Cheryl Hayashi: La magnificencia de la seda de araña

Estoy aquí para difundir el mensaje sobre la magnificencia de las arañas y lo mucho que podemos aprender de ellas. Las arañas son verdaderas ciudadanas globales. Se pueden encontrar arañas en casi todos los hábitats terrestres. Este punto rojo señala la Gran Cuenca de América del Norte, y allí estoy involucrada en un proyecto sobre biodiversidad alpina, con algunos colaboradores. Aquí tenemos uno de nuestros campos, y solo para darles un sentido de perspectiva, esta pequeña mancha azul aquí, es uno de mis colaboradores. Es un paisaje agreste y árido, aún así aquí hay unas cuantas arañas. Al mover las piedras apareció esta araña cangrejo enfrentándose con un escarabajo.

Las arañas no solo están en todas partes, sino que existe una gran diversidad. Hay más de 40.000 especies de arañas descritas. Para poner ese número en perspectiva, aquí muestro un gráfico que compara las 40.000 especies de arañas con las 400 especies de primates. Hay dos órdenes de magnitud más de arañas que de primates. Las arañas también son extremadamente arcaicas. Aquí abajo, vemos la escala de tiempo geológico, y los números indican millones de años desde el presente, así que la zona cero de aquí, sería hoy. Lo que esta figura muestra es que las arañas se remontan a casi 380 millones de años. Para poner eso en perspectiva, esta barra vertical de color rojo muestra la divergencia de tiempo de los humanos desde los chimpancés, a tan solo siete millones de años atrás.

Todas las arañas hacen seda en algún momento de sus vidas. La mayoría de arañas usan grandes cantidades de seda, y la seda es esencial para su supervivencia y reproducción. Incluso las arañas fósiles producían seda, como podemos ver en esta imagen de una hilera de esta araña fósil. Eso significa que ambas, arañas y seda de araña, han existido desde hace 380 millones de años. Tras empezar a trabajar con arañas, no se necesita mucho tiempo, para notar lo esencial que es la seda para casi todos los aspectos de sus vidas. Las arañas usan la seda para múltiples propósitos, Incluido para hacer la red de amarre, así como envolver los huevos para la reproducción con fines protectores y para atrapar presas.

Hay muchos tipos de seda de araña. Por ejemplo, esta araña de jardín puede hacer siete tipos diferentes de seda. Cuando miran esta tela de araña, en realidad ven muchos tipos de fibras de seda. El marco y los radios de esta tela de araña se componen de un solo tipo de seda, mientras que la espiral de captura está compuesta de dos sedas diferentes: el filamento y la gota pegajosa. ¿Cómo una sola araña produce tantos tipos de seda? Para responder, tienen que mirar mucho más de cerca en la región de la hilera de una araña. Entonces la seda sale de las hileras, y para nosotros los biólogos de seda de arañas, esto es lo que llamamos "el fin del negocio" de la araña. (Risas) Pasamos largos días... Pero, no se rían. Esa es mi vida. (Risas) Pasamos largos días y noches observando esta parte de la araña. Y esto es lo que vemos. Se pueden ver múltiples fibras saliendo de las hileras, porque cada hilera tiene muchas espigas. Cada una de estas fibras de seda existe desde la espiga, y si siguieran el rastro de la fibra hasta la araña, lo que encontrarán es que cada espiga se conecta con su propia glándula de seda. Una glándula de seda se ve como un saco con muchas proteínas de seda dentro. Así, si tienen la oportunidad de analizar un tejido de tela de araña y espero que la tengan, lo que encontrarán es una abundancia de hermosas y translucientes glándulas de seda.

Dentro de cada araña, hay cientos de glándulas de seda, a veces miles. Pueden agruparse en siete categorías. Difieren en tamaño, forma, y a veces hasta en color. En un tejido de tela de araña, pueden encontrarse siete tipos de glándulas de seda, y lo que he descrito en esta foto, empecemos en la posición de la una en punto, hay glándulas tubuliformes usadas para hacer la seda externa de un saco de huevos. Hay glándulas de seda flageliformes y las agregadas que se combinan para hacer la espiral pegajosa de captura de una telaraña. Las glándulas piriformes hacen el cemento de unión, es la seda que se usa para adherir las líneas de seda a un substrato. También hay seda aciniforme usada para envolver la presa. La seda ampulácea menor se usa en la construcción de la tela. Y la línea de seda más estudiada de todas: la seda ampulácea mayor. Es la seda que se utiliza para hacer el marco y los radios de una telaraña, y también la red de amarre.

Pero, ¿qué es exactamente la seda de araña? La seda de araña se compone casi íntegramente de proteínas. Casi todas esas proteínas se explican por una familia de genes individuales, lo que significa que la diversidad de los tipos de seda que vemos hoy se codifican en una familia de genes, así que probablemente la araña ancestro original produjo un tipo de seda, y en los últimos 380 millones de años, ese gen de seda se ha duplicado y luego dividido, especializado, una y otra vez, para obtener la gran variedad de clases de seda de araña que tenemos hoy. Existen varias características que todas esas sedas tienen en común. Todas tienen un diseño común, como por ejemplo, que son todas muy largas, considerablemente largas comparadas con otras proteínas. Son muy repetitivas y muy ricas en los aminoácidos glicina y alanina. Para darles una idea de cómo es la proteína de la seda de araña, esta es la la proteína de la seda de amarre, es solo una porción, proveniente de la araña viuda negra. Es la clase de secuencia que me encanta mirar día y noche. (Risas)

Así que lo que ven aquí es la abreviación para aminoácidos en una sola letra, y he coloreado las glicinas de verde, y las alaninas de rojo, por eso se ven muchas Ges y Aes. Se ven también muchos elementos de secuencias cortas que se repiten una y otra vez así que por ejemplo hay mucho de lo que llamamos polialaninas, o Aes reiteradas, AAAAA. Hay GGQ. Hay GGY. Pueden pensar en estos elementos cortos que se repiten una y otra vez como palabras, y estas palabras aparecen en oraciones. Por ejemplo, ésta sería una oración, y obtendrían esta región verde y la polialanina roja, que se repite una y otra vez, y pueden tener esos cientos y cientos y cientos de veces en una sola molécula de seda.

Las sedas producidas por la misma araña pueden tener secuencias de repetición drásticamente diferentes. En la parte superior de la pantalla, ven la unidad de repetición de la seda del hilo de amarre de una araña de jardín Argiope. Es corta. Y abajo, la secuencia de repetición para el caso del huevo, o la proteína tubuliforme de la seda, de la misma araña. Y pueden ver cuán radicalmente diferentes son estas proteínas de seda; ésta es la belleza de la diversificación de la familia genética de la seda de araña. Pueden ver que las unidades de repetición difieren en duración. También difieren en secuencia. Así que he coloreado las glicinas otra vez en verde, alaninas en rojo, y las serinas, la letra S, en morado. Y pueden ver que la unidad de repetición en la parte superior puede explicarse enteramente por el verde y el rojo, y la unidad de repetición tiene una cantidad sustanciosa de morado. Lo que los biólogos de seda hacemos es tratar de relacionar estas secuencias de aminoácidos, a las propiedades mecánicas de las fibras de seda.

Así que, es muy conveniente que las arañas usen su seda completamente fuera del cuerpo. Esto hace que las pruebas de seda de araña sean muy fáciles de hacer en el laboratorio, porque las probamos en el aire, ya saben, es exactamente el ambiente en que las arañas usan sus proteínas de seda. Esto hace que la cuantificación las propiedades de la seda a través de métodos tales como ensayos de tracción, que básicamente es tirar de un extremo de la fibra sea muy favorable. Aquí hay curvas de tensión-deformación generadas por los ensayos de tracción de cinco fibras producidas por la misma araña. Así que lo que pueden ver aquí es que las cinco fibras tienen diferentes comportamientos. Específicamente, si miran los ejes verticales, eso es estrés. Si miran el valor máximo de estrés para cada una de estas fibras, verán que hay mucha variación, y de hecho la seda del hilo de amarre, o seda ampulácea mayor, es la más fuerte de estas fibras. Pensamos que es porque la seda del hilo de amarre, usada para hacer marcos y radios para una tela de araña, debe ser fuerte.

Por otro lado, si miraran la tensión, esto es, lo mucho que una fibra puede extenderse, si miran el valor máximo aquí, nuevamente, hay mucha variación y el ganador claramente es el flageliforme, o el filamento de la espiral de captura. De hecho, esta fibra flageliforme puede estirarse el doble de su longitud original. Así que las fibras de seda varían en su fuerza y también en su extensibilidad. En el caso de la espiral de captura, debe ser muy elástica para absorber el impacto de presas voladoras. Si no fuera capaz de estirarse tanto, entonces básicamente cuando un insecto impactara contra la tela de araña, simplemente saltaría fuera de ella. Así que si la tela de araña se hiciera enteramente de seda de hilo de amarre, un insecto probablemente rebotaría enseguida. Pero siendo una espiral de captura muy elástica, la tela de araña es capaz de absorber el impacto de la presa interceptada.

Hay bastante variación entre las fibras que una sola araña puede producir. Llamamos eso el kit de herramientas de una araña. Lo que la araña tiene para interactuar con su ambiente. Pero, ¿qué pasa con la variación entre las especies de arañas, si se observa un tipo de seda y diferentes especies de seda? Esta es un área en gran parte inexplorada pero aquí hay un poco de información que les mostraré. Esta es la comparación de la resistencia de la seda del hilo de amarre tejida por 21 especies de arañas. Algunas son arañas tejedoras y algunas no son arañas tejedoras. Se ha especulado que las arañas tejedoras, como la Argiope aquí, deberían tener las sedas del hilo de amarre más resistentes porque interceptan las presas voladoras. Lo que ven aquí en este gráfico de dureza es que mientras más alto está el punto negro en el gráfico, hay más dureza.

Las 21 especies están indicadas por esta filogenia, este árbol evolutivo, que muestra sus relaciones genéticas, y he coloreado en amarillo las arañas tejedoras. Si miran las dos flechas rojas, señalan los valores de dureza del hilo de amarre de la nephila clavipes y de la araneus diadematus. Estas son dos especies de arañas en las que, la mayor parte del tiempo y dinero invertido en investigaciones sobre la seda de araña sintética, ha sido para imitar las proteínas de la seda del hilo de amarre. Aún así, sus hilos de amarre no son los más fuertes. De hecho, el hilo de amarre más resistente en esta encuesta, está aquí en la región blanca, una araña no tejedora. Es el hilo de amarre tejido por las scytodes, la araña escupidora. Las scytodes no usan una tela de araña para atrapar sus presas. En cambio, las scytodes acechan y esperan a que sus presas se acerquen a ellas, y luego las inmovilizan rociándoles un veneno similar a la seda. Piensen en cazar con una cuerda tonta. Así es como las scytodes buscan comida. Realmente no sabemos por qué las scytodes necesitan un hilo de amarre tan fuerte, pero son resultados inesperados como éste, lo que hace tan excitante y valiosa la bioprospección. Nos libera de las limitaciones de nuestra imaginación.

Ahora marcaré los valores más resistentes de la fibra de nailon, fibroína, seda de los gusanos de seda de granja, lana, Kevlar y fibras de carbono. Y lo que ven es que casi todos los hilos de amarre de las arañas los sobrepasan. Es la combinación de fuerza, extensibilidad y resistencia que hacen a la seda de araña tan especial, lo que ha atraído la atención de los biomimeticistas, las personas que recurren a la naturaleza para encontrar nuevas soluciones. Y la fuerza, extensibilidad y resistencia de las sedas de arañas combinadas con el hecho de que las sedas no provocan una respuesta inmune, ha atraído gran interés en el uso de la seda de araña en aplicaciones biomédicas, por ejemplo, como componente de tendones artificiales, para servir como guías para regenerar nervios, y para las estructuras para el crecimiento del tejido.

Las sedas de arañas también tienen mucho potencial por su capacidad antibalística. La seda podría incorporarse en el cuerpo y en el equipo de una armadura que sería más ligera y flexible que cualquier armadura disponible hoy en día. Además de estas aplicaciones biomiméticas de las sedas de arañas, personalmente pienso que estudiar las sedas de arañas es fascinante. Me encanta cuando estoy en el laboratorio, y aparece una nueva secuencia de seda. Es lo mejor. (Risas) Es como si las arañas estuvieran compartiendo un secreto antiguo conmigo, y es por eso que pasaré el resto de mi vida estudiando la seda de araña. La próxima vez que vean una tela de araña, por favor, deténganse y mírenla un poco más de cerca. Verán uno de los materiales de mejor funcionamiento conocidos por el ser humano. Tomando prestado de los escritos de una araña llamada Charlotte, la seda es genial.

Gracias. (Aplausos)

(Aplausos)