während die Heilung fortschreitet.

Der Seidenkleber kann je nach medizinischem Einsatzbereich zu Pflastern, Bändern oder Gelen verarbeitet werden. Ein Streifen könnte beispielsweise über eine chirurgische Wunde gelegt werden und diese ohne Naht verschließen. In zukünftigen Versionen könnte der Kleber sogar durch ein Endoskop oder eine Spritze in schwer erreichbare Körperbereiche eingebracht werden.

Der Ausblick ist vielversprechend: Ein zuverlässiger, biokompatibler Kleber, der auf feuchten Geweben funktioniert, könnte Patientenversorgung verbessern und Komplikationen nach Operationen verringern. Chirurgen hätten ein neues Werkzeug, das Wunden schneller und sicherer verschließt – für Patienten bedeutet das womöglich weniger Nähte, weniger Narben und eine schnellere Genesung.

GEMSilk zeigt auch, was möglich ist, wenn Wissenschaftler*innen sich von der Natur inspirieren lassen – die Lösung eines Insekts auf ein anderes übertragen, um etwas völlig Neues zu schaffen. Die Seide der Zukunft ist vielleicht nicht nur ein Textil. Sie könnte Wunden verschließen, Organe reparieren und Heilung beschleunigen – und damit das Gesundheitswesen auf ganz neue Weise zusammenhalten.