Biologische Klebstoffe – Angriff und Verteidigung im Tierreich

Do, 26.10.2017 - 11:16 — Janek von Byern & Norbert Cyran

Janek von Byern Norbert CyranIcon BiologieZahlreiche Tierarten produzieren unterschiedlichst zusammengesetzte Klebstoffe, um einerseits Angreifer abzuwehren oder um selbst anzugreifen, Beute zu machen. Die Zoologen Janek von Byern (Ludwig Boltzmann Institut für Experimentelle und Klinische Traumatologie, Wien) und Norbert Cyran (Universität Wien) untersuchen seit mehr als einem Jahrzehnt Organismen aus aller Welt, die Klebstoffe produzieren und charakterisieren deren Komponenten. Ihr Ziel ist es, die Klebewirkung derartiger Substanzen zu verstehen und diese für medizinische Anwendungen am Menschen - beispielsweise in der Chirurgie oder in der Wundheilung - nachzubauen und zu optimieren. Janek von Byern leitet darüber hinaus das EU-Netzwerkprojekt “European Network of BioAdhesives (ENBA)”.

Organismen verwenden biologische Klebstoffe nicht nur, um sich am Untergrund festzukleben - wie dies im Pflanzenreich beispielsweise bei Orchideen oder Efeu, im Tierreich bei Muscheln und Seepocken der Fall ist - sondern nutzen ihre klebrigen Sekrete auch zu ihrer Verteidigung und/oder zum Angriff, um Beute zu fangen. Über Millionen von Jahren haben die jeweiligen Produzenten genutzt, um ihre Klebstoffe an die entsprechenden Verwendungszwecke und die Umweltbedingungen zu adaptieren. Dies hat zu einer enormen Vielfalt an Klebstoffsystemen geführt, die sich in der chemischen Zusammensetzung, physikalischen Haftkraft und Komplexizität deutlich voneinander unterscheiden. Je nach Lebensraum und Notwendigkeiten können die Tiere auf verschiedensten Oberflächen (hart, weich, biologisch, rauh, schmutzig, nass), unter Wasser und kalten Bedingungen (4°C) eine irreversible oder temporäre Klebeverbindung herstellen. Einige Klebstoffe wirken unmittelbar nach Sekretion in Sekundenschnelle, während andere den Umwelteinflüssen wochenlang ausgesetzt sind und dennoch im Moment eines Kontakts noch die Fähigkeit haben, zu kleben.

Aber nicht nur Tiere und Pflanzen nutzen Klebstoffe, auch wir Menschen verfügen über ein eigenes Klebstoffsystem, das Fibrin, das vor allem bei der Wundheilung zum Tragen kommt.

Kleben statt nähen

Biologische Klebstoffe sind nicht nur für die Wissenschaft ein spannendes Thema, die Systeme haben auch ein enormes Potential gegenüber bestehenden synthetischen Produkten aus der Kosmetik und Medizin, die vorwiegend gesundheitsschädliche Inhaltsstoffe aufweisen. Während marine Klebstoffe - wie die der Muschel oder Seepocke - vor allem für die Chirurgie und Geweberegeneration technische Alternativen bieten, sind Kleber von terrestrischen Tieren wie dem Salamander oder den Hundertfüssern für die äußere Wundheilung vorteilhaft. Anderes als die meisten derzeitigen medizinischen Dependants, sind biologische Klebstoffe biokompatibel und bauen sich von selbst über die Zeit ab. Wobei man erwähnen muss, dass in der Klinik nicht nur „giftige“ Klebstoffe zum Einsatz kommen. Eine Ausnahme ist hier das Fibrin, das auf Basis des menschlichen Blutplasmas gewonnen wird und als Gewebekleber eine Alternative zum Nähen oder Tackern von Wunden bietet. Dieser erste medizinische Biokleber wurde bereits in den 1970er Jahren in Wien am Ludwig Boltzmann Institut für Experimentelle und Klinische Traumatologie (LBI Trauma) entwickelt [1, 2].

Das Europäische Netzwerk für Bio-Adhäsion (ENBA)

Um biologische Klebstoffe kommerziell zu nutzen, ist es zuerst notwendig ihre biochemischen und mechanischen Eigenschaften zu verstehen, d.h. welche Bestandteile (z.B. Proteine, Zucker, Lipide) vorkommen, wie sie miteinander interagieren und wie sie bei Sekretion und mit Oberflächen reagieren. Die relevanten Komponenten, welche die Klebeeigenschaft hervorrufen, werden dann in Folge nachproduziert und optimiert, um das biologischen Vorbild so nah wie möglich nachzuahmen.

Grundlegende Kenntnisse zu biologischen Klebesystemen - von der Natur und den Eigenschaften der Bioklebstoffe über den zellulären Ablauf der Sekretion in den Organismen bis hin zur Imitation in Modellsystemen -sollen nun durch das Europäische Netzwerk für Bio-Adhäsion (ENBA, im Rahmen des transnationalen COST-Programms der EU) [3] erarbeitet werden (Abbildung 1). ENBA ist eine interdisziplinäre Kooperation von Forschern in Akademie und Industrie aus 33 Europäischen Ländern und mehreren internationalen Partnern und wird bis 2020 laufen [3].

Abbildung 1. Das Europäische Netzwerk für Bioadhäsion (ENBA) untersucht und charakterisiert eine breite Palette von Bioklebstoffen von der Nanoskala (Struktur und Eigenschaften der Klebstoff-Moleküle) über das zelluläre sekretorische System bis zum „übergeordneten“ Mechanismus der Drüsen im Tier. (Bild: http://www.enba4.eu/the-action/; © COST 2014-2020: material is allowed to be used for public use)

Im Folgenden sollen nun einige repräsentative Beispiele tierischer Klebstoffsysteme vorgestellt werden und wie diese zur Verteidigung oder zum Angriff eingesetzt werden.

Kleben zur Verteidigung

Um sich vor Räubern zu schützen, haben Tiere eine Vielfalt an Mechanismen entwickelt. Sie tarnen sich, nutzen Warnfärbung oder Mimikry, besitzen starre Abwehrstrukturen wie Stacheln, Haare oder Borsten, erweisen sich als ungenießbar, sekretieren schädliche oder übelschmeckende Substanzen ab und/oder zeigen verschiedenste Verhaltensmuster. Verglichen mit anderen Abwehrmechanismen werden Klebstoffe zwar selten angewandt, zeigen aber hohe Effektivität und dies auch gegen physisch überlegene Angreifer. Beispiel dafür sind etwa der Hautschleim der hellbraunen Wegschnecke (Arion subfuscus), die klebrigen Schleimfäden, die marine Seegurken auf Gegner spritzen oder die Hautabsonderungen des Australischen Frosches Notaden bennettii.

Hundertfüßer

sind eine Teilgruppe der bodenbewohnenden Tausendfüßer (Myriapoda) und - mit Ausnahme der Polgebiete und Grönland - weltweit verbreitet. Hundertfüßer sind Räuber, die eine große Vielfalt an Beutetieren fangen können: Insekten, Spinnen, Amphibien und sogar kleine Säugetiere. Dazu benutzen sie äußerst schmerzhafte und tödliche Gifte, die aus den Drüsen ihrer Giftklauen, den sogenannten Maxillipeden - dem umgewandelten Beinpaar im ersten Rumpfsegment - sezerniert werden (Abbildung 2). Diese Gifte werden aber nicht nur zum Angriff, sondern auch zur Verteidigung genutzt. Darüber hinaus verfügen manche Arten über Klebstoff sezernierende Wehrdrüsen im Körperbereich, um sich vor Räubern zu schützen.

Abbildung 2. Hunderfüßer (hier: Scolopendra; der Kopf trägt die (eingerollten) Antennen, das Hinterende imitiert einen Kopf. (Bild: Wikimedia by Buggenhout, België, ,cc-by). Unten: Blick auf Kopf und Giftklauen des Hundertfüßers Thereuopoda longicornis (Bild: BLGutierrez (Imperial College, London); Wikimedia commons, cc-by). Rechts: Eine Drüse: das von zwei ungleichen sekretorischen Zellen (sc1, sc2) produzierte Sekret (con) wird über einen Kanal in einen Hohlraum (Atrium) geleitet und von dort durch eine Pore an die Oberfläche der Hornhaut (Cuticula) sezerniert (Bild: copyright Carsten Müller, Universität Greifswald.)

Während die verschiedenen Gifte und Ihre Wirkung auf Wirbeltiere sehr gut untersucht sind, ist der Klebstoff bei Chilopoden bis dato nur ansatzweise charakterisiert. Im Rahmen Ihrer Forschung untersuchen Dr. von Byern und Dr. Cyran mit Kollegen von der Veterinärmedizinischen Universität Wien, dem Senckenberg Museum in Görlitz, Deutschland und der Universität in Belgrad, Serbien diese schnell aushärtenden Klebstoffe. Morphologisch weisen die Klebstoff sezernierenden Wehrdrüsen die gleiche modulare Organisation wie die Giftdrüsen auf (Abbildung 2). Beide bestehen aus je 4 - 5 Zelltypen, wobei zwei davon das klebrige Sekret produzieren. Es ist naheliegend, dass Giftdrüsen und Wehrdrüsen denselben evolutionären Ursprung haben, aber sich in der Zusammensetzung deutlich unterscheiden.

Woraus bestehen die Kleber der Hundertfüßer?

Eine der Unterarten aus der Gruppe der Lithobiomorpha stellt viskose, aus Proteinen und Lipiden bestehende Fäden in sogenannten telopodalen Drüsen her. Diese sitzen an der Innenseite des 14. Beinpaars und des (nicht mehr zum Laufen verwendeten) 15. Beinpaars. Wird das Tier angegriffen, hebt es die hintersten Beine und schleudert die aus den Drüsen austretenden Fäden gegen den Angreifer und „verkleistert“ ihn oder beeinträchtigt ihn zumindest massiv.

Die Gruppe der Geophilomorpha produzieren unterschiedlich zusammengesetzte Klebstoffe, die in den meisten Fällen nur Proteine enthalten. Die Drüsen (sogenannte Sternaldrüsen) sind strukturell vergleichbar mit denen der Lithobiomorpha, liegen aber auf der Bauchseite der Segmente. Der Klebstoff der Geophilomorpha Art Henia vesuviana besteht ausschließlich aus (relativ unpolaren) Proteinen, die sofort aushärten, wenn sie der Luft ausgesetzt sind. Auf diese Weise werden auch größere Räuber wie Spinnen und Käfer für mehr als 20 Minuten immobilisiert und der Hundertfüsser kann fliehen. Die Sekrete mehrerer anderer Geophilomorpha-Arten enthalten neben einer klebrigen Proteinlösung zusätzlich noch Blausäure (HCN) und andere Substanzen, die noch einen übel riechenden oder ungenießbaren Eindruck beim Räuber hinterlassen sollen. Die Klebstoffe der Chilopoda sind äußerlich verschieden, von wässrig klar bis milchig trüb, farblos bis gefärbt, einige leuchten bei Sekretion (sogenannte Biolumineszenz) um nachtaktive Räuber zu verwirren, abzulenken oder zu warnen.

Sekundenkleber der Salamander

Auch Schwanzlurche haben gegen Angreifer diverse Abwehrmechanismen entwickelt. Am bekanntesten sind die unbewegliche Haltung, das Abwerfen des Schwanzes, grelle Warnfarben, verschiedene Verhaltensmuster und Sekretion von giftigen oder übel schmeckenden Absonderungen der Haut. Einige nordamerikanische und eine japanische Art hingegen sondern Klebstoff aus Ihren Hautdrüsen ab, wobei insbesondere in der Schwanz und Kopfregion die meisten Drüsenzellen zu finden sind (Abbildung 3).

Abbildung 3. Der Salamander Ambystoma opacum. Weißer Klebstoff ist im Schwanzbereich sichtbar. (Bild: © Janek von Byern)

Die Klebstoffanwendung zeigt sofort hohe Wirksamkeit. Wird beispielsweise der Salamander Batrachoseps attenuatus von einem Feind - etwa von einer Schlange - angegriffen, so schlingt er seinen Schwanz um den Kopf der Schlange und überzieht diesen mit einem viskosen, klebrigen Hautsekret. Der Kleber härtet an der Luft in Sekundenschnelle aus und sorgt dafür, dass die Schlange als Knäuel verklebt bleibt, während der Salamander entkommen kann. Selbst nach 48 Stunden ist die Schlange nicht in der Lage, sich zu befreien, so lange hält die Klebewirkung an.

Eine Analyse des Klebstoffes der Salamanderart Plethodon shermani weist einen hohen Anteil an Proteinen und wenigen Zuckern auf (Glykoproteine), in geringen Mengen sind auch Lipide enthalten, wobei deren Funktionen noch zu analysieren sind. Verglichen mit anderen Klebstoff-produzierenden Tieren ist der Wassergehalt des Salamander Klebstoffes mit rund 70 % relativ niedrig, wobei dieses Wasser unmittelbar bei Sekretion „verdunstet“ und auf diese Weise das rasche und irreversible Aushärten des Klebstoffes hervorruft.

Wie der Salamander (und auch die weiter oben beschriebenen Hundertfüßer es schaffen, sich davor zu schützen, selber Opfer Ihres eigenen Klebstoffes zu werden, ist Gegenstand weiterer Untersuchungen.

Kleben als Strategie zum Angriff

Das Erjagen von Beute mittels Absondern von Klebstoffen kann passiv durch ein Netz von Seidenfäden erfolgen, wie es Radnetzspinnen und Larven der Trauermücken Arachnocampa machen, oder mit Hilfe von Klebefallen auf den Tentakeln der Rippenqualle Pleurobrachia pileus (Seestachelbeere). Zusätzlich nutzen einige Tiere Klebstoffe auch aktiv, um ihn auf die Beute zu schießen, wie zum Beispiel die Speispinnen (Scytodes spp) und die Stummelfüßer (Onychophora).

Wenn man die Verwendung von Klebstoffen zum Fangen der Beute diskutiert, sind Radnetzspinnen vermutlich das Modellbeispiel. Mit ihren eindrucksvollen, großen und feinstrukturierten Netzen, den unterschiedlichen Seidentypen und klebrigen Fäden im Zentralbereich des Netzes sind die Tiere für den Beutefang hochspezialisiert. Nicht nur die Netze selber, sondern auch die Klebfallen darauf, trotzen eindrucksvoll extremen Umwelteinflüssen, sei es Regen, Wind, UV Licht, Trockenheit oder Hitze und bleiben funktionell aktiv. Wenig bekannt dagegen ist das Fangsystem des Neuseeländischen Glowworm, das wir im Rahmen eines FWF-Projektes [4] charakterisiert haben.

Der Neuseeländische Glowworm,

ist die Larvenform der in Neuseeland und Australien endemischen Mücke Arachnocampa luminosa. Die Larve lebt in windgeschützten Orten mit hoher Luftfeuchtigkeit (>90%) – in der Nähe von Bächen, feuchten Wänden im Regenwald und in Canyons und vor allem in Höhlen mit Flußverlauf. Zum Beutefang bauen die Tiere eine Art „Hängematte“ (engl. Hammock) an der Höhlendecke, an der sie bis zu 40 cm lange Seidenfäden nebeneinander befestigen (Abbildung 4), auf denen klebrige Tropfen aufgereiht sind. Insgesamt bilden sie ein breites Netz von bis zu 40 Fäden, ähnlich einem Perlenschnurvorhang, um darin fliegende Insekten zu fangen. Die Larven selber sitzen oben in der Hängematte und produzieren mit dem Leuchtorgan am Hinterende ein intensives blaues Licht (biolumineszierendes Licht, Wellenlänge 488 nm), mit dem Sie den Sternenhimmel imitieren und so Motten, Eintagsfliegen, Sandmücken und auch ausgewachsene Arachnocampa Mücken animieren, das Licht anzufliegen und dann im Vorhang gefangen zu werden. Gelegentlich werden sogar größere Insekten wie Bienen, Wespen und Käfer gefangen, die sich in die dunkle Höhle verirren. Unter geeigneten Bedingungen leben Tausende Glühwürmer in einer Höhle und auch einer kleinen Fläche und verwandeln diese in einen zauberhaft erleuchteten Raum, der dem realen Sternenhimmel sehr nah kommt.

Abbildung 4. Der Glowworm liegt in einer "Hängematte" und lauert auf Beute, die er mit seinem Lichtorgan anlockt und mit dem Vorhang aus klebrigen Angelschnüren fängt. Unten: Skizze der Larve in der Hängematte in Richtung vom Lichtorgan ("LO") zum Kopf ("H"), sowie die Angelschnüre ("S") mit den klebrigen Vesikeln ("V"). (Bield: oben: http://www.enba4.eu/the-action/; unten PLoS ONE 11 (12): e0162687. [3])

Die Seidenfäden, auch als „fishing lines“ (=Angelschnüre) bezeichnet, produzieren die Larven im Mundbereich, anders als die Seidenfäden bei Radnetzspinnen, die am Hinterende sezerniert werden. Der Klebstoff von Arachnocampa besteht zu 99 % aus Wasser und zu 1 % aus klebrigen, Komponenten, die bei sinkender Luftfeuchtigkeit austrocknen aber bei über 80% relativer Luftfeuchtigkeit wieder rehydrieren . Der Klebstoff ist schwach sauer (pH 3-4), enthält wenige freie Fettsäuren und einige wenige Proteine. Die ungewöhnliche hygroskopische Eigenschaft des Arachnocampa Klebstoffes könnte auf Harnstoff oder Harnsäure zurückzuführen sein, die natürliche Ausscheidungsprodukte der Insekten sind.

Arachnocampa“ leitet sich vom griechischen Wort für Spinne αραχνη ab. Die Frage ist, inwieweit ähneln diese Angelschnüre und der Klebstoff dem System der Radnetzspinnen?

Beide Fangvorrichtungen dienen demselben Zweck und bestehen aus Seidenfäden mit klebrigen Tropfen. Sie unterscheiden sich aber deutlich in Hinblick auf die molekulare Zusammensetzung, Struktur und Elastizität der Seidenfäden und hinsichtlich der Größe und Zusammensetzung der Klebstoffe. Diese Unterschiede bewirken, dass Spinnennetze wesentlich dehnbarer und reißfester sind und auch noch bei niedriger Luftfeuchtigkeit (< 20 %) kleben, während die Fangfäden des Glowworms mindestens eine 80 % Luftfeuchtigkeit benötigen. Dies korreliert mit der Anpassung der Fangsysteme an die unterschiedlichen Habitate: Spinnen leben im Freien und sind extrem wechselnden Umweltbedingungen, Wind, UV-Licht, Temperatur- und Luftfeuchtigkeitschwankungen ausgesetzt. Die Glowworms leben dagegen meist in sehr geschützten Habitaten, in denen über das Jahr sehr geringe Schwankungen und Veränderungen auftreten. Daher müssen sie Ihr Fangsystem nicht robust und stabil bauen, sondern haben sich voll auf diese Habitatbedingungen angepasst.

Fazit

Bioklebstoffe sind vielversprechende Alternativen zu den heute verwendeten, zum Teil giftigen synthetischen Produkten, die für einige Anwendungen (Geweberegeneration) gar nicht verwendet können oder bei anderen nur unbefriedigende Resultate liefern. Die Natur bietet dagegen im Wasser und an Land ein enorm großes Reservoir an Bio-Klebstoffen, die für die unterschiedlichsten Anwendungen nutzbar gemacht werden können. Untersuchungen zur Zusammensetzung derartiger Kleber, ihrer Eigenschaften und ihrer Anwendbarkeit für diverse Anforderungen aus Medizin und Industrie stehen erst am Anfang. Das transnationale Europäische Netzwerk für Bio-Adhäsion macht es sich zur Aufgabe, die biochemischen und mechanischen Prinzipien, die einer weiten Diversität von biologischen Klebern zugrunde liegen, zu erarbeiten und ihre Anwendbarkeit zu testen.


[1] H.Redl (2014) Kleben statt Nähen – Gewebekleber auf der Basis natürlichen Fibrins

[2] A.Petter, H. Redl (2014) Fibrinkleber in der operativen Behandlung von Leistenbrüchen — Fortschritte durch „Forschung made in Austria“. http://scienceblog.at/fibrinkleber-leistenbruch#.

[3] “European Network of BioAdhesives”. http://www.enba4.eu/

[4] http://pf.fwf.ac.at/project_pdfs/pdf_abstracts/p24531d.pdf

[5] J. von Byern et al., (2016) Characterization of the Fishing Lines in Titiwai (=Arachnocampa luminosa Skuse, 1890) from New Zealand and Australia. PLoS ONE 11 (12): e0162687. doi:10.1371/journal. pone.0162687 (open access)


Weiterführende Links

Ludwig Boltzmann Institut für experimentelle und klinische Traumatologie (LBI Trauma)

MC Janek von Byern , SWR 18. March 2017 “Kleben wie ein Salamander” http://www.enba4.eu/wp-content/uploads/2017/05/SWR-2-Campus-18032017-Kle... 4,5 min

MC Janek von Byern, DRadio 07. March 2017 “Bioklebstoffe” http://www.enba4.eu/wp-content/uploads/2017/05/DRadio-Wissen-07032017-SK... 5,09 min



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