Schneckenschleim wirkt auf den ersten Blick wie eine simple, klebrige Flüssigkeit. Tatsächlich stellt eine gewöhnliche Gartenschnecke aus nahezu denselben Grundbausteinen fünf völlig verschiedene Materialien her, die von glatt und gleitfähig bis zäh und stark haftend reichen. Ein Forschungsteam hat nun entschlüsselt, welche Rolle Kollagen und Kalzium bei dieser Verwandlung spielen. Die Ergebnisse könnten die Entwicklung umweltfreundlicher Klebstoffe und medizinischer Werkstoffe voranbringen.
Schneckenschleim begegnet den meisten Menschen nur als glitschige Spur auf Gehwegen oder Gartenblättern. Hinter dieser unscheinbaren Substanz verbirgt sich jedoch ein biologisches Hochleistungsmaterial. Landlebende Schnecken nutzen ihren Schleim nicht nur zum Gleiten, sondern auch zum Anhaften an senkrechten Flächen, zum Schutz vor Austrocknung und zur Abwehr von Fressfeinden. Diese Aufgaben stellen völlig gegensätzliche Anforderungen an das Material: Mal muss es schlüpfrig und dünnflüssig sein, mal fest, zäh und stark klebend. Besonders bemerkenswert ist, dass ein und dasselbe Tier all diese Varianten hervorbringt, ohne dafür grundlegend verschiedene Rohstoffe zu benötigen. Die heimische Bänderschnecke Cepaea nemoralis dient dabei als Modell, an dem sich das Zusammenspiel weniger Grundzutaten besonders klar untersuchen lässt.
In der Natur entsteht Vielfalt oft aus wenigen Bausteinen. Spinnen etwa spinnen aus ähnlichen Proteinen sehr unterschiedliche Fäden für Rahmen, Fangspirale und Verankerung ihrer Netze. Ein vergleichbares Prinzip vermuten Forschende seit Langem beim Schleim der Schnecken, doch die genaue materialwissenschaftliche Grundlage blieb unklar. Genau dieses Ziel verfolgt auch die technische Werkstoffforschung, die etwa bei einer neuen Legierung mit ungewöhnlicher Festigkeit zeigt, wie stark Struktur und Zusammensetzung die Eigenschaften bestimmen. Um zu verstehen, wie die Schnecke ihre Schleimarten steuert, kombinierte ein Team zweier Max-Planck-Institute chemische Analysen, hochauflösende Bildgebung und Strukturuntersuchungen. Im Mittelpunkt stand die Frage, welche molekularen Stellschrauben aus einer gemeinsamen Grundmasse Materialien mit derart gegensätzlichen mechanischen Eigenschaften formen. Die Antwort führt zu zwei überraschend einfachen Komponenten.
Die Untersuchung identifizierte fünf funktional unterschiedliche Schleimtypen, die von einem dünnen Gleitfilm über haftende Sekrete bis zu einem zähen Schaum reichen. Als gemeinsames strukturelles Rückgrat erwies sich dabei das Protein Kollagen, insbesondere die Variante Kollagen VI, das den verschiedenen Sekreten ihre Grundstabilität verleiht. Wie das Team in einer Analyse im Fachjournal Science darlegt, verwenden die Schnecken für alle Schleimarten weitgehend dieselben Proteinbausteine und mischen sie lediglich in anderen Verhältnissen. Entscheidend ist zusätzlich die Art der Verarbeitung: Durch Schichtung mehrerer Lagen, gezieltes Trocknen oder das Einpressen von Luft entstehen Materialien mit ganz unterschiedlichem Verhalten. So bildet sich der Schaumschleim offenbar, indem das Tier Luft aus seiner Atemöffnung in das Sekret drückt. Aus wenigen, immer gleichen Zutaten wird auf diese Weise ein ganzes Spektrum an Werkstoffen.
Neben dem Kollagen spielt Kalzium die zentrale Rolle bei der Feinabstimmung. Die Schnecke lagert amorphes Calciumcarbonat in unterschiedlicher Menge in ihre Sekrete ein, wo es je nach Schleimtyp verschiedene Funktionen übernimmt. Mal wirkt es als Quelle geladener Teilchen, die das Netzwerk der Moleküle zusammenhalten, mal als stabilisierender Baustein und mal als Vorstufe für die Bildung fester mineralischer Strukturen. Genau dieser variable Einsatz von Kalzium erklärt, warum aus nahezu identischer Grundmasse einmal ein reibungsarmer Gleitfilm und einmal ein fester, stark haftender Klebstoff werden kann. Die Menge und der Zustand des eingelagerten Minerals wirken damit wie ein Schalter, der die mechanischen Eigenschaften des Sekrets in weiten Grenzen verschiebt, ohne dass die Schnecke ihre chemische Grundausstattung ändern müsste.
Die Bedeutung der Ergebnisse reicht weit über die Biologie der Schnecke hinaus. Natürliche Materialien erreichen mit wenigen Bausteinen eine enorme Funktionsvielfalt, und wer die zugrunde liegenden Prinzipien versteht, kann sie für nachhaltige Werkstoffe nutzbar machen. Nach dem Vorbild von Schneckenschleim ließen sich biologisch abbaubare Klebstoffe, funktionale Beschichtungen oder Materialien für medizinische Anwendungen entwickeln. Als besonders aussichtsreich gelten die Wundheilung sowie die Zusammensetzung und Verabreichung von Arzneimitteln, da ein solcher Biokleber auch auf feuchten Oberflächen haften könnte. Dass die Natur mit einfachen Mitteln maßgeschneiderte Substanzen hervorbringt, zeigt sich auch andernorts, etwa wenn ein Giftstoff des Eisenhuts gezielt in umgebauten Pflanzen entsteht. Für die Materialforschung liefert die Bänderschnecke damit eine Vorlage, wie sich aus wenigen, ungefährlichen und weit verfügbaren Zutaten anpassbare Hochleistungsmaterialien gewinnen lassen.
Science, Calcium tunes snail mucus-based materials to multiple functions; doi:10.1126/science.adx7367