Cheryl Hayashi: The magnificence of spider silk

Cheryl Hayashi: O esplendor da seda da aranha

Tradutor: Isabel Villan Revisor: Fers Gruendling

I'm here to spread the word about the

Estou aqui para divulgar

magnificence of spiders

o esplendor das aranhas

and how much we can learn from them.

e quanto podemos aprender com elas.

Spiders are truly global citizens.

Aranhas são indivíduos realmente globais.

You can find spiders in nearly

Você pode encontrar aranhas em quase

every terrestrial habitat.

todo habitat terrestre.

This red dot marks

Este ponto vermelho assinala

the Great Basin of North America,

a Grande Bacia da América do Norte,

and I'm involved with an alpine biodiversity

e estou envolvida com um projeto sobre biodiversidade

project there with some collaborators.

em locais altos e montanhosos com alguns colaboradores.

Here's one of our field sites,

Eis aqui um de nossos campos,

and just to give you a sense of perspective,

e só para dar-lhes um sentido de perspectiva,

this little blue smudge here,

este pequeno borrão azul aqui,

that's one of my collaborators.

esse é um dos meus colaboradores.

This is a rugged and barren landscape,

Esta é uma paisagem acidentada e árida,

yet there are quite a few spiders here.

ainda assim há muitas aranhas aqui.

Turning rocks over revealed this crab spider

Revolver pedras revelou esta aranha caranguejeira

grappling with a beetle.

numa luta corpo a corpo com um besouro.

Spiders are not just everywhere,

As aranhas não só estão em todos os lugares

but they're extremely diverse.

mas também são extremamente diversas.

There are over 40,000 described species

Há mais de 40.000 espécies descritas

of spiders.

de aranhas.

To put that number into perspective,

Para colocar esse número em perspectiva

here's a graph comparing the 40,000

aqui está um gráfico comparando as 40.000

species of spiders

espécies de aranhas

to the 400 species of primates.

com as 400 espécies de primatas.

There are two orders of magnitude more

Há duas ordens de magnitude a mais

spiders than primates.

de aranhas que de primatas.

Spiders are also extremely old.

As aranhas também são extremamente velhas.

On the bottom here,

Aqui na base,

this is the geologic timescale,

esta é a escala geológica de tempo,

and the numbers on it indicate millions

e os números nela indicam milhões

of years from the present, so the zero here,

de anos do presente, assim o zero aqui

that would be today.

seria hoje.

So what this figure shows is that spiders

Portanto, o que este número demonstra é que as aranhas

date back to almost 380 million years.

datam de quase 380 milhões de anos atrás.

To put that into perspective, this red

Para colocar isso em perspectiva, esta barra

vertical bar here marks the divergence time

vertical vermelha aqui marca o tempo de divergência

of humans from chimpanzees,

entre humanos e chimpanzés,

a mere seven million years ago.

meros sete milhões de anos atrás.

All spiders make silk

Todas as aranhas produzem seda

at some point in their life.

num certo momento em suas vidas.

Most spiders use copious amounts of silk,

A maioria das aranhas usa quantias abundantes de seda,

and silk is essential to their survival

e a seda é essencial para a sobrevivência

and reproduction.

e a reprodução delas.

Even fossil spiders can make silk,

Os fósseis de aranhas também podiam produzir seda,

as we can see from this impression of

como podemos observar nessa impressão de

a spinneret on this fossil spider.

um órgão produtor de fio nesse fóssil de aranha.

So this means that both spiders

Assim, isso significa que tanto as aranhas

and spider silk have been around

quanto a seda das aranhas têm estado por aí

for 380 million years.

por 380 milhões de anos.

It doesn't take long from working with spiders

Não se leva muito tempo trabalhando com aranhas

to start noticing how essential silk is

para começar a notar quão essencial é a seda

to just about every aspect of their life.

para quase todos os aspectos da vida delas.

Spiders use silk for many purposes, including

As aranhas usam a seda para muitos propósitos, incluindo

the trailing safety dragline,

o fio de segurança ou linha de reboque,

wrapping eggs for reproduction,

envolver ovos na reprodução,

protective retreats

refúgios para proteção

and catching prey.

e apanhar presas.

There are many kinds of spider silk.

Há muitos tipos de seda de aranha.

For example, this garden spider can make

Por exemplo, esta aranha de jardim pode produzir

seven different kinds of silks.

sete tipos diferentes de sedas.

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

Quando você olha para esta teia, na verdade

seeing many types of silk fibers.

você está vendo muitos tipos de fibras de seda.

The frame and radii of this web

A estrutura e os raios desta teia

is made up of one type of silk,

são feitos de um tipo de seda,

while the capture spiral is a composite

enquanto que a espiral de captura é um composto

of two different silks:

de duas sedas diferentes:

the filament and the sticky droplet.

o filamento e a gotícula viscosa.

How does an individual spider

Como uma única aranha produz

make so many kinds of silk?

tantos tipos de seda?

To answer that, you have to look a lot closer

Para responder a isso, você tem que olhar muito perto

at the spinneret region of a spider.

na região do órgão produtor de fio de uma aranha.

So silk comes out of the spinnerets, and for

Bem, a seda é expelida pelo órgão produtor de fio, e para nós,

those of us spider silk biologists, this is what

biólogos que estudamos a seda de aranha, isso é o que

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

chamamos de "fim de negócio" da aranha. (Risadas)

We spend long days ...

Passamos muitos dias...

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

Ei! Não riam. Isto é minha vida.

(Laughter)

(Risadas)

We spend long days and nights

Passamos muitos dias e noites

staring at this part of the spider.

olhando fixamente essa parte da aranha.

And this is what we see.

E isso é o que vemos.

You can see multiple fibers

Você pode ver fibras múltiplas

coming out of the spinnerets, because

surgindo dos órgãos produtores de fio, porque

each spinneret has many spigots on it.

cada fieira tem muitas fusulas.

Each of these silk fibers exits from the spigot,

Cada uma dessas fibras de seda provém de uma fusula,

and if you were to trace the fiber back

e se você rastreasse a fibra de volta

into the spider, what you would find is that

na aranha, o que você encontraria é que

each spigot connects to its own individual

cada fusula se conecta a uma única

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

glândula de seda. Uma glândula de seda se parece com um saco

with a lot of silk proteins stuck inside.

com muitas proteínas de seda armazenadas.

So if you ever have the opportunity to dissect

Então se tiverem a oportunidade de dissecar

an orb-web-weaving spider,

uma aranha que tece teia orbicular,

and I hope you do,

e espero que tenham,

what you would find is a bounty

o que vocês encontrariam é uma quantidade

of beautiful, translucent silk glands.

de glândulas de seda lindas e translúcidas.

Inside each spider, there are hundreds

Dentro de cada aranha, há centenas

of silk glands, sometimes thousands.

de glândulas de seda, às vezes milhares.

These can be grouped into seven categories.

Elas podem ser agrupadas em sete categorias.

They differ by size, shape,

Elas diferem no tamanho, no formato

and sometimes even color.

e, às vezes, até mesmo na cor.

In an orb-web-weaving spider,

Numa aranha que tece teia orbicular,

you can find seven types of silk glands,

você pode encontrar sete tipos de glândulas de seda,

and what I have depicted here in this picture,

que descrevi nesta figura,

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

vamos começar na posição uma hora,

there's tubuliform silk glands, which are used

há glândulas de seda tubuliformes, que são usadas

to make the outer silk of an egg sac.

para fazer o envoltório exterior dos ovos.

There's the aggregate and flagelliform silk

Há as glândulas agregadas e flageliformes

glands which combine to make the sticky

que se combinam para fazer a espiral

capture spiral of an orb web.

de captura viscosa em uma teia orbicular.

Pyriform silk glands make the attachment

As glândulas periformes produzem a substância

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

glutinosa - que é a seda usada para fixar

silk lines to a substrate.

as linhas de seda a um substrato.

There's also aciniform silk,

Há também a seda aciniforme,

which is used to wrap prey.

que é usada para envolver a presa.

Minor ampullate silk is used in web construction.

A seda ampuliforme menor é usada na construção da teia.

And the most studied silk line

E a linha de seda mais estudada

of them all: major ampullate silk.

de todas: a seda ampuliforme maior.

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

Esta é a seda usada para fazer a estrutura

and radii of an orb web, and also

e os raios da teia e também

the safety trailing dragline.

o fio de segurança ou linha de reboque.

But what, exactly, is spider silk?

Mas o que é, exatamente, a seda de aranha?

Spider silk is almost entirely protein.

A seda de aranha é quase totalmente proteína.

Nearly all of these proteins can be explained

Quase todas essas proteínas podem ser explicadas

by a single gene family,

por uma única família de genes,

so this means that the diversity of silk types

portanto isso significa que a diversidade de tipos de seda

we see today is encoded by one gene family,

que vemos hoje é codificada por uma família de genes,

so presumably the original spider ancestor

daí, presumivelmente, o ancestral de origem da aranha

made one kind of silk,

fazia um tipo de seda,

and over the last 380 million years,

e, ao longo dos últimos 380 milhões de anos,

that one silk gene has duplicated

esse gene da seda duplicou-se

and then diverged, specialized,

e a seguir diversificou-se, especializou-se,

over and over and over again, to get

muitas e muitas vezes, para obter

the large variety of flavors of spider silks

a grande variedade de tipos de sedas de aranha

that we have today.

que temos hoje.

There are several features that all these silks

Há várias características que todas essas sedas

have in common. They all have a common

têm em comum. Todas elas têm um desenho

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

comum, por exemplo, elas são muito longas --

they're sort of outlandishly long

elas são peculiarmente longas

compared to other proteins.

comparadas a outras proteínas.

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

São muito repetitivas e muito ricas

in the amino acids glycine and alanine.

nos aminoácidos glicina e alanina.

To give you an idea of what

Para dar-lhes uma ideia de como

a spider silk protein looks like,

a proteína da seda de aranha se parece,

this is a dragline silk protein,

esta é uma proteína do fio de segurança,

it's just a portion of it,

apenas uma parte dela,

from the black widow spider.

da viúva negra.

This is the kind of sequence that I love

Este é o tipo de sequência que adoro

looking at day and night. (Laughter)

ficar olhando dia e noite. (Risadas)

So what you're seeing here is the one letter

Então, o que você vê aqui é uma letra

abbreviation for amino acids, and I've colored

de abreviação para os aminoácidos, e colori

in the glycines with green,

as glicinas em verde

and the alanines in red, and so

e as alaninas em vermelho, e desta forma

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

você vê apenas muitos Gês e As.

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

Você também pode ver que há muitas sequências

sequence motifs that repeat over and over

curtas de motivos que se repetem várias

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

vezes, assim, por exemplo, há muito do

what we call polyalanines, or iterated A's,

que chamamos polialaninas, ou As reiterados,

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

AAAAA. Existe GGQ. Existe GGY.

You can think of these short motifs

Você pode imaginar esses motivos curtos

that repeat over and over again as words,

que se repetem várias vezes como palavras,

and these words occur in sentences.

e essas palavras ocorrem em sentenças.

So for example this would be one sentence,

Daí, por exemplo, esta seria uma sentença,

and you would get this sort of green region

e você teria esse tipo de região verde

and the red polyalanine, that repeats

e a polialanina vermelha, que se repetem

over and over and over again,

muitas vezes,

and you can have that hundreds and

e você pode ter isso centenas

hundreds and hundreds of times within

e centenas de vezes dentro

an individual silk molecule.

de uma única molécula de seda.

Silks made by the same spider can have

As sedas produzidas pela mesma aranha podem ter

dramatically different repeat sequences.

sequências de repetição muito diferentes.

At the top of the screen, you're seeing

No topo da tela, você vê

the repeat unit from the dragline silk

a unidade de repetição de seda do fio de segurança

of a garden argiope spider.

da aranha de jardim argiope.

It's short. And on the bottom,

É curta. E na base,

this is the repeat sequence for the

esta é a sequência de repetição para

egg case, or tubuliform silk protein,

o estojo de ovos, ou proteína de seda tubuliforme,

for the exact same spider. And you can see

para exatamente a mesma aranha. E você pode observar

how dramatically different

quão diferentes

these silk proteins are -- so this is

são essas proteínas de seda -- bem, este é

sort of the beauty of the diversification

um tipo de beleza da diversificação

of the spider silk gene family.

da família de genes da seda de aranha.

You can see that the repeat units differ

Você pode ver que as unidades de repetição diferem

in length. They also differ in sequence.

em comprimento. Elas também diferem na sequência.

So I've colored in the glycines again

Assim, colori novamente as glicinas

in green, alanine in red, and the serines,

em verde, alaninas em vermelho e serinas,

the letter S, in purple. And you can see

a letra S, em roxo. E você pode ver

that the top repeat unit can be explained

que a unidade de repetição no topo pode ser explicada

almost entirely by green and red,

quase inteiramente por verde e vermelho,

and the bottom repeat unit has

e a unidade de repetição na base tem

a substantial amount of purple.

uma quantia substancial de roxo.

What silk biologists do is we try to relate

O que os biólogos da seda fazem é tentarmos relacionar

these sequences, these amino acid

essas sequências, essas sequências de

sequences, to the mechanical properties

aminoácidos a propriedades mecânicas

of the silk fibers.

das fibras de seda.

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

Bem, é muito conveniente que as aranhas usem sua seda

completely outside their body.

completamente fora de seu corpo.

This makes testing spider silk really, really

Isso torna o testar a seda da aranha muito, muito

easy to do in the laboratory, because

fácil de fazer no laboratório, porque

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

estamos, na verdade, você sabe, testando-a no ar,

that's exactly the environment that

que é exatamente o ambiente em que

spiders are using their silk proteins.

as aranhas estão usando suas proteínas de seda.

So this makes quantifying silk properties by

Desta forma isso faz com que a quantificação das propriedades da seda por

methods such as tensile testing, which is

métodos como testes de tensão, que é

basically, you know, tugging on one end

basicamente, vocês sabem, puxar uma ponta

of the fiber, very amenable.

da fibra, muito levemente.

Here are stress-strain curves

Aqui estão as curvas de estresse de distensão

generated by tensile testing

geradas pelo teste de tensão de

five fibers made by the same spider.

cinco fibras produzidas pela mesma aranha.

So what you can see here is that

Assim, o que você pode ver aqui é que

the five fibers have different behaviors.

as cinco fibras têm diferentes comportamentos.

Specifically, if you look on the vertical axis,

Especificamente, se você observa o eixo vertical,

that's stress. If you look at the maximum

isso é estresse. Se você atenta para o valor máximo

stress value for each of these fibers,

de estresse para cada uma dessas fibras,

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

você pode ver que há muita variação,

and in fact dragline, or major ampullate silk,

e, de fato, o fio de segurança, ou a seda ampuliforme maior,

is the strongest of these fibers.

é a mais forte dessas fibras.

We think that's because the dragline silk,

Pensamos que é porque a seda do fio de segurança,

which is used to make the frame and radii

que é usada para fazer a estrutura e os raios

for a web, needs to be very strong.

da teia, precisa ser muito forte.

On the other hand, if you were to look at

Por outro lado, se você observar a

strain -- this is how much a fiber can be

distensão -- isso é o quanto uma fibra pode ser

extended -- if you look at the maximum value

estendida -- se você observa o valor máximo

here, again, there's a lot of variation

aqui, novamente, há muita variação

and the clear winner is flagelliform,

e a vencedora absoluta é a flageliforme,

or the capture spiral filament.

ou o filamento espiral de captura.

In fact, this flagelliform fiber can

Na verdade, esta fibra flageliforme pode

actually stretch over twice its original length.

realmente esticar até duas vezes seu comprimento original.

So silk fibers vary in their strength

Assim, as fibras de seda variam tanto na sua resistência

and also their extensibility.

quanto na sua extensibilidade.

In the case of the capture spiral,

No caso da espiral de captura,

it needs to be so stretchy to absorb

ela precisa ser tão elástica para absorver

the impact of flying prey.

o impacto da presa voadora.

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

Se ela não pudesse esticar-se tanto, então,

basically when an insect hit the web,

basicamente, quando um inseto atingisse a teia,

it would just trampoline right off of it.

ele seria lançado exatamente fora dela.

So if the web was made entirely out of

Portanto, se a rede fosse inteiramente feita da

dragline silk, an insect is very likely to just

seda do fio de segurança, é provável que o inseto

bounce right off. But by having really, really

quicasse fora. Mas porque tem uma espiral de captura

stretchy capture spiral silk, the web is actually

muito, muito elástica, a teia de fato é

able to absorb the impact

capaz de absorver o impacto

of that intercepted prey.

dessa presa interceptada.

There's quite a bit of variation within

Há alguma variação dentro

the fibers that an individual spider can make.

das fibras que uma única aranha pode produzir.

We call that the tool kit of a spider.

Chamamos a isso de caixa de ferramentas de uma aranha.

That's what the spider has

É por isso que a aranha tem

to interact with their environment.

que interagir com seu meio ambiente.

But how about variation among spider

E as variações entre as espécies de

species, so looking at one type of silk

aranhas, observar um tipo de seda

and looking at different species of spiders?

e observar diferentes espécies de aranhas?

This is an area that's largely unexplored

Essa é uma área que não é amplamente explorada,

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

mas aqui estão alguns dados que posso mostrar-lhes.

This is the comparison of the toughness

Esta é a comparação da resistência

of the dragline spilk spun

da seda do fio de segurança produzido

by 21 species of spiders.

por 21 espécies de aranhas.

Some of them are orb-weaving spiders and

Algumas delas são aranhas com teias orbiculares e

some of them are non-orb-weaving spiders.

algumas delas são aranhas com teias não orbiculares.

It's been hypothesized that

Há a hipótese de que

orb-weaving spiders, like this argiope here,

aranhas com teias orbiculares, como esta argiope aqui,

should have the toughest dragline silks

teriam as sedas do fio de segurança mais resistentes

because they must intercept flying prey.

porque devem interceptar presas que voam.

What you see here on this toughness graph

O que você vê aqui nesse gráfico de resistência

is the higher the black dot is on the graph,

é que quanto mais alto o ponto negro no gráfico,

the higher the toughness.

maior a resistência.

The 21 species are indicated here by this

As 21 espécies estão indicadas aqui por esta

phylogeny, this evolutionary tree, that shows

filogenia, essa árvore evolucionária, que mostra

their genetic relationships, and I've colored

as relações genéticas delas, e colori

in yellow the orb-web-weaving spiders.

em amarelo as aranhas que tecem teias orbiculares.

If you look right here at the two red arrows,

Se você olhar exatamente aqui nessas duas flechas vermelhas,

they point to the toughness values

elas indicam os valores de resistência

for the draglines of nephila clavipes and

para os fios de segurança da nephila clavipes e

araneus diadematus.

da araneus diadematus.

These are the two species of spiders

Estas são as duas espécies de aranhas

for which the vast majority of time and money

para as quais se destina a maior parte do tempo e do dinheiro

on synthetic spider silk research has been

empregados na pesquisa de seda de aranha sintética

to replicate their dragline silk proteins.

para replicar as proteínas de seus fios de segurança.

Yet, their draglines are not the toughest.

Entretanto, seus fios de segurança não são os mais resistentes.

In fact, the toughest dragline in this survey

Na verdade, o fio de segurança mais resistente nesta pesquisa

is this one right here in this white region,

é este, exatamente aqui nessa região branca,

a non orb-web-weaving spider.

uma aranha que tece teia não orbicular.

This is the dragline spun by scytodes,

Este é o fio de segurança tecido pela scytodes,

the spitting spider.

a aranha cuspideira.

Scytodes doesn't use a web at all

A scytodes não usa a teia

to catch prey. Instead, scytodes

para apanhar presas. Ao contrário, a scytodes

sort of lurks around and waits for prey

meio que espreita e espera pela presa

to get close to it, and then immobilizes prey

para chegar perto dela, então, imobiliza a presa,

by spraying a silk-like venom onto that insect.

espalhando um veneno parecido com seda nesse inseto.

Think of hunting with silly string.

Pense em caçar com um corda de seda.

That's how scytodes forages.

É assim que a scytodes se abastece.

We don't really know why scytodes

Nós realmente não sabemos por que a scytodes

needs such a tough dragline,

precisa de um fio de segurança tão resistente,

but it's unexpected results like this that make

mas são resultados inesperados como este que fazem

bio-prospecting so exciting and worthwhile.

a bioprospecção tão entusiasmante e valiosa.

It frees us from the constraints

Ela nos libera das limitações

of our imagination.

de nossa imaginação.

Now I'm going to mark on

Agora vou marcar

the toughness values for nylon fiber,

os valores de resistência para a fibra de náilon,

bombyx -- or domesticated silkworm silk --

bômbix -- ou seda do bicho-da-seda cultivado --

wool, Kevlar, and carbon fibers.

lã, Kevlar e fibras de carbono.

And what you can see is that nearly

E você pode ver que quase

all the spider draglines surpass them.

todos os fios de segurança das aranhas ultrapassam-nos.

It's the combination of strength, extensibility

É a combinação de força, extensibilidade

and toughness that makes spider silk so

e resistência que torna a seda da aranha tão

special, and that has attracted the attention

especial, e tem atraído a atenção

of biomimeticists, so people that turn

de biomimetistas, pessoas que se voltam

to nature to try to find new solutions.

para a natureza na tentativa de encontrar novas soluções.

And the strength, extensibility and toughness

E a força, extensibilidade e resistência

of spider silks combined with the fact that

das sedas da aranha combinadas com o fato de que

silks do not elicit an immune response,

sedas não provocam uma resposta imunológica,

have attracted a lot of interest in the use

atraíram muito o interesse no uso

of spider silks in biomedical applications,

das sedas de aranha em aplicações biomédicas,

for example, as a component of

por exemplo, como um componente de

artificial tendons, for serving as

tendões artificiais, para servir de

guides to regrow nerves, and for

guias na recuperação de nervos, e como

scaffolds for tissue growth.

armações para o crescimento de tecido.

Spider silks also have a lot of potential

As sedas das aranhas também têm muito potencial

for their anti-ballistic capabilities.

por suas propriedades antibalísticas.

Silks could be incorporated into body

As sedas poderiam ser incorporadas ao corpo

and equipment armor that would be more

e ao equipamento de blindagem que seria mais

lightweight and flexible

leve e flexível

than any armor available today.

que qualquer blindagem disponível hoje.

In addition to these biomimetic

Em acréscimo a essas aplicações

applications of spider silks,

biomiméticas das sedas das aranhas,

personally, I find studying spider silks

pessoalmente, acho o estudo das sedas das aranhas

just fascinating in and of itself.

fascinante por si mesmo.

I love when I'm in the laboratory,

Adoro quando estou no laboratório e

a new spider silk sequence comes in.

uma nova sequência de seda de aranha aparece.

That's just the best. (Laughter)

Isso é o máximo. (Risadas)

It's like the spiders are sharing

É como se as aranhas estivessem compartilhando

an ancient secret with me, and that's why

um segredo antigo comigo, e é por isso que

I'm going to spend the rest of my life

vou passar o resto de minha vida

studying spider silk.

estudando seda de aranha.

The next time you see a spider web,

Na próxima vez que você vir uma teia de aranha,

please, pause and look a little closer.

por favor, pare e olhe de perto.

You'll be seeing one of the most

Você estará observando um dos materiais

high-performance materials known to man.

de mais alto desempenho que o homem conhece.

To borrow from the writings

Tomando emprestado da literatura,

of a spider named Charlotte,

de uma aranha chamada Charlotte,

silk is terrific.

seda é sensacional.

Thank you. (Applause)

Obrigada. (Aplausos)

(Applause)

(Aplausos)