Cheryl Hayashi: Suurenmoinen hämähäkinseitti

Tulin tänne levittämään sanaa hämähäkkien suurenmoisuudesta, ja siitä, kuinka paljon niiltä on opittavaa. Hämähäkit ovat aitoja maailmankansalaisia. Niitä voi löytää lähes kaikista maanpäällisistä ympäristöistä. Punaisen täplän kohdalla on Great Basin Pohjois-Amerikassa, ja osallistun siellä alpiinisen vyöhykkeen monimuotoisuutta tutkivaan projektiin. Tässä on yksi tutkimuskentistämme, ja antaakseni mittakaavaa, tämä sininen pikku täplä on yksi työtovereistani. Maisema on karun hedelmätöntä, mutta siellä on aika paljon hämähäkkejä. Kivien alta paljastui tämän rapuhämähäkin ja kovakuoriaisen painiottelu.

Hämähäkkejä ei pelkästään löydy joka puolelta, ne ovat myös äärimmäisen erilaisia. Hämähäkkilajeja tunnetaan yli 40 000. Antaakseni mittakaavaa numerolle, tässä kaaviossa verrataan 40 000 hämähäkkilajia 400 kädellislajiin. Hämähäkkejä on 100 kertaa enemmän kuin kädellisiä. Hämähäkit ovat myös suunnattoman vanhoja. Kuvan alaosa esittää geologista aikaa, ja numerot miljoonia vuosia, nollan tarkoittaessa tätä päivää. Kuvio osoittaa, että hämähäkit ovat peräisin miltei 380 miljoonan vuoden takaa, Antaakseni taas mittakaavan, punainen pystyviiva kuvaa aikaa, jolloin ihmiset ja simpanssit eriytyivät toisistaan, vain seitsemän miljoonaa vuotta sitten.

Kaikki hämähäkit kehräävät seittiä jossain vaiheessa elämäänsä. Useimmat hämähäkit käyttävät seittiä ylen määrin, ja seitti on olennaisen tärkeä niiden selviytymiselle ja lisääntymiselle. Jopa hämähäkkifossiilit voivat tehdä seittiä, mikä näkyy tästä fossiilihämähäkin kehruunystyn jäljestä. Sekä hämähäkit että seitti ovat olleet olemassa 380 miljoonaa vuotta. Kun työskentelee hämähäkkien parissa, huomaa pian, miten elintärkeää seitti on miltei kaikelle niiden elämässä. Hämähäkit käyttävät seittiä moniin tarkoituksiin: riippuvaan turvarihmaan, munien koteloimiseen, turvapaikkoihin, ja saalispyydyksiin.

Seittilaatuja on useita. Esimerkiksi tämä ristihämähäkki voi tehdä seitsemää eri laatua. Tässä ratasverkossa näkee oikeastaan monta seittikuitutyyppiä. Verkon kehys- ja sädelangat ovat yhtä seittilaatua, kun taas pyydysspiraali koostuu kahden laadun yhdistelmästä: rihmasta ja tahmeasta pisarasta. Miten sama yksi yksilö tekee niin monenlaista seittiä? Sen selvittämiseksi täytyy katsoa tarkemmin hämähäkin kehruunystyjen seutua. Seitti purkautuu kehruunystyistä, ja meille seittibiologeille tuo seutu on hämähäkin "bisnespuoli". (Naurua) Käytämme päiväkausia... Hei! Älkää naurako. Tämä on elämääni. (Naurua) Tuijottelemme yötä päivää tuota hämähäkin osaa. Ja tällaista näemme. Lukuisat kuidut tulevat ulos kehruunystyistä, koska kaikissa nystyissä on pikku putkia. Jokainen silkkikuitu tulee putkesta, ja jos kuitua voisi seurata hämähäkin sisään, huomaisi kunkin reiän johtavan ikiomaan kehruurauhaseensa. Rauhanen on näyttää säkiltä, johon on sullottu paljon seittiproteiinia. Jos teillä on joskus tilaisuus leikata auki verkkoa kutova hämähäkki, mitä todella toivon, löytäisitte koko joukon kauniita, läpikuultavia kehruurauhasia.

Jokaisessa hämähäkissä on satoja rauhasia, joskus tuhansia. Ne voi ryhmitellä seitsemään luokkaan. Ne eroavat kooltaan ja muodoltaan, joskus jopa väriltään. Ratasverkkoja kutovien rauhaset ovat seitsemää eri tyyppiä, ja niitä esittelen tässä kuvassa. Lähdetään liikkeelle kello yhdestä, tubuliform-rauhasista, joista punotaan munasäkin ulkopinta. Aggregate- ja flagelliform-seittirauhaset tekevät yhdessä verkon tahmean pyydysspiraalin. Pyriform-rauhaset valmistavat liima-aineen --- seitin, jota käytetään kiinnittämään rihmat alustaan. Aciniform-seittiä käytetään saaliin paketointiin. Minor ampullate -seittiä käytetään verkkorakenteissa. Eniten tutkittu seittirihma on major ampullate, josta tehdään ratasverkon kehys ja säteet sekä riippuva turvarihma.

Mitä hämähäkinseitti varsinaisesti on? Se on miltei kokonaan proteiinia. Lähes kaikki nämä proteiinit voi selittää yhden geeniperheen avulla, mikä tarkoittaa, että nykyinen seittityyppien monimuotoisuus on yhden geeniperheen koodaama, joten oletettavasti hämähäkkien esi-isä kehräsi yhtä seittilaatua, ja 380 miljoonan vuoden kuluessa tuo yksi seittigeeni on kahdentunut ja eriytynyt, erikoistunut yhä uudelleen ja uudelleen päätyen seittien laajaan nykykirjoon. Kaikilla näillä seiteillä on monia yhteisiä piirteitä. Niillä on sama muotoilu, valtava pituus -- ne ovat ällistyttävän pitkiä muihin proteiineihin verrattuna. Niissä on paljon toistoa ja hyvin runsaasti glysiini- ja alaniini-aminohappoja. Jotta saisitte käsityksen, miltä seittiproteiini näyttää, tässä on tukilangan proteiini, vain osa siitä, mustaleskihämähäkiltä. Rakastan tällaisen sekvenssin tutkimista öin päivin. (Naurua)

Tässä näette kirjainlyhenteet aminohapoille, glysiinit vihreällä, ja alaniinit punaisella, joten tässä on vain paljon G- ja A-kirjaimia. Voi myös nähdä, että monien lyhyiden sekvenssien teemat toistuvat yhä uudelleen ja uudelleen, kuten esimerkiksi monet niin sanotut polyalaniinit eli kertautuvat A-kirjaimet, AAAAA. Samoin GGQ ja GGY. Näitä lyhyitä teemoja, jotka toistuvat yhä uudelleen, voi pitää sanoina, ja nämä sanat esiintyvät lauseissa. Esimerkiksi tämä olisi yksi lause, jossa olisi tavallaan vihreä alue ja punainen polyalaniini, joka toistuu toistumistaan, ja voi esiintyä monia satoja kertoja yksittäisessä seittimolekyylissä.

Saman hämähäkin seiteillä voi olla täysin erilaisia toistojaksoja. Ylhäällä näkyy Argiope-sukuun kuuluvan tarhahämähäkin tukilangan toistojakso. Se on lyhyt. Alhaalla on toistuva sekvenssi munakotelon putkimaisesta seittiproteiinista, täsmälleen samalta hämähäkiltä. Näkee, kuinka täysin erilaisia nämä proteiinit ovat -- jonkinlaista erilaistumisen kauneutta hämähäkin seitin geeniperheessä. Toistojaksojen pituudet ja sekvenssit vaihtelevat. Glysiinit on merkitty vihreällä, alaniinit punaisella, ja seriinit liilalla S:llä. Voi huomata, että ylempi toistojakso koostuu miltei kokonaan vihreästä ja punaisesta, ja alemmassa jaksossa on aika lailla liilaa. Seittibiologit yrittävät ymmärtää näiden aminohapposekvenssien yhteyden seittikuitujen mekaanisiin ominaisuuksiin.

On todella kätevää, että hämähäkit käyttävät seittiänsä vain ruumiinsa ulkopuolella. Näin seitin testaaminen on todella, todella helppoa laboratoriossa, koska itse asiassa testaamme sitä ilmassa, juuri siinä ympäristössä, missä hämähäkit seittiproteiinejaan käyttävät. Näin seittiproteiinien ominaisuuksien määrittämiseen soveltuu hyvin esimerkiksi vetokoe, joka on pohjimmiltaan kuidun toisesta päästä vetämistä. Nämä jännitys-venymäkäyrät on saatu vetokokeilla saman hämähäkin viidestä eri kuidusta. Kuten näkyy, nuo viisi kuitua käyttäytyvät eri tavoin. Erityisesti, jos katsoo pystyakselilta jännitystä. Kunkin kuidun maksimaalisia jännitysarvoja katsoessaan, voi havaita suurta vaihtelua, ja itse asiassa tukilanka, major ampullate -seitti, on näistä kuiduista vahvinta. Luultavasti siksi, että tämän seitin, jota käytetään verkon kehys- ja sädelankojen tekemiseen, täytyy olla hyvin vahvaa.

Toisaalta, jos katsoo venymiskykyä -- kuinka pitkäksi kuidun voi venyttää -- huomaa tässäkin maksimiarvojen vaihtelevan suuresti. Selkeä voittaja on pyydysspiraalin siimamainen kuitu. Itse asiassa tämä kuitu voi venyä oman mittansa verran. Seittikuitujen vahvuus ja venytettävyys vaihtelee. Pyydysspiraalin on oltava niin joustavaa voidakseen kestää lentävän saaliin iskun. Jos se ei joustaisi kunnolla, hyönteisen osuessa verkkoon, se pompauttaisi saaliin pois kuin trampoliini. Jos verkko koostuisi pelkästä tukilangasta, hyönteinen todennäköisesti kimmahtaisi ulos. Koska pyydysseitti on todella, todella venyvää, verkko pystyy absorboimaan kaappaamansa saaliin törmäysenergian.

Yksittäisen hämähäkin kehräämät kuidut vaihtelevat aika lailla. Puhutaan hämähäkin työkalupakista. Sen avulla hämähäkki voi olla vuorovaikutuksessa ympäristöönsä. Entä vaihtelu hämähäkkilajien välillä, kun tutkitaan eri hämähäkkilajien samaa seittityyppiä? Tätä aluetta on tutkittu vähän, mutta pieniä tiedonmurusia voin antaa. Tässä vertaillaan 21 hämähäkkilajin kehräämän tukilangan lujuutta. Jotkut niistä kutovat verkon, toiset taas eivät. Hypoteesina on ollut, että verkonkutojilla, kuten tällä tarhahämähäkillä, pitäisi olla lujimmat tukilangat, koska niiden on napattava lentävä saalis. Mitä korkeammalla lujuuskuviossa musta piste on, sen parempi lujuus.

Tässä 21 lajia on merkitty fylogeneettisen, evolutiivisen puun avulla, josta näkyy lajien geneettiset suhteet. Olen merkinnyt verkonkutojat keltaisella. Punaiset nuolet osoittavat tukilankojen lujuusarvot lajeille nephila clavipes ja araneus diadematus. Näiden kahden hämähäkkilajin tutkimiseen on käytetty eniten aikaa ja rahaa synteettisen seitin tutkimuksessa, jotta voitaisiin monistaa niiden tukilankaproteiineja. Ne eivät kuitenkaan ole lujimpia. Itse asiassa tutkimuksen lujin tukilanka on tällä valkoisella alueella olevalla hämähäkillä, joka ei kudo verkkoa. Tämän seitin on kehrännyt scytodes, sylkevä hämähäkki. Scytodes ei käytä lainkaan verkkoa saalistamiseen. Sen sijaan se vaaniskelee ja odottelee saalista päästäkseen lamauttamaan sen läheltä, suihkauttamalla seittimäistä myrkkyä hyönteisen päälle. Kuin metsästystä serpentiinisprayllä. Näin scytodes hankkii ruokansa. Ei oikeastaan tiedetä, miksi scytodes tarvitsee niin lujan tukilangan, mutta tällaiset odottamattomat tulokset tekevät biosovellusten etsimisestä jännittävää ja kannattavaa. Se vapauttaa mielikuvituksen rajat.

Nyt esitän lujuusarvot nylon-kuidulle, bombyxille -- eli kesytetyn silkkiäistoukan seitille -- villalle, kevlarille ja hiilikuiduille. Lähes kaikkien hämähäkkien tukilangat päihittävät ne. Vahvuuden, laajenemiskyvyn ja sitkeyden yhdistelmä tekee hämähäkin seitistä erityisen, ja se on kiinnittänyt biomimeetikkojen huomion, ihmisten, jotka kääntyvät luonnon puoleen löytääkseen uusia ratkaisuja. Seittien vahvuus, elastisuus ja sitkeys, sen lisäksi, etteivät seitit aiheuta immuunivastetta, on herättänyt suurta mielenkiintoa seittien käyttöön biolääketieteen sovelluksissa, esimerkiksi osana keinotekoisia jänteitä, ohjaamassa hermojen uudelleen kasvattamista ja rakennetukina kudosten kasvattamisessa.

Hämähäkin seiteillä on paljon mahdollisuuksia torjuntakykynsä ansiosta. Seittiä voitaisiin liittää vartalon ja laitteiden suojakuoriksi, jotka olisivat kevyempiä ja joustavampia kuin mikään nyt saatavilla oleva panssarointi. Näiden luontoa jäljittelevien sovellusten lisäksi, pidän itse seittitutkimusta kiehtovana ihan sinällään. Laboratoriossa käyn kuumana, kun paljastuu uusi seittisekvenssi. Se on huippujuttu. (Naurua) Tuntuu siltä kuin hämähäkit jakaisivat kanssani muinaisen salaisuuden, siksi aion käyttää loppuelämäni seittitutkimukseen. Kun seuraavan kerran näet hämähäkinverkon, muistathan pysähtyä ja katsoa vähän tarkemmin. Näet yhden parhaimmista ihmisen tuntemista materiaaleista. Lainatakseni Charlotte-hämähäkin kirjoituksia, seitti on mahtavaa.

Kiitos. (Suosionosoituksia)

(Suosionosoituksia)