Gemeine Napfschnecke – Spezialistin für flexibles Kleben

Kleben ist wie z. B. Schrauben oder Schweißen eine Fügetechnik, bei der mehrere Körper miteinander verbunden werden. Nicht nur beim Basteln und Handwerken setzen wir unterschiedlichste Klebstoffe ein, auch bei der industriellen Herstellung von technischen Produkten, von Haushaltsgeräten über Autos bis hin zu Flugzeugen ist Kleben eine häufig eingesetzte Methode, um Teile zu fixieren.

In der Natur gibt es vielfältige Vorbilder für Kleben unter verschiedensten Bedingungen, wobei die in der Natur zu beobachtenden Phänomene in der technischen Nachahmung oft unerreicht sind. Fixierung auf unregelmäßigem, nicht sauberem und von Wasser umgebenem Untergrund mit einem Klebemittel, das auf Wasser basiert und bioabbaubar ist, finden wir beispielsweise bei Muscheln, wie Austern (Ostreidae), bei erwachsenen Seepocken (Balanidae) und bei Seelilien (Crinoidae).

Napfschnecken sind insofern ein interessantes Beispiel, als diese Meeresbewohner sich in je nach Wasserstand (Tide) in zeitweise heftig umtosten Brandungszonen so fest am Fels fixieren, dass potenzielle Fressfeinde ihre vermeintlich leichte Beute nicht einfach vom Untergrund ablösen können. Typischerweise nachts bewegen sich diese Tiere aber auf ihrer Unterlage und weiden dabei mit ihrer Radula den Algenbewuchs ab. Bisherige Untersuchungen über die zugrunde liegenden Mechanismen zur Fixierung ergaben Hinweise für Ansaugen und Kleben.

Abb. 1: Napfschnecke (Patella vulgata). (Foto: Janek Pfeifer, CC BY-SA 3.0)

Kang et al. (2020) haben jetzt eine Studie an der Gemeinen Napfschnecke (Patella vulgata; Abb. 1) veröffentlicht, in der mit einer Vielzahl von Methoden versucht wurde, die erstaunliche Fixierung und Re-Mobilisierung besser zu verstehen. (Wedlich [2020] hat darüber in Spektrum.de zusammenfassend informiert.)

Die Autoren ließen im Labor P. vulgata in standardisiertem Meerwasser auf einer Kunststoffunterlage über einen Drucksensor kriechen und dokumentierten den Druckverlauf bei normaler Bewegung, bei simulierten Attacken und bei Versuchen, die Tiere mechanisch von der Unterlage abzulösen. Bei der ungestörten Bewegung zeigten sich kleine Druckschwankungen um den Nullpunktunterschied von -0,79 bis 1,0 kPa. Werden Tiere attackiert, so weisen sie unter der Fußsohle kurzzeitig einen Unterdruck von ca. -3,7 kPa auf, diese Spitze fällt aber innerhalb weniger Sekunden auf ca. 60 % des Wertes ab. Beim Versuch, Napfschnecken mechanisch von der Unterlage zu lösen wird kurzzeitig ein noch höherer Unterdruck gemessen (bis zu -5,7 kPa), der aber ebenfalls noch vor dem vollständigen Ablösen rasch wieder abfällt. Für die Autoren weisen diese Beobachtungen darauf hin, dass der muskulär – zwischen Fuß und Unterlage – erzeugte Unterdruck keinen wesentlichen Beitrag zur Haftung der Tiere leistet.

Kang et al. haben sich dann den Schleim, den P. vulgata durch Drüsen an ihrer Fußsohle absondert, genauer angesehen. Dieser Haftschleim stellt ein Hydrogel mit einem Wassergehalt von mehr als 90 % dar; der Rest ist eine komplexe und schwer zu analysierende Mischung v. a. aus Peptid- und Zuckerketten. Die Autoren haben den abgesonderten Schleim in drei Kategorien unterteilt: 1. Schleim, der beim Ablösen von fixierten N. vulgata-Exemplaren auf der Unterlage zurückbleibt; 2. Schleim, der beim Ablösen an der Fußsohle des Tieres verbleibt und 3. Schleim, der innerhalb von 30 Minuten am gereinigten Fuß der Napfschnecke neu gebildet wird. Im Gegensatz zu anderen Untersuchungen wurden in dieser Studie die Proben von einzelnen Tieren untersucht und nicht der Schleim von mehreren Tieren für die Analyse vereinigt. Die Schleimproben wurden auf Protein untersucht (Gelelektrophorese). Durch Anwendung verschiedenster – auch molekularbiologischer – Methoden (Transkriptomik, Proteomik) identifizierten Kang et al. 171 Proteinsequenzen in den drei Schleimtypen. Einen Teil dieser Proteine untersuchten sie mit verschiedenen Lektinen auf spezifische Verknüpfungen der Zuckerketten, die Teil dieser Glykoproteine sind. Bei Lektinen handelt es sich um (Glyko-) Proteine, die Zuckerverknüpfungen erkennen und sich daran anlagern; das macht sie zu einem hilfreichen Werkzeug zur Charakterisierung komplexer Zuckerketten. Mit Hilfe der Lektinmarkierung konnten in der Fußsohle der Napfschnecke Drüsen und von diesen abgesonderte Körnchen sichtbar gemacht und dokumentiert werden.

14 der Proteinsequenzen aus dem Schleim von P. vulgata haben die Autoren einer detaillierten Analyse unterzogen, indem sie die Sequenzen mit bekannten Daten aus Proteindatenbanken abgeglichen haben. Diese Untersuchung ergab, dass in den Proteinen viele Domänen (Sequenzbereiche) enthalten sind, deren Funktionen bereits bekannt sind. Zu den zugeordneten Funktionen finden sich solche, die auch in bereits bekannten Proteinen als Adhäsive wirken, d. h. Domänen mit Klebewirkung. Andere Domänen können mit weiteren Proteinen wechselwirken, so dass sie mit diesen längere Ketten bilden oder sich mit diesen vernetzten können und damit hochwirksame Bio-Klebstoffe darstellen. Darüber hinaus wurden noch zwei Domänen identifiziert, die bisher nicht im Zusammenhang mit Klebern bei Meereslebewesen bekannt waren. Einer dieser Proteinbausteine kann Fasern bilden, während der andere defensive Aufgaben erfüllen könnte. Dieser Bereich kann Bereiche von Proteinstrukturen und Zuckerketten erkennen und diese auflösen.

Die gemeine Napfschnecke scheint also nicht nur über faszinierende Klebstoffe zu verfügen, die ihr erlauben, sich angesichts starker mechanischer Belastung im Meerwasser auf einem Untergrund, der weder eben noch sauber ist, zuverlässig zu fixieren. Sie kann auch auf Wunsch diese Fixierung wieder lösen und mit nur schwacher Adhäsion auf Nahrungssuche gehen und den Untergrund abweiden.

Die Autoren haben mit dieser Arbeit ein Fenster geöffnet, durch das wir diese Klebespezialistin noch intensiver beobachten und ihre erstaunlichen reversiblen Klebetechniken verstehen und vielleicht auch nutzen lernen können.

Während dieser Text verfasst worden ist, haben Wissenschaftler aus klinischen Einrichtungen der Universität Stanford eine Arbeit vorab veröffentlicht, in der sie einen enzymatischen Werkzeugkasten vorstellen, der – vor allem Medizinern – dazu helfen soll, Glykoproteine in Schleim selektiv zu detektieren, sichtbar zu machen und abzubauen (Shon et al. 2020). Die gemeine Napfschnecke, P. vulgata, verfügt bereits über einen solchen Werkzeugkoffer.

H. Binder

[Kang V, Lengerer B, Wattiez R & Flammang P (2020) Molecular insights into the powerfull mucus-based adhesion of limpets (Patella vulgata L.) Open Biol. 10:200019, http://dx.doi.org/10.1098/rsob.20.0019 • Shon DJ, Malaker SA, Pedram K, Yang E, Krishan V, Dorigo O & Bertozzi CR (2020) An enzymatic toolkit for selective proteolysis, detection, and visualization of mucin-domain glycoproteins. Proc. Natl. Acad. Sci. USA; www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.2012196117 • Wedlich S (2020) Die Superkraft der Napfschnecke. Spektrum.de; https://www.spektrum.de/news/die-superhaftkraft-der-napfschnecke/1752874]