Cheryl Hayashi: The magnificence of spider silk

Traduttore: Daniele Buratti Revisore: Elena Montrasio

I'm here to spread the word about the

Mi trovo qui per parlare a tutti

magnificence of spiders

della magnificenza dei ragni

and how much we can learn from them.

e di quanto possiamo imparare da loro.

Spiders are truly global citizens.

I ragni sono dei veri cittadini globali.

You can find spiders in nearly

Se ne trovano esemplari in quasi

every terrestrial habitat.

tutti gli habitat terrestri.

This red dot marks

Questo puntino rosso indica

the Great Basin of North America,

il Grande Bacino del Nord America,

and I'm involved with an alpine biodiversity

dove sto lavorando con alcuni collaboratori

project there with some collaborators.

a un progetto di biodiversità alpina.

Here's one of our field sites,

Qui vedete una nostra postazione,

and just to give you a sense of perspective,

e tanto per darvi un'idea della prospettiva,

this little blue smudge here,

questa macchiolina qui

that's one of my collaborators.

è uno dei miei collaboratori.

This is a rugged and barren landscape,

E' un paesaggio aspro e brullo,

yet there are quite a few spiders here.

eppure qui vivono alcuni tipi di ragni.

Turning rocks over revealed this crab spider

Sollevando una pietra c'era questo ragno granchio

grappling with a beetle.

alle prese con un coleottero.

Spiders are not just everywhere,

I ragni non si trovano dappertutto,

but they're extremely diverse.

ma ne esistono specie molto diverse.

There are over 40,000 described species

Esistono più di 40.000 specie catalogate

of spiders.

fino ad oggi.

To put that number into perspective,

Per darvi un'idea,

here's a graph comparing the 40,000

ecco un grafico che raffronta le 40.000

species of spiders

specie di ragni

to the 400 species of primates.

con le 400 dei primati.

There are two orders of magnitude more

I ragni hanno due ordini di magnitudine

spiders than primates.

in più dei primati.

Spiders are also extremely old.

I ragni sono anche molto antichi.

On the bottom here,

Qui in basso

this is the geologic timescale,

c'è la cronistoria geologica;

and the numbers on it indicate millions

i numeri indicano milioni di anni

of years from the present, so the zero here,

fino al presente, e lo zero

that would be today.

è oggi.

So what this figure shows is that spiders

Questa cifra mostra che i ragni

date back to almost 380 million years.

risalgono a quasi 380 milioni di anni fa.

To put that into perspective, this red

Per capire, questa linea rossa verticale

vertical bar here marks the divergence time

segna il punto di separazione

of humans from chimpanzees,

degli umani dagli scimpanzé,

a mere seven million years ago.

appena sette milioni di anni orsono.

All spiders make silk

Tutti i ragni producono seta

at some point in their life.

prima o poi nella loro vita.

Most spiders use copious amounts of silk,

La maggior parte ne usa in abbondanza,

and silk is essential to their survival

e la seta è essenziale per la loro sopravvivenza

and reproduction.

e la loro riproduzione.

Even fossil spiders can make silk,

Ne producevano anche anticamente,

as we can see from this impression of

come possiamo vedere dalle ghiandole sericigene

a spinneret on this fossil spider.

di questo fossile.

So this means that both spiders

Questo vuol dire che sia i ragni

and spider silk have been around

che la loro seta hanno abitato la terra

for 380 million years.

per 380 milioni di anni.

It doesn't take long from working with spiders

Se lavorate coi ragni non ci metterete molto a capire

to start noticing how essential silk is

quanto la seta sia essenziale

to just about every aspect of their life.

in quasi tutti gli aspetti della loro vita.

Spiders use silk for many purposes, including

I ragni la usano per molti scopi,

the trailing safety dragline,

tra cui la tessitura di sicurezza,

wrapping eggs for reproduction,

per avviluppare le proprie uova,

protective retreats

per la creazione di rifugi

and catching prey.

e per catturare le prede.

There are many kinds of spider silk.

Ci sono molti tipi di seta.

For example, this garden spider can make

Ad esempio, il ragno giardiniere ne può

seven different kinds of silks.

produrre sette diversi tipi.

When you look at this orb web, you're actually

In questa ragnatela 'a sfera' o circolare potete vedere

seeing many types of silk fibers.

molti tipi di fibra di seta.

The frame and radii of this web

La struttura di base e i raggi della tela

is made up of one type of silk,

sono costituiti da un tipo di seta,

while the capture spiral is a composite

mentre la spirale per la cattura è composta

of two different silks:

da due tipi diversi di seta:

the filament and the sticky droplet.

il filamento e le micro-gocce vischiose.

How does an individual spider

Ma come può un singolo ragno

make so many kinds of silk?

produrre sete così diverse?

To answer that, you have to look a lot closer

Per capirlo bisogna osservare da vicino

at the spinneret region of a spider.

la zona delle filiere del ragno.

So silk comes out of the spinnerets, and for

Dunque la seta fuoriesce da queste ghiandole,

those of us spider silk biologists, this is what

che noi biologi della seta chiamiamo

we call the "business end" of the spider. (Laughter)

'la parte operativa' del ragno. (Risate)

We spend long days ...

Le nostre giornate sono molto lunghe...

Hey! Don't laugh. That's my life.

Ehi! non ridete. Sto parlando della mia vita.

(Laughter)

(Risate)

We spend long days and nights

Passiamo giorni e notti ad osservare

staring at this part of the spider.

questa parte del ragno.

And this is what we see.

Ed ecco ciò che vediamo.

You can see multiple fibers

Potete vedere molte fibre

coming out of the spinnerets, because

secrete dalle filiere, perché ogni

each spinneret has many spigots on it.

filiera dispone di molti fusuli (ugelli).

Each of these silk fibers exits from the spigot,

Tutte queste fibre escono dagli ugelli,

and if you were to trace the fiber back

e se poteste fare il percorso inverso

into the spider, what you would find is that

vedreste che ogni ugello

each spigot connects to its own individual

è collegato alla propria ghiandola serica.

silk gland. A silk gland kind of looks like a sac

Questa ghiandola assomiglia a un sacchetto

with a lot of silk proteins stuck inside.

contenente molte proteine della seta.

So if you ever have the opportunity to dissect

Perciò se avrete occasione di fare la dissezione

an orb-web-weaving spider,

di un ragno che costruisce tele circolari,

and I hope you do,

e spero che lo facciate,

what you would find is a bounty

quello che troverete è un'abbondanza

of beautiful, translucent silk glands.

di bellissime e traslucide ghiandole della seta.

Inside each spider, there are hundreds

Ogni ragno ne possiede

of silk glands, sometimes thousands.

a centinaia, talvolta a migliaia.

These can be grouped into seven categories.

Le possiamo raggruppare in sette categorie.

They differ by size, shape,

Differiscono per dimensione, forma

and sometimes even color.

e talvolta anche per colore.

In an orb-web-weaving spider,

In un ragno che produce tele circolari

you can find seven types of silk glands,

se ne trovano sette tipi diversi,

and what I have depicted here in this picture,

e in questa immagine potete vedere,

let's start at the one o'clock position,

cominciando a ore una,

there's tubuliform silk glands, which are used

le ghiandole tubuliformi, usate

to make the outer silk of an egg sac.

per realizzare sacche da uova.

There's the aggregate and flagelliform silk

E poi le ghiandole aggregate e flagelliformi

glands which combine to make the sticky

che si combinano per creare la spirale viscosa

capture spiral of an orb web.

per catturare le prede.

Pyriform silk glands make the attachment

Le ghiandole piriformi servono per creare

cement -- that's the silk that's used to adhere

il cemento - cioè la seta che serve a far aderire

silk lines to a substrate.

i filamenti a un substrato.

There's also aciniform silk,

E anche le ghiandole della seta aciniforme,

which is used to wrap prey.

usata per avviluppare la preda.

Minor ampullate silk is used in web construction.

La seta ampollacea minore è usata per tessere la tela.

And the most studied silk line

E poi quella che si studia maggiormente:

of them all: major ampullate silk.

la seta ampollacea maggiore.

This is the silk that's used to make the frame

E' quella usata per la struttura principale e

and radii of an orb web, and also

per i raggi della tela circolare, e anche

the safety trailing dragline.

per la tessitura di sicurezza.

But what, exactly, is spider silk?

Ma cos'è esattamente la tela di ragno?

Spider silk is almost entirely protein.

E' fatta quasi interamente di proteine.

Nearly all of these proteins can be explained

E quasi tutte provengono da una singola

by a single gene family,

famiglia genetica,

so this means that the diversity of silk types

che vuol dire che la diversità dei tipi di seta

we see today is encoded by one gene family,

che abbiamo oggi ha lo stesso codice genetico,

so presumably the original spider ancestor

e dunque presumibilmente un antenato comune

made one kind of silk,

secerneva solo un tipo di seta,

and over the last 380 million years,

e in questi 380 milioni di anni

that one silk gene has duplicated

quel singolo gene si è duplicato

and then diverged, specialized,

e diversificato, specializzandosi,

over and over and over again, to get

più e più volte, ottenendo

the large variety of flavors of spider silks

la grande varietà di sete

that we have today.

che abbiamo oggi.

There are several features that all these silks

Tutte queste sete hanno delle caratteristiche

have in common. They all have a common

in comune. Hanno tutte la stessa impostazione,

design, such as they're all very long --

ad esempio sono tutte molto lunghe -

they're sort of outlandishly long

sono insolitamente lunghe,

compared to other proteins.

se confrontate con altre proteine.

They're very repetitive, and they're very rich

Sono molto ripetitive ed estremamente ricche

in the amino acids glycine and alanine.

degli aminoacidi glicina e alanina.

To give you an idea of what

Per darvi un'idea di come

a spider silk protein looks like,

è fatta una proteina della seta,

this is a dragline silk protein,

questa è la proteina del filo di sicurezza,

it's just a portion of it,

di una piccola porzione,

from the black widow spider.

quello della vedova nera.

This is the kind of sequence that I love

Questo è il tipo di sequenza

looking at day and night. (Laughter)

che non mi stanco mai di guardare. (Risate)

So what you're seeing here is the one letter

Quella che vedete è la lettera che indica

abbreviation for amino acids, and I've colored

gli aminoacidi, e io ho contrassegnato

in the glycines with green,

la glicina con il colore verde,

and the alanines in red, and so

l'analina con il rosso,

you can see it's just a lot of G's and A's.

e vedete che abbiamo molte G e molte A.

You can also see that there's a lot of short

Potete anche vedere che ci sono

sequence motifs that repeat over and over

molte sequenze brevi che si ripetono varie volte,

and over again, so for example there's a lot of

e così vediamo ad esempio

what we call polyalanines, or iterated A's,

molte polialanine, o ripetizioni di A,

AAAAA. There's GGQ. There's GGY.

AAAAA. Qui le GGQ. E poi le GGY.

You can think of these short motifs

Potete immaginare queste brevi sequenze

that repeat over and over again as words,

che si ripetono come delle parole,

and these words occur in sentences.

e le parole formano parti di frasi.

So for example this would be one sentence,

Ad esempio questa sarebbe una frase,

and you would get this sort of green region

con questa zona verde e quella rossa

and the red polyalanine, that repeats

delle polialanine che si ripete

over and over and over again,

più e più volte,

and you can have that hundreds and

e questo può accadere per centinaia

hundreds and hundreds of times within

e centinaia di volte, all'interno

an individual silk molecule.

di una singola molecola della seta.

Silks made by the same spider can have

Sete prodotte dallo stesso ragno possono avere

dramatically different repeat sequences.

sequenze che si ripetono in modi molto diversi.

At the top of the screen, you're seeing

In alto potete vedere l'unità di ripetizione

the repeat unit from the dragline silk

della tessitura di sicurezza

of a garden argiope spider.

del ragno argiope dei giardini.

It's short. And on the bottom,

E' corta. E in basso

this is the repeat sequence for the

c'è la sequenza ripetuta della sacca

egg case, or tubuliform silk protein,

delle uova, la proteina tubuliforme,

for the exact same spider. And you can see

sempre dello stesso ragno. E potete constatare

how dramatically different

quanto differiscano queste proteine

these silk proteins are -- so this is

- dunque questa è la bellezza

sort of the beauty of the diversification

della diversificazione della famiglia

of the spider silk gene family.

di geni del ragno.

You can see that the repeat units differ

Potete vedere come le unità che vengono ripetute

in length. They also differ in sequence.

differiscano in lunghezza e in sequenza.

So I've colored in the glycines again

E, di nuovo, ho colorato la glicina

in green, alanine in red, and the serines,

in verde, l'alanina in rosso, e la serina,

the letter S, in purple. And you can see

con la lettera S, in viola. Vedete

that the top repeat unit can be explained

come l'unità superiore venga espressa

almost entirely by green and red,

quasi totalmente in verde e rosso,

and the bottom repeat unit has

mentre quella in basso

a substantial amount of purple.

contiene molto viola.

What silk biologists do is we try to relate

Quello che facciamo noi biologi della seta

these sequences, these amino acid

è cercare di mettere in relazione le sequenze

sequences, to the mechanical properties

di aminoacidi con le proprietà meccaniche

of the silk fibers.

delle fibre della seta.

Now, it's really convenient that spiders use their silk

E' davvero un bene che i ragni usino la seta solo quando

completely outside their body.

è estromessa completamente dal corpo.

This makes testing spider silk really, really

Questo rende gli esperimenti molto, molto

easy to do in the laboratory, because

semplici da svolgere in laboratorio, dato che,

we're actually, you know, testing it in air

come sapete, si possono svolgere in ambiente

that's exactly the environment that

aperto, identico a quello in cui i ragni

spiders are using their silk proteins.

usano le loro proteine della seta.

So this makes quantifying silk properties by

E questo rende agevole quantificare

methods such as tensile testing, which is

le proteine della seta con metodi come quello della tensione,

basically, you know, tugging on one end

che consiste nell'allungare

of the fiber, very amenable.

l'estremità della fibra.

Here are stress-strain curves

Queste sono le curve di stress

generated by tensile testing

generate dai test di tensione,

five fibers made by the same spider.

cinque fibre prodotte dallo stesso ragno.

So what you can see here is that

Qui vedete che le cinque fibre

the five fibers have different behaviors.

hanno comportamenti diversi.

Specifically, if you look on the vertical axis,

In particolare, l'asse verticale indica

that's stress. If you look at the maximum

lo stress. Il valore massimo

stress value for each of these fibers,

per ognuna della cinque fibre

you can see that there's a lot of variation,

varia sensibilmente,

and in fact dragline, or major ampullate silk,

e difatti il filo di sicurezza, costituito da seta ampollacea,

is the strongest of these fibers.

è il più resistente di tutte.

We think that's because the dragline silk,

Forse perché questo tipo di seta,

which is used to make the frame and radii

usato per la struttura di base e i raggi della tela,

for a web, needs to be very strong.

deve essere molto robusto.

On the other hand, if you were to look at

D'altro canto se si osservano le prove di fatica -

strain -- this is how much a fiber can be

ossia quanto una fibra possa essere allungata -

extended -- if you look at the maximum value

se guardiamo i valori massimi, nuovamente,

here, again, there's a lot of variation

vediamo che c'è molta differenza,

and the clear winner is flagelliform,

e la vincitrice è la fibra flagelliforme,

or the capture spiral filament.

che serve a catturare le prede.

In fact, this flagelliform fiber can

Infatti questa fibra si può estendere

actually stretch over twice its original length.

fino al doppio della propria lunghezza.

So silk fibers vary in their strength

Dunque le fibre della seta variano in

and also their extensibility.

robustezza ed estensibilità.

In the case of the capture spiral,

Nel caso della spirale,

it needs to be so stretchy to absorb

deve essere molto flessibile per assorbire

the impact of flying prey.

l'impatto di una preda in volo.

If it wasn't able to stretch so much, then

Se non avesse avuto queste caratteristiche,

basically when an insect hit the web,

se fosse stata colpita da un insetto

it would just trampoline right off of it.

questo sarebbe rimbalzato altrove.

So if the web was made entirely out of

Cos,ì se l'intera tela fosse composta solamente

dragline silk, an insect is very likely to just

dal filo di sicurezza, un insetto molto probabilmente

bounce right off. But by having really, really

ne verrebbe respinto. Ma con una struttura

stretchy capture spiral silk, the web is actually

molto flessibile, la tela è in grado

able to absorb the impact

di assorbire l'impatto

of that intercepted prey.

della preda intercettata.

There's quite a bit of variation within

C'è molta varietà tra le fibre

the fibers that an individual spider can make.

che un ragno può generare.

We call that the tool kit of a spider.

La chiamiamo la cassetta degli attrezzi del ragno,

That's what the spider has

quello che serve al ragno

to interact with their environment.

per interagire con l'ambiente.

But how about variation among spider

E cosa possiamo dire delle varianti

species, so looking at one type of silk

tra le specie, se osserviamo uno dei tipi di seta

and looking at different species of spiders?

e osserviamo le diverse specie di ragni?

This is an area that's largely unexplored

Questa è un'area non ancora molto esplorata,

but here's a little bit of data I can show you.

ma riesco comunque a darvi alcuni dati.

This is the comparison of the toughness

Questa è la comparazione di robustezza

of the dragline spilk spun

del filo di sicurezza

by 21 species of spiders.

di 21 specie di ragni.

Some of them are orb-weaving spiders and

Alcuni tessono tele circolari

some of them are non-orb-weaving spiders.

e altri non lo fanno.

It's been hypothesized that

Si è ipotizzato che il primo tipo,

orb-weaving spiders, like this argiope here,

come ad esempio l'argiope che vedete,

should have the toughest dragline silks

dovessero produrre la seta più robusta

because they must intercept flying prey.

dato che devono intercettare prede in volo.

What you see here on this toughness graph

Ciò che vedete in questo diagramma di robustezza

is the higher the black dot is on the graph,

è che più è in alto il puntino nero

the higher the toughness.

maggiore è la robustezza.

The 21 species are indicated here by this

Le 21 specie sono qui indicate tramite

phylogeny, this evolutionary tree, that shows

la filogenia, l'albero dell'evoluzione, che mostra

their genetic relationships, and I've colored

le relazioni genetiche, in cui ho colorato

in yellow the orb-web-weaving spiders.

in giallo i ragni tessitori di tele circolari.

If you look right here at the two red arrows,

Se osservate le due frecce rosse,

they point to the toughness values

esse indicano i valori di robustezza dei fili

for the draglines of nephila clavipes and

della nephila clavipes

araneus diadematus.

e dell'araneus diadematus.

These are the two species of spiders

Sono le due specie di ragni

for which the vast majority of time and money

su cui si sono investiti più tempo e denaro

on synthetic spider silk research has been

per riuscire a replicarne le proteine della seta

to replicate their dragline silk proteins.

e creare così una seta sintetica.

Yet, their draglines are not the toughest.

Eppure queste fibre non sono le più resistenti.

In fact, the toughest dragline in this survey

Infatti la più robusta individuata dall'analisi

is this one right here in this white region,

è quella che si trova in quest'area bianca,

a non orb-web-weaving spider.

quella di un ragno non tessitore.

This is the dragline spun by scytodes,

Si tratta del filo secreto dallo scytodes,

the spitting spider.

o ragno sputatore.

Scytodes doesn't use a web at all

Lo scytodes non fa uso di tele

to catch prey. Instead, scytodes

per la cattura della preda.

sort of lurks around and waits for prey

Invece, si apposta e aspetta che la preda

to get close to it, and then immobilizes prey

gli si avvicini, e poi l'immobilizza spruzzandogli

by spraying a silk-like venom onto that insect.

addosso un veleno serico.

Think of hunting with silly string.

Come cacciare con lo spray di stelle filanti.

That's how scytodes forages.

E' così che si procura da vivere.

We don't really know why scytodes

Non sappiamo davvero perché lo scytodes

needs such a tough dragline,

abbia bisogno di un filo tanto robusto,

but it's unexpected results like this that make

ma sono i risultati imprevisti come questo che rendono

bio-prospecting so exciting and worthwhile.

l'esplorazione della biodiversità entusiasmante e importante.

It frees us from the constraints

Ci libera dai limiti

of our imagination.

della nostra immaginazione.

Now I'm going to mark on

Ora vi mostrerò

the toughness values for nylon fiber,

i valori di robustezza della fibra di nylon,

bombyx -- or domesticated silkworm silk --

del bombice - o baco da seta -

wool, Kevlar, and carbon fibers.

della lana, del kevlar, e delle fibre di carbonio.

And what you can see is that nearly

E potete vedere che quasi tutte

all the spider draglines surpass them.

le fibre del ragno le superano.

It's the combination of strength, extensibility

E' la combinazione di forza, estensibilità

and toughness that makes spider silk so

e robustezza che rende la seta del ragno

special, and that has attracted the attention

così speciale, cosa che ha attirato l'attenzione

of biomimeticists, so people that turn

degli specialisti di biomimetica, che sondano

to nature to try to find new solutions.

la natura alla ricerca di nuove soluzioni.

And the strength, extensibility and toughness

E forza, estensibilità e robustezza

of spider silks combined with the fact that

della seta, unite al fatto che la seta

silks do not elicit an immune response,

non causa risposte immunitarie,

have attracted a lot of interest in the use

hanno attirato molto interesse per l'impiego

of spider silks in biomedical applications,

della seta in applicazioni biomediche,

for example, as a component of

ad esempio come componente

artificial tendons, for serving as

di tendini artificiali, come guide

guides to regrow nerves, and for

per la ricrescita di nervi

scaffolds for tissue growth.

e per strutture per la crescita di tessuti.

Spider silks also have a lot of potential

La seta ha anche un notevole potenziale

for their anti-ballistic capabilities.

per la caratteristiche anti balistiche.

Silks could be incorporated into body

La seta potrebbe essere utilizzata

and equipment armor that would be more

per giubbotti anti proiettile, che diverrebbero

lightweight and flexible

più leggeri e flessibili

than any armor available today.

di qualsiasi altro giubbotto sul mercato.

In addition to these biomimetic

Oltre a queste applicazioni

applications of spider silks,

di biomimetica della seta,

personally, I find studying spider silks

io trovo che lo studio

just fascinating in and of itself.

della seta sia già affascinante di per sé.

I love when I'm in the laboratory,

Gioisco quando in laboratorio riesco

a new spider silk sequence comes in.

a identificare una nuova sequenza della seta.

That's just the best. (Laughter)

E' semplicemente il massimo. (Risate)

It's like the spiders are sharing

E' come se i ragni condividessero con me

an ancient secret with me, and that's why

un antico segreto, ed è per questo

I'm going to spend the rest of my life

che intendo trascorrere il resto della mia vita

studying spider silk.

a studiare la seta del ragno.

The next time you see a spider web,

La prossima volta che vi imbatterete in una ragnatela,

please, pause and look a little closer.

per piacere fermatevi e guardatela da vicino.

You'll be seeing one of the most

Vedrete uno dei materiali più

high-performance materials known to man.

più straordinari conosciuti dall'uomo.

To borrow from the writings

Per dirla con l'espressione

of a spider named Charlotte,

di un ragno di nome Carlotta,

silk is terrific.

la seta è strabiliante.

Thank you. (Applause)

Grazie. (Applausi)

(Applause)

(Applausi)