Cheryl Hayashi: The magnificence of spider silk

Vertaald door: Rik Delaet Nagekeken door: Christel Foncke

I'm here to spread the word about the

Ik ben hier om te praten

magnificence of spiders

over de pracht van spinnen

and how much we can learn from them.

en hoeveel we van hen kunnen leren.

Spiders are truly global citizens.

Spinnen zijn echte wereldburgers.

You can find spiders in nearly

Je kunt spinnen in bijna

every terrestrial habitat.

elke aardse habitat aantreffen.

This red dot marks

Deze rode stip markeert

the Great Basin of North America,

het Grote Bekken van Noord-Amerika.

and I'm involved with an alpine biodiversity

Ik ben daar met een aantal medewerkers

project there with some collaborators.

bezig met een project van alpine biodiversiteit.

Here's one of our field sites,

Hier is een van onze veldsites.

and just to give you a sense of perspective,

Om jullie een gevoel van perspectief te geven:

this little blue smudge here,

dit blauwe stipje

that's one of my collaborators.

is een van mijn medewerkers.

This is a rugged and barren landscape,

Dit is een ruig en kaal landschap,

yet there are quite a few spiders here.

toch vind je hier nogal wat spinnen.

Turning rocks over revealed this crab spider

Onder de stenen vonden we deze krabspin

grappling with a beetle.

in gevecht met een kever.

Spiders are not just everywhere,

Spinnen vind je niet alleen overal,

but they're extremely diverse.

maar ze zijn ook zeer divers.

There are over 40,000 described species

Er zijn meer dan 40.000 soorten spinnen beschreven.

of spiders.

Er zijn meer dan 40.000 soorten spinnen beschreven.

To put that number into perspective,

Om dat aantal wat in perspectief te zetten:

here's a graph comparing the 40,000

hier is een grafiek die

species of spiders

de 40.000 soorten spinnen

to the 400 species of primates.

vergelijkt met de 400 soorten primaten.

There are two orders of magnitude more

Het aantal spinnen is een 100 keer groter

spiders than primates.

dan het aantal primaten.

Spiders are also extremely old.

Spinnen zijn ook zeer oud.

On the bottom here,

Onderaan zie je

this is the geologic timescale,

de geologische tijdschaal.

and the numbers on it indicate millions

De getallen erop geven de miljoenen jaren

of years from the present, so the zero here,

vóór het heden aan.

that would be today.

De nul hier geeft het heden aan.

So what this figure shows is that spiders

Deze figuur laat zien dat spinnen

date back to almost 380 million years.

al bijna 380 miljoen jaar bestaan.

To put that into perspective, this red

De rode verticale streep

vertical bar here marks the divergence time

markeert de tijd

of humans from chimpanzees,

dat mensen en chimpansees

a mere seven million years ago.

evolueerden als aparte soorten.

All spiders make silk

Alle spinnen maken

at some point in their life.

ooit in hun leven rag.

Most spiders use copious amounts of silk,

De meeste spinnen gebruiken overvloedige hoeveelheden rag.

and silk is essential to their survival

Spinrag is essentieel voor hun voortbestaan

and reproduction.

en voortplanting.

Even fossil spiders can make silk,

Zelfs fossiele spinnen konden spinrag maken,

as we can see from this impression of

zoals we kunnen zien op deze afdruk van

a spinneret on this fossil spider.

een spintepel van een fossiele spin.

So this means that both spiders

Dat betekent dat zowel spinnen

and spider silk have been around

als spinrag

for 380 million years.

al 380 miljoen jaar bestaan.

It doesn't take long from working with spiders

Je hoeft niet lang met spinnen te werken

to start noticing how essential silk is

om te merken hoe essentieel spinrag

to just about every aspect of their life.

voor ongeveer elk aspect van hun leven is.

Spiders use silk for many purposes, including

Spinnen gebruiken rag voor vele doeleinden,

the trailing safety dragline,

zoals de zwevende veiligheidsdraad,

wrapping eggs for reproduction,

het inpakken van eieren voor de voortplanting,

protective retreats

zich in veiligheid brengen

and catching prey.

en het vangen van prooi.

There are many kinds of spider silk.

Er zijn vele soorten spinrag.

For example, this garden spider can make

Deze tuinspin kan bijvoorbeeld

seven different kinds of silks.

zeven verschillende soorten rag maken.

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

Als je naar dit web kijkt,

seeing many types of silk fibers.

zie je vele soorten ragvezels.

The frame and radii of this web

Het frame en de stralen van dit web

is made up of one type of silk,

bestaan uit één soort rag,

while the capture spiral is a composite

terwijl de vangspiraal een composiet is

of two different silks:

van twee verschillende soorten rag:

the filament and the sticky droplet.

de draad en de kleverige druppel.

How does an individual spider

Hoe maakt één spin

make so many kinds of silk?

zoveel soorten rag?

To answer that, you have to look a lot closer

Om daarop te antwoorden moet je

at the spinneret region of a spider.

de spinstreek van een spin wat naderbij bekijken.

So silk comes out of the spinnerets, and for

Spinrag komt uit de spintepels en

those of us spider silk biologists, this is what

wij spinragbiologen noemen dat

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

de ‘zakelijke kant’ van de spin. (Gelach)

We spend long days ...

We spenderen lange dagen ...

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

Niet lachen. Het is mijn broodwinning.

(Laughter)

(Gelach)

We spend long days and nights

We brengen lange dagen en nachten door

staring at this part of the spider.

met het staren naar dit deel van de spin.

And this is what we see.

Dit zien we.

You can see multiple fibers

Je kunt meerdere vezels

coming out of the spinnerets, because

uit de spintepels zien komen,

each spinneret has many spigots on it.

omdat elke spintepel meerdere spindoppen heeft.

Each of these silk fibers exits from the spigot,

Alle ragvezels komen uit zo’n spindop.

and if you were to trace the fiber back

Binnen in de spin

into the spider, what you would find is that

is elke spindop

each spigot connects to its own individual

verbonden met zijn eigen ragklier.

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

Een ragklier is een zak

with a lot of silk proteins stuck inside.

met een hoop rag-eiwitten.

So if you ever have the opportunity to dissect

Als je ooit de kans krijgt om

an orb-web-weaving spider,

een wielwebwevende spin te ontleden,

and I hope you do,

- en ik hoop dat voor je -

what you would find is a bounty

vindt je een hoop

of beautiful, translucent silk glands.

prachtige, doorschijnende ragklieren.

Inside each spider, there are hundreds

In elke spin zijn er honderden,

of silk glands, sometimes thousands.

soms duizenden.

These can be grouped into seven categories.

Ze kunnen worden gegroepeerd in zeven categorieën.

They differ by size, shape,

Ze verschillen in grootte, in vorm

and sometimes even color.

en soms zelfs in kleur.

In an orb-web-weaving spider,

In een wielwebwevende spin

you can find seven types of silk glands,

vind je zeven soorten spinragklieren.

and what I have depicted here in this picture,

Laten we op dit beeld

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

op de één-uur-positie starten:

there's tubuliform silk glands, which are used

dat zijn buisvormige spinklieren, die worden gebruikt

to make the outer silk of an egg sac.

om het buitenste rag van een eizak te maken.

There's the aggregate and flagelliform silk

Daar is het aggregaat en de zweepvormige spinklieren

glands which combine to make the sticky

die samen de kleverige

capture spiral of an orb web.

vangspiraal van een wielweb maken.

Pyriform silk glands make the attachment

Peervormige spinklieren maken de kleefstof

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

- dat is het spinrag dat gebruikt wordt om

silk lines to a substrate.

ragdraden aan een substraat te hechten.

There's also aciniform silk,

Er is ook aciniform rag,

which is used to wrap prey.

dat wordt gebruikt om prooi in te wikkelen.

Minor ampullate silk is used in web construction.

Klein flesvormig rag wordt gebruikt voor webconstructie.

And the most studied silk line

De meest bestudeerde ragdraad

of them all: major ampullate silk.

van allen: groot flesvormig rag.

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

Dat is het spinrag dat gebruikt wordt om het frame te maken,

and radii of an orb web, and also

de stralen van een wielweb

the safety trailing dragline.

en ook de zwevende veiligheidsdraad.

But what, exactly, is spider silk?

Maar wat is spinrag precies?

Spider silk is almost entirely protein.

Spinrag is bijna alleen maar eiwit.

Nearly all of these proteins can be explained

Bijna al deze eiwitten kunnen worden afgeleid

by a single gene family,

uit één enkele genfamilie.

so this means that the diversity of silk types

Dit betekent dat de diversiteit

we see today is encoded by one gene family,

van de huidige soorten rag gecodeerd is door één genfamilie.

so presumably the original spider ancestor

De vermoedelijke oorspronkelijke spinvoorouder

made one kind of silk,

maakte één soort rag.

and over the last 380 million years,

In de afgelopen 380 miljoen jaar

that one silk gene has duplicated

werd dat ene rag-gen gedupliceerd,

and then diverged, specialized,

vervolgens divergeerde en specialiseerde

over and over and over again, to get

het telkens weer

the large variety of flavors of spider silks

tot de grote verscheidenheid van soorten spinrag

that we have today.

die we vandaag zien.

There are several features that all these silks

Er zijn verschillende kenmerken die al deze soorten rag

have in common. They all have a common

gemeen hebben. Ze hebben allemaal een gemeenschappelijk ontwerp.

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

Ze zijn bijvoorbeeld allemaal erg lang

they're sort of outlandishly long

- buitengewoon lang -

compared to other proteins.

in vergelijking met andere eiwitten.

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

Ze zijn erg repetitief en zeer rijk

in the amino acids glycine and alanine.

aan de aminozuren glycine en alanine.

To give you an idea of what

Om jullie een idee te geven van hoe

a spider silk protein looks like,

een spinrageiwit eruit ziet:

this is a dragline silk protein,

dit is een proteïne van een trekdraad,

it's just a portion of it,

alleen maar een deel ervan,

from the black widow spider.

van de zwarte-weduwespin.

This is the kind of sequence that I love

Van dit soort sequenties ben ik helemaal weg.

looking at day and night. (Laughter)

Ik kan er dag en nacht naar kijken. (Gelach)

So what you're seeing here is the one letter

Wat je hier ziet is de één-letterafkorting

abbreviation for amino acids, and I've colored

voor aminozuren.

in the glycines with green,

Glycines zijn met groen aangegeven.

and the alanines in red, and so

Alanines met rood.

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

Je kan zien dat er veel G's en A's zijn.

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

Je kunt ook zien dat er veel korte

sequence motifs that repeat over and over

sequenties zijn die steeds weer terugkeren.

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

Zo zijn er bijvoorbeeld veel

what we call polyalanines, or iterated A's,

polyalanines of herhaalde A's, AAAAA.

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

Hier is GGQ. En ook GGY.

You can think of these short motifs

Je kan deze korte, zich herhalende motieven

that repeat over and over again as words,

als woorden zien

and these words occur in sentences.

en dat deze woorden samen zinnen vormen.

So for example this would be one sentence,

Dit zou bijvoorbeeld een zin zijn.

and you would get this sort of green region

Dit groene gebied

and the red polyalanine, that repeats

en het rode polyalanine,

over and over and over again,

dat zich telkens weer herhaalt.

and you can have that hundreds and

Dat kan zich vele

hundreds and hundreds of times within

honderden keren binnen

an individual silk molecule.

een individueel spinragmolecuul herhalen.

Silks made by the same spider can have

Ragsoorten van eenzelfde spin

dramatically different repeat sequences.

kunnen enorm verschillende herhalende sequenties hebben.

At the top of the screen, you're seeing

Bovenaan het scherm zien jullie

the repeat unit from the dragline silk

de repeterende eenheid van trekdraadrag

of a garden argiope spider.

van de Argiope tuinspin.

It's short. And on the bottom,

Het is kort.

this is the repeat sequence for the

Onderaan zie je de herhalingssequentie

egg case, or tubuliform silk protein,

voor de eizak, of tubuliform ragproteïne,

for the exact same spider. And you can see

van exact dezelfde spin.

how dramatically different

Je kunt zien hoe enorm verschillend

these silk proteins are -- so this is

deze rag-eiwitten zijn.

sort of the beauty of the diversification

Dit toont de schoonheid van de diversificatie

of the spider silk gene family.

van de spinrag-genfamilie.

You can see that the repeat units differ

De zich herhalende eenheden verschillen in lengte.

in length. They also differ in sequence.

Ze verschillen ook in volgorde.

So I've colored in the glycines again

Ik heb de glycines weer

in green, alanine in red, and the serines,

groen gekleurd, de alanines rood

the letter S, in purple. And you can see

en de serines, de letter S, paars.

that the top repeat unit can be explained

Je kunt zien dat de bovenste repeterende eenheid

almost entirely by green and red,

bijna volledig uit groen en rood bestaat

and the bottom repeat unit has

en de onderste repeterende eenheid bestaat

a substantial amount of purple.

vooral uit paars.

What silk biologists do is we try to relate

Wij spinragbiologen proberen

these sequences, these amino acid

deze sequenties, deze aminozuursequenties

sequences, to the mechanical properties

te relateren aan de mechanische eigenschappen

of the silk fibers.

van de spinragvezels.

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

Nu komt het goed uit dat spinnen hun rag

completely outside their body.

alleen maar uitwendig aanwenden.

This makes testing spider silk really, really

Dit maakt het testen van spinrag

easy to do in the laboratory, because

echt eenvoudig om te doen in het laboratorium,

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

omdat we het testen in lucht,

that's exactly the environment that

precies de omgeving waarin

spiders are using their silk proteins.

spinnen hun spinrag-eiwitten gebruiken.

So this makes quantifying silk properties by

Dit maakt de kwantificering van de rag-eigenschappen

methods such as tensile testing, which is

door methoden als trekonderzoek

basically, you know, tugging on one end

- het uitrekken van de vezel -

of the fiber, very amenable.

zeer gemakkelijk.

Here are stress-strain curves

Hier zijn de spanning-rekcurves

generated by tensile testing

van vijf vezels

five fibers made by the same spider.

afkomstig van dezelfde spin.

So what you can see here is that

Je kunt zien dat

the five fibers have different behaviors.

de vijf vezels zich verschillend gedragen.

Specifically, if you look on the vertical axis,

Op de verticale as

that's stress. If you look at the maximum

staat de rekspanning. De maximale rekwaarde

stress value for each of these fibers,

voor elk van deze vezels

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

varieert sterk.

and in fact dragline, or major ampullate silk,

Trekdraad of groot flesvormig rag

is the strongest of these fibers.

is de sterkste van deze vezels.

We think that's because the dragline silk,

Wij denken dat dat komt omdat het trekdraadrag,

which is used to make the frame and radii

waarmee het frame en de stralen van een web gemaakt wordt,

for a web, needs to be very strong.

zeer sterk moet zijn.

On the other hand, if you were to look at

Als je anderzijds kijkt naar

strain -- this is how much a fiber can be

de rek - dit is hoeveel een vezel kan

extended -- if you look at the maximum value

uitrekken - als je naar de maximale waarde kijkt,

here, again, there's a lot of variation

zie je dat er veel variatie is

and the clear winner is flagelliform,

en de duidelijke winnaar de zweepvorm is

or the capture spiral filament.

of de draad voor de vangspiraal.

In fact, this flagelliform fiber can

Deze flagelliforme vezel kan

actually stretch over twice its original length.

tot tweemaal zijn oorspronkelijke lengte worden uitgerekt.

So silk fibers vary in their strength

Spinragvezels variëren dus in sterkte

and also their extensibility.

en rekbaarheid.

In the case of the capture spiral,

De vangspiraal

it needs to be so stretchy to absorb

moet zo rekbaar zijn om de impact

the impact of flying prey.

van de aanvliegende prooi te absorberen.

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

Als het web niet zo rekbaar was, dan

basically when an insect hit the web,

zou een insect er weer

it would just trampoline right off of it.

‘afgetrampoliend’ worden.

So if the web was made entirely out of

Van een volledig van trekdraadrag gemaakt web

dragline silk, an insect is very likely to just

zou een insect waarschijnlijk gelijk weer

bounce right off. But by having really, really

afstuiteren. Door dat

stretchy capture spiral silk, the web is actually

uiterst rekbaar vangspiraalrag

able to absorb the impact

kan het web de impact

of that intercepted prey.

van de onderschepte prooi absorberen.

There's quite a bit of variation within

Er is nogal wat variatie tussen

the fibers that an individual spider can make.

de vezels die een individuele spin kan maken.

We call that the tool kit of a spider.

We noemen dat de gereedschapskist van de spin.

That's what the spider has

Of wat de spin nodig heeft

to interact with their environment.

voor interactie met zijn omgeving.

But how about variation among spider

Maar hoe zit het met de variatie tussen de

species, so looking at one type of silk

spinnensoorten, hoe verschilt het spinrag

and looking at different species of spiders?

tussen verschillende soorten spinnen?

This is an area that's largely unexplored

Dit is een grotendeels onontgonnen gebied,

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

maar hier kan ik al wat gegevens laten zien.

This is the comparison of the toughness

Dit is de vergelijking van de taaiheid

of the dragline spilk spun

van trekdraadrag

by 21 species of spiders.

van 21 soorten spinnen.

Some of them are orb-weaving spiders and

Sommigen zijn wielwebwevende spinnen en

some of them are non-orb-weaving spiders.

anderen maken geen wielwebben.

It's been hypothesized that

Men ging ervan uit dat

orb-weaving spiders, like this argiope here,

wielwebwevende spinnen, zoals Argiope hier,

should have the toughest dragline silks

de sterkste trekdraden zouden maken

because they must intercept flying prey.

omdat ze vliegende prooien moeten onderscheppen.

What you see here on this toughness graph

Op deze taaiheidsgrafiek

is the higher the black dot is on the graph,

betekent hoe hoger,

the higher the toughness.

hoe taaier.

The 21 species are indicated here by this

De 21 soorten zijn hier aangegeven door deze

phylogeny, this evolutionary tree, that shows

fylogenie, deze evolutionaire boom, die

their genetic relationships, and I've colored

hun genetische relaties laat zien.

in yellow the orb-web-weaving spiders.

Ik heb de wielwebwevende spinnen geel gekleurd.

If you look right here at the two red arrows,

De twee rode pijlen

they point to the toughness values

geven de taaiheid aan

for the draglines of nephila clavipes and

voor de trekdraden van Nephila clavipes en

araneus diadematus.

Araneus diadematus.

These are the two species of spiders

Dit zijn de twee soorten spinnen

for which the vast majority of time and money

waaraan het meeste tijd en geld is besteed

on synthetic spider silk research has been

voor onderzoek naar synthetisch spinrag

to replicate their dragline silk proteins.

om hun trekdraadrag-eiwitten te repliceren.

Yet, their draglines are not the toughest.

Toch zijn hun trekdraden niet de sterkste.

In fact, the toughest dragline in this survey

De sterkste trekdraad in dit onderzoek is

is this one right here in this white region,

deze hier in dit witte gebied,

a non orb-web-weaving spider.

een niet-wielwebwevende spin.

This is the dragline spun by scytodes,

Dit is de trekdraad gesponnen door Scytodes,

the spitting spider.

de spuwende spin.

Scytodes doesn't use a web at all

Scytodes maakt geen gebruik van een web

to catch prey. Instead, scytodes

bij het vangen van prooi. In plaats daarvan

sort of lurks around and waits for prey

loert en wacht Scytodes op prooi

to get close to it, and then immobilizes prey

om ze te benaderen en verlamt dan de prooi

by spraying a silk-like venom onto that insect.

door een rag-achtig gif op het insect te sproeien.

Think of hunting with silly string.

Je kan het vergelijken met jagen met serpentinespray.

That's how scytodes forages.

Zo foerageert Scytodes.

We don't really know why scytodes

We weten niet echt waarom Scytodes

needs such a tough dragline,

zo’n een sterke trekdraad nodig heeft,

but it's unexpected results like this that make

maar zo’n onverwachte resultaten maken

bio-prospecting so exciting and worthwhile.

bioprospectie net zo spannend en de moeite waard.

It frees us from the constraints

Het bevrijdt ons van de beperkingen

of our imagination.

van onze verbeelding.

Now I'm going to mark on

Nu ga ik het vergelijken met

the toughness values for nylon fiber,

de taaiheidswaarden voor nylon,

bombyx -- or domesticated silkworm silk --

bombyx - of zijde van de gedomesticeerde zijderups -

wool, Kevlar, and carbon fibers.

wol, Kevlar en koolstofvezels.

And what you can see is that nearly

Je kunt zien dat bijna

all the spider draglines surpass them.

alle spinnentrekdraden hen overtreffen.

It's the combination of strength, extensibility

Het is de combinatie van sterkte, rekbaarheid

and toughness that makes spider silk so

en taaiheid die spinrag

special, and that has attracted the attention

zo speciaal maakt. Dat heeft de aandacht getrokken

of biomimeticists, so people that turn

van biomimetici of mensen die in

to nature to try to find new solutions.

de natuur nieuwe oplossingen proberen te vinden.

And the strength, extensibility and toughness

De sterkte, rekbaarheid en taaiheid

of spider silks combined with the fact that

van spinrag in combinatie met het feit dat het

silks do not elicit an immune response,

geen immuunreactie uitlokt,

have attracted a lot of interest in the use

heeft veel interesse gewekt voor het gebruik

of spider silks in biomedical applications,

van spinrag bij biomedische toepassingen.

for example, as a component of

Bijvoorbeeld als onderdeel van

artificial tendons, for serving as

kunstmatige pezen,

guides to regrow nerves, and for

als gidsmateriaal voor het laten teruggroeien van zenuwen

scaffolds for tissue growth.

en als sjablonen voor weefselgroei.

Spider silks also have a lot of potential

Spinrag heeft ook veel potentiaal

for their anti-ballistic capabilities.

voor antiballistische toepassingen.

Silks could be incorporated into body

Het kan worden verwerkt

and equipment armor that would be more

in lichaams- en apparatuurbescherming

lightweight and flexible

die lichter en flexibeler zou zijn

than any armor available today.

dan enige vandaag beschikbare bescherming.

In addition to these biomimetic

Naast deze biomimetische

applications of spider silks,

toepassingen van spinrag,

personally, I find studying spider silks

vind ik het bestuderen ervan

just fascinating in and of itself.

boeiend op zichzelf.

I love when I'm in the laboratory,

Ik hou ervan in het laboratorium

a new spider silk sequence comes in.

een nieuwe spinrag-sequentie te ontdekken.

That's just the best. (Laughter)

Altijd geweldig. (Gelach)

It's like the spiders are sharing

Het is net alsof de spinnen mij

an ancient secret with me, and that's why

een eeuwenoud geheim vertellen

I'm going to spend the rest of my life

en daarom ga ik de rest van mijn leven

studying spider silk.

wijden aan het bestuderen van spinrag.

The next time you see a spider web,

Als je nog eens een spinnenweb tegenkomt,

please, pause and look a little closer.

bekijk het dan even van dichterbij.

You'll be seeing one of the most

Je ziet dan een van de meest

high-performance materials known to man.

hoogperformante materialen die de mens kent.

To borrow from the writings

Uit de geschriften

of a spider named Charlotte,

van de spin Charlotte:

silk is terrific.

“Rag is geweldig!”

Thank you. (Applause)

Dank je. (Applaus)

(Applause)

(Applaus)