Cheryl Hayashi: The magnificence of spider silk

Tradutor: Maxwell Black Revisora: Miguel Cabral de Pinho

I'm here to spread the word about the

Estou aqui para espalhar a palavra

magnificence of spiders

sobre o esplendor das aranhas

and how much we can learn from them.

e o quanto podemos aprender com elas.

Spiders are truly global citizens.

As aranhas são verdadeiros "cidadãos do mundo".

You can find spiders in nearly

Podemos encontra-las em quase

every terrestrial habitat.

todos os ambientes na Terra.

This red dot marks

Este ponto vermelho marca

the Great Basin of North America,

a Grande Bacia da América do Norte

and I'm involved with an alpine biodiversity

onde estou envolvida num projecto de

project there with some collaborators.

biodiversidade alpina com alguns colaboradores.

Here's one of our field sites,

Este é um dos nossos campos de estudo e,

and just to give you a sense of perspective,

só para vos dar uma ideia,

this little blue smudge here,

este pequeno borrão azul

that's one of my collaborators.

é um dos meus colaboradores.

This is a rugged and barren landscape,

Esta é uma paisagem acidentada e estéril,

yet there are quite a few spiders here.

mas ainda assim existem aqui bastantes aranhas.

Turning rocks over revealed this crab spider

Revirar pedras revelou esta aranha-caranguejo

grappling with a beetle.

a lutar com um escaravelho.

Spiders are not just everywhere,

As aranhas não só estão em todo o lado

but they're extremely diverse.

como são extremamente diversas.

There are over 40,000 described species

Existem mais de quarenta mil espécies documentadas

of spiders.

de aranhas.

To put that number into perspective,

Pondo este número em perspectiva,

here's a graph comparing the 40,000

aqui está um gráfico que compara as quarenta mil

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

Existem cerca de mais duas ordens de magnitude de

spiders than primates.

aranhas que primatas.

Spiders are also extremely old.

As aranhas também são extremamente antigas.

On the bottom here,

Aqui no fundo,

this is the geologic timescale,

isto é a escala de tempo geológico

and the numbers on it indicate millions

e o número de anos indica milhões

of years from the present, so the zero here,

de anos desde o presente, portanto o zero aqui,

that would be today.

que seria hoje.

So what this figure shows is that spiders

Portanto, o que esta imagem mostra é que as aranhas

date back to almost 380 million years.

datam quase de há 380 milhões de anos.

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 a divergência temporal

of humans from chimpanzees,

entre humanos e chimpanzés,

a mere seven million years ago.

há uns meros 7 milhões de anos atrás.

All spiders make silk

Todas as aranhas fazem seda

at some point in their life.

a dada altura da sua vida.

Most spiders use copious amounts of silk,

Grande parte usa imensas quantidades de seda

and silk is essential to their survival

e esta é essencial à sua sobrevivência

and reproduction.

e reprodução.

Even fossil spiders can make silk,

Até as aranhas em fóssil conseguiam fazer seda,

as we can see from this impression of

como podemos ver nesta impressão

a spinneret on this fossil spider.

de uma fieira de uma aranha fóssil.

So this means that both spiders

Isto significa que, tanto aranhas

and spider silk have been around

como a sua seda existem

for 380 million years.

há 380 milhões de anos.

It doesn't take long from working with spiders

Trabalhando com aranhas, não demora muito

to start noticing how essential silk is

para nos apercebermos do quão essencial

to just about every aspect of their life.

é a seda em qualquer aspecto das suas vidas.

Spiders use silk for many purposes, including

As aranhas usam seda para imensos propósitos, incuindo

the trailing safety dragline,

a linha de segurança de reboque,

wrapping eggs for reproduction,

embrulhar os ovos na reprodução,

protective retreats

para criar abrigos

and catching prey.

e apanhar presas.

There are many kinds of spider silk.

Existem muitos tipos de seda de aranha.

For example, this garden spider can make

Por exemplo, esta aranha de jardim pode fazer

seven different kinds of silks.

sete tipos diferentes de seda.

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

Quando se olha para uma teia de espiral, podemos

seeing many types of silk fibers.

ver, na realidade, muitos tipos de fibra de seda.

The frame and radii of this web

Tanto a moldura como 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 a espiral de captura é um compósito

of two different silks:

de dois tipos diferentes de seda:

the filament and the sticky droplet.

o filamento e as gotas pegajosas.

How does an individual spider

Mas como é que uma única aranha

make so many kinds of silk?

consegue fazer tantos tipos de seda?

To answer that, you have to look a lot closer

Para responder a isto temos que observar muito mais de perto

at the spinneret region of a spider.

a região da fieira da aranha.

So silk comes out of the spinnerets, and for

Então, a seda sai das fieiras e,

those of us spider silk biologists, this is what

entre nós, biólogos de seda de aranha, chamamos-lhe

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

"a ponta do negócio" da aranha. (Riso)

We spend long days ...

Passamos longos dias...

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

Hey! Não se riam! É a minha vida!

(Laughter)

(Riso)

We spend long days and nights

Passamos longos dias e noites

staring at this part of the spider.

a olhar para esta parte da aranha.

And this is what we see.

E isto é o que nós vemos.

You can see multiple fibers

Podem ver múltiplas fibras

coming out of the spinnerets, because

a sair das fieiras, porque

each spinneret has many spigots on it.

cada fieira tem várias fúsulas.

Each of these silk fibers exits from the spigot,

Cada uma destas fibras sai de uma fúsula

and if you were to trace the fiber back

e, se a seguisse-mos em direcção à

into the spider, what you would find is that

aranha, o que descobriríamos era que

each spigot connects to its own individual

cada fúsula está ligada à sua glândula de

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

seda individual. Uma glândula de seda é parecida com um saco

with a lot of silk proteins stuck inside.

cheio de proteínas da seda lá dentro.

So if you ever have the opportunity to dissect

Por isso, se tiverem a oportunidade de dissecar

an orb-web-weaving spider,

uma aranha deste género,

and I hope you do,

e espero que tenham,

what you would find is a bounty

o que encontrariam era uma quantidade enorme

of beautiful, translucent silk glands.

de glândulas de seda lindas e translúcidas.

Inside each spider, there are hundreds

Dentro de cada aranha há centenas de

of silk glands, sometimes thousands.

glândulas de seda, às vezes milhares.

These can be grouped into seven categories.

Estas podem agrupar-se em sete categorias.

They differ by size, shape,

Diferem em tamanho, forma,

and sometimes even color.

e, às vezes, até na cor.

In an orb-web-weaving spider,

Numa aranha de teia em espiral podemos

you can find seven types of silk glands,

encontrar sete tipos de glândulas de seda

and what I have depicted here in this picture,

como tentei ilustrar nesta imagem.

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

Começando na posição da 1 hora

there's tubuliform silk glands, which are used

há glândulas de seda tubuliforme, que são usadas para

to make the outer silk of an egg sac.

fazer a parte de fora do saco para os ovos.

There's the aggregate and flagelliform silk

Existem as glândulas de seda de agregação e

glands which combine to make the sticky

flageliforme que se combinam para fazer a espiral

capture spiral of an orb web.

pegajosa de captura da teia.

Pyriform silk glands make the attachment

Glândulas de seda piriformes fazem o cimento --

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

esta é a seda usada para ligar os

silk lines to a substrate.

fios de seda a um substrato.

There's also aciniform silk,

Existe também a seda aciniforme,

which is used to wrap prey.

usada para enrolar as presas.

Minor ampullate silk is used in web construction.

A Seda "Minor ampullate" (ampola menor) é usada na construção de teias.

And the most studied silk line

E a linha de seda mais estudada de todas:

of them all: major ampullate silk.

a seda "ampullate major" (de ampola maior).

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

Esta é a seda utilizada para fazer a moldura

and radii of an orb web, and also

e os raios de uma teia circular e, também,

the safety trailing dragline.

o fio de segurança de reboque.

But what, exactly, is spider silk?

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

Spider silk is almost entirely protein.

A seda de aranha é quase toda feita de proteínas.

Nearly all of these proteins can be explained

Quase todas estas proteínas podem ser explicadas

by a single gene family,

por uma única família de genes.

so this means that the diversity of silk types

Isto significa que a diversidade de sedas

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

Portanto, presumivelmente o ancestral original 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

este gene único de seda duplicou-se

and then diverged, specialized,

e depois divergiu, especializou-se

over and over and over again, to get

uma e outra vez chegando

the large variety of flavors of spider silks

à imensa variedade de sedas de aranha

that we have today.

que temos hoje em dia.

There are several features that all these silks

Existem características que todas estas sedas

have in common. They all have a common

possuem em comum. Todas têm

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

um design comum, tal como serem todas muito longas --

they're sort of outlandishly long

são cadeias extremamente longas

compared to other proteins.

comparadas com outras proteínas.

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

São muito repetitivas e muito ricas em

in the amino acids glycine and alanine.

aminoácidos de glicina e de alanina.

To give you an idea of what

Para terem uma noção do aspecto

a spider silk protein looks like,

de como é uma proteína da seda de aranha

this is a dragline silk protein,

esta é uma proteína de seda de reboque,

it's just a portion of it,

é apenas uma porção dela,

from the black widow spider.

da aranha viúva negra.

This is the kind of sequence that I love

Este é o tipo de sequência que eu adoro

looking at day and night. (Laughter)

observar todos os dias. (Riso)

So what you're seeing here is the one letter

O que aqui vêm é a letra de abreviação

abbreviation for amino acids, and I've colored

de aminoácidos e eu pintei

in the glycines with green,

as Glicinas a verde e

and the alanines in red, and so

as Alaninas a vermelho. Portanto,

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

podem ver que são muitos "G"s e "A"s

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

Também podem ver que existem muitas sequências

sequence motifs that repeat over and over

pequenas que se repetem muitas e muitas vezes.

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

Por exemplo, existe muito do que

what we call polyalanines, or iterated A's,

chamamos poli-alaninas, ou "A"s seguidos,

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

AAAAA. Existem GGQ, ali está GGY.

You can think of these short motifs

Podem pensar nestas pequenas sequências

that repeat over and over again as words,

que se repetem muitas vezes como palavras

and these words occur in sentences.

que aparecem em frases.

So for example this would be one sentence,

Por exemplo, esta seria uma frase

and you would get this sort of green region

e temos esta espécie de região verde

and the red polyalanine, that repeats

e as poli-alaninas vermelhas que se

over and over and over again,

repetem vezes e vezes sem conta,

and you can have that hundreds and

e podemos ter isto centenas e

hundreds and hundreds of times within

centenas e centenas de vezes dentro de

an individual silk molecule.

uma única molécula de seda.

Silks made by the same spider can have

Sedas feitas pela mesma aranha podem ter

dramatically different repeat sequences.

sequências repetidas substancialmente diferentes.

At the top of the screen, you're seeing

Podem ver, no topo da imagem,

the repeat unit from the dragline silk

a unidade que se repete numa seda de reboque

of a garden argiope spider.

de uma aranha de jardim.

It's short. And on the bottom,

É pequena e no fundo da imagem

this is the repeat sequence for the

está a sequência repetida para o

egg case, or tubuliform silk protein,

invólucro do ovo, ou proteína da seda tubuliforme

for the exact same spider. And you can see

para a mesma aranha. Podem ver

how dramatically different

a dramática diferença entre

these silk proteins are -- so this is

estas duas proteínas. Esta é

sort of the beauty of the diversification

a beleza da diversificação da família

of the spider silk gene family.

do gene da seda das aranhas.

You can see that the repeat units differ

Podem ver que as unidades repetidas diferem em

in length. They also differ in sequence.

comprimento. Também diferem na sequência.

So I've colored in the glycines again

Agora pintei outra vez as Glicinas a verde,

in green, alanine in red, and the serines,

as Alaninas a vermelho e as Serinas,

the letter S, in purple. And you can see

a letra S, em roxo. E podem ver

that the top repeat unit can be explained

que a unidades repetidas de cima

almost entirely by green and red,

são quase sempre verdes e vermelhas

and the bottom repeat unit has

e as unidades repetidas no fundo têm

a substantial amount of purple.

uma quantidade substancial de roxo.

What silk biologists do is we try to relate

O que os biólogos fazem é tentar relacionar

these sequences, these amino acid

estas sequências de aminoácidos

sequences, to the mechanical properties

com as propriedades mecânicas das

of the silk fibers.

fibras da seda.

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

É muito conveniente que as aranhas usem a seda

completely outside their body.

completamente fora do seu corpo.

This makes testing spider silk really, really

Isto torna o teste da seda muito, muito

easy to do in the laboratory, because

fáceis de fazer em laboratório, porque

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

estamos a testá-las expostas ao ar

that's exactly the environment that

que é o mesmo ambiente em que as

spiders are using their silk proteins.

aranhas usam as suas proteínas da seda.

So this makes quantifying silk properties by

Isto torna a quantificação das suas propriedades

methods such as tensile testing, which is

por métodos como o teste à tensão onde,

basically, you know, tugging on one end

basicamente, se puxa numa das pontas

of the fiber, very amenable.

da fibra, muito delicado.

Here are stress-strain curves

Aqui estão curvas de tensão

generated by tensile testing

geradas por testes tênseis

five fibers made by the same spider.

a cinco fibras feitas pela mesma aranha.

So what you can see here is that

O que podem ver aqui é que as

the five fibers have different behaviors.

cinco fibras têm comportamentos diferentes.

Specifically, if you look on the vertical axis,

Especificamente, se olharem para o eixo vertical,

that's stress. If you look at the maximum

aquilo é a tensão. Se virem o valor

stress value for each of these fibers,

de tensão máximo para cada uma destas fibras

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

podem ver que existe muita variação

and in fact dragline, or major ampullate silk,

e, na verdade, a seda de reboque ou "ampullate major" (maior ampola)

is the strongest of these fibers.

é a mais forte destas fibras.

We think that's because the dragline silk,

Pensamos que isto acontece porque esta seda

which is used to make the frame and radii

que é usada para fazer a moldura 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 olhassem para a

strain -- this is how much a fiber can be

deformação -- isto é quanto uma fibra pode ser

extended -- if you look at the maximum value

esticada -- se olharem para o valor máximo aqui,

here, again, there's a lot of variation

mais uma vez, também há muita variação

and the clear winner is flagelliform,

e a clara vencedora é a flageliforme

or the capture spiral filament.

ou a fibra usada na espiral de captura.

In fact, this flagelliform fiber can

Na verdade, esta fibra flageliforme consegue

actually stretch over twice its original length.

esticar-se até ao dobro do seu comprimento original.

So silk fibers vary in their strength

Assim, as fibras de seda variam na sua

and also their extensibility.

resistência e na sua extensibilidade.

In the case of the capture spiral,

No caso da espiral de captura,

it needs to be so stretchy to absorb

precisa ser extensível para absorver o

the impact of flying prey.

impacto da presa voadora.

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

Se não fosse capaz de esticar tanto,

basically when an insect hit the web,

quando um insecto batesse na teia

it would just trampoline right off of it.

seria projectado dela, tipo trampolim.

So if the web was made entirely out of

Portanto, se a teia fosse feita toda de

dragline silk, an insect is very likely to just

seda de reboque, um insecto iria muito provavelmente

bounce right off. But by having really, really

ressaltar da teia. Mas, ao ter esta espiral muito, muito

stretchy capture spiral silk, the web is actually

flexível, a teia é capaz de

able to absorb the impact

absorver o impacto causado

of that intercepted prey.

pela presa em voo.

There's quite a bit of variation within

Existem bastantes variações de entre

the fibers that an individual spider can make.

as fibras que uma única aranha pode produzir.

We call that the tool kit of a spider.

Chamamos-lhe o "cinto de ferramentas" da aranha.

That's what the spider has

É o que a aranha tem

to interact with their environment.

para interagir com o seu ambiente.

But how about variation among spider

Então e as variações entre as espécies de

species, so looking at one type of silk

aranha, ao olhar para um tipo de seda

and looking at different species of spiders?

e ao olhar para outro em espécies diferentes de aranha?

This is an area that's largely unexplored

Esta é uma área bastante inexplorada

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

mas aqui está um pouco de dados que vos posso mostrar.

This is the comparison of the toughness

Esta é a comparação entre a resistência

of the dragline spilk spun

da seda de reboque fiada por

by 21 species of spiders.

21 espécies de aranha.

Some of them are orb-weaving spiders and

Algumas destas aranhas fazem teias

some of them are non-orb-weaving spiders.

em espiral, outras não.

It's been hypothesized that

Existe a hipótese de que as

orb-weaving spiders, like this argiope here,

aranhas de teia em espiral, como esta Argiope,

should have the toughest dragline silks

devem ter as sedas de reboque mais fortes

because they must intercept flying prey.

pois têm que interceptar as presas em voo.

What you see here on this toughness graph

O que vêem aqui neste gráfico de resistência

is the higher the black dot is on the graph,

é que quanto mais alto o ponto preto

the higher the toughness.

mais resistente é a seda.

The 21 species are indicated here by this

As 21 espécies são indicadas por esta

phylogeny, this evolutionary tree, that shows

filogenia, esta árvore evolutiva, que mostra

their genetic relationships, and I've colored

a sua relação genética e pintei a

in yellow the orb-web-weaving spiders.

amarelo as que fazes teias em espiral.

If you look right here at the two red arrows,

Se olharem aqui para as duas setas vermelhas,

they point to the toughness values

elas apontam para os valores de resistência

for the draglines of nephila clavipes and

da seda de reboque da nephila clavipes e a

araneus diadematus.

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

onde a maioria do tempo e dinheiro para

on synthetic spider silk research has been

pesquisa de seda sintética foram aplicados

to replicate their dragline silk proteins.

para copiar as proteínas usadas na seda de reboque.

Yet, their draglines are not the toughest.

Mas as suas sedas de reboque não são as mais resistentes.

In fact, the toughest dragline in this survey

Na verdade, a seda de reboque mais resistente da pesquisa

is this one right here in this white region,

é esta aqui, nesta região branca,

a non orb-web-weaving spider.

uma aranha sem teia em espiral.

This is the dragline spun by scytodes,

Esta é a seda de reboque fiada pela scytodes,

the spitting spider.

a aranha cuspideira.

Scytodes doesn't use a web at all

A Scytodes não usa uma teia, de todo,

to catch prey. Instead, scytodes

para apanhar presas. Em vez disso, a Scytodes

sort of lurks around and waits for prey

como que atrai e espera que a presa

to get close to it, and then immobilizes prey

se aproxime e, depois, imobiliza-a

by spraying a silk-like venom onto that insect.

pulverizando-a com um veneno na forma de seda.

Think of hunting with silly string.

É como caçar com serpentinas pegajosas.

That's how scytodes forages.

É assim que a scytodes caça.

We don't really know why scytodes

Não sabemos exactamente porque é

needs such a tough dragline,

que ela precisa de uma seda de reboque tão forte mas

but it's unexpected results like this that make

são resultados inesperados como este que

bio-prospecting so exciting and worthwhile.

fazem da pesquisa biológica tão excitante e valiosa.

It frees us from the constraints

Liberta-nos dos limites

of our imagination.

da nossa imaginação.

Now I'm going to mark on

Agora vou marcar os valores

the toughness values for nylon fiber,

de resistência da fibra de nylon,

bombyx -- or domesticated silkworm silk --

a "bombyx" -- ou a seda dos bichos-da-seda domesticados --

wool, Kevlar, and carbon fibers.

lã, Kevlar e fibras de carbono.

And what you can see is that nearly

O que podem ver é que quase todas

all the spider draglines surpass them.

as sedas de reboque de aranha são mais fortes.

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 de aranha tão

special, and that has attracted the attention

especial e que tanto atrai a atenção dos

of biomimeticists, so people that turn

biomimeticistas, ou seja das pessoas que olham para

to nature to try to find new solutions.

a natureza para tentar encontrar novas soluções.

And the strength, extensibility and toughness

E a força, a extensibilidade e a resistência

of spider silks combined with the fact that

das sedas de aranha combinadas com o facto

silks do not elicit an immune response,

destas não desencadearem uma resposta imunológica

have attracted a lot of interest in the use

que tem atraído muito do interesse em usar

of spider silks in biomedical applications,

as sedas de aranhas na biomedicina,

for example, as a component of

por exemplo, como um componente de

artificial tendons, for serving as

tendões artificiais que servem como

guides to regrow nerves, and for

guias para a regeneração de nervos e

scaffolds for tissue growth.

como andaimes para o crescimento dos tecidos.

Spider silks also have a lot of potential

As sedas de aranhas também têm muito potencial

for their anti-ballistic capabilities.

pelas suas capacidades antibalísticas.

Silks could be incorporated into body

As sedas podem ser incorporadas em

and equipment armor that would be more

armaduras e equipamento de modo a serem

lightweight and flexible

mais leves e flexíveis

than any armor available today.

do que qualquer protecção existente.

In addition to these biomimetic

Para além destas aplicações da biomimética

applications of spider silks,

das sedas de aranha,

personally, I find studying spider silks

pessoalmente, acho que o estudo da seda

just fascinating in and of itself.

é simplesmente fascinante só por si.

I love when I'm in the laboratory,

Adoro estar no laboratório quando

a new spider silk sequence comes in.

chega uma nova sequência de seda.

That's just the best. (Laughter)

É do melhor que pode haver. (Riso)

It's like the spiders are sharing

É como se as aranhas partilhassem

an ancient secret with me, and that's why

um antigo segredo comigo e é por isso

I'm going to spend the rest of my life

que vou passar o resto da minha vida a

studying spider silk.

estudar a seda de aranha.

The next time you see a spider web,

Da próxima vez que virem uma teia,

please, pause and look a little closer.

por favor, parem e olhem-na mais de perto.

You'll be seeing one of the most

Estão a ver um dos materiais com

high-performance materials known to man.

melhor desempenho conhecidos até hoje.

To borrow from the writings

Como dizia uma aranha no livro

of a spider named Charlotte,

"A teia de Charlotte" (por E. B. White)

silk is terrific.

"A seda é espectacular!"

Thank you. (Applause)

Obrigado. (Aplausos)

(Applause)

(Aplausos)