Cheryl Hayashi: La splendeur de la soie d'araignée

Je suis ici pour répandre la nouvelle de la splendeur des araignées et de combien nous pouvons apprendre d'elles. Les araignées sont réellement des citoyennes globales. Vous pouvez trouver les araignées dans presque tous les habitats terrestres. Ce point rouge indique le Grand Bassin des États-Unis, et là je suis impliquée avec des collaborateurs dans un projet sur la biodiversité alpine. Voici un de nos terrains de recherches, et juste pour vous donner une idée, cette petite trace bleue ici, c'est un de mes collaborateurs. C'est un paysage accidenté et aride, et pourtant il y a un certain nombre d'araignées ici. Si on retourne les rochers on trouve cette araignée-crabe luttant avec ce scarabée.

Les araignées ne sont pas juste partout, elles sont également très diversifiées. Il y a plus de 40 000 espèces d'araignées décrites. Pour mettre ce nombre en perspective, voici un graphique comparant les 40 000 espèces d'araignées avec les 400 espèces de primates. Il y a plus d'araignées que de primates par deux ordres de grandeur. Les araignées sont aussi très vieilles. En bas-ici se trouve l'échelle des temps géologiques, et les nombres y indiquent les millions d'années depuis le présent, donc le zéro ici, ce serait aujourd'hui. Donc cette figure montre que les araignées remontent presque à 380 millions d'années. Pour vous donner une mesure, cette barre rouge ici indiquent le moment de la divergence des humains depuis la ligne des chimpanzés, il y a seulement 7 millions d'années.

Toutes les araignées font de la soie à un moment dans leur vie. La plupart des araignées utilisent une quantité abondante de soie, et la soie est essentielle à leur survie et à leur reproduction. Même les araignées fossiles peuvent produire de la soie, comme nous pouvons le voir avec cette impression d'une filière dans cette araignée fossile. Cela veut donc dire qu'à la fois les araignées et la soie d'araignée existent depuis 380 millions d'années. Quand on travaille avec les araignées, très vite on commence à remarquer à quel point la soie est simplement essentielle dans tous les aspects de leur vie. Les araignées utilisent la soie avec de multiples buts, dont le câble de sécurité pour ramper, enrober les œufs pour la reproduction, construire des abris protecteurs et attraper des proies.

Il y a de nombreuses sortes de soie d'araignée. Par exemple, cette araignée de jardin peut faire sept différentes sortes de soie. Quand vous regardez cette toile orbitale, en fait vous voyez différent types de fibres de soie. Le cadre et les rayons de la toile sont faits d'une sorte de soie, alors que la spirale de capture est un composite de deux soies différentes : le filament et la gouttelette collante. Comment une seule araignée fabrique autant de sortes de soie ? Pour répondre à cela, il faut regarder de plus près la zone filière de l'araignée. Donc la soie sort de ces glandes filières, et pour nous biologistes de la soie d'araignée, c'est ce qu'on appelle le "côté commercial" de l'araignée. (Rires) Nous passons de longues journées... Hé ! Ne riez pas. C'est ma vie. (Rires) Nous passons de longs jours et nuits à fixer cette partie de l'araignée. Et voici ce que nous voyons. Vous pouvez voir de multiples fibres sortant des glandes filières, car chaque glande filière a de nombreux robinets. Chacune de ces fibres de soie sort par un robinet, et si vous deviez retracer la fibre à l'intérieur de l'araignée, vous observeriez que chaque robinet est connecté à sa propre glande à soie. Une glande à soie ressemble à une sorte de sac avec plein de protéines de soie à l'intérieur. Donc si vous avez un jour l'opportunité de disséquer une araignée orbitèle, et je l'espère pour vous, ce que vous trouverez est une abondance de magnifiques, translucides glandes à soie.

À l'intérieur de chaque araignée, il y a des centaines de glandes à soie, parfois des milliers. Elles peuvent être groupées en sept catégories. Elles diffèrent par leur taille, leur forme, et parfois même leur couleur. Dans une araignée orbitèle, vous pouvez trouver sept sortes de glandes à soie, et ce que j'ai décrit dans cette image — commençons à une heure — il y a des glandes à soie tubulaires, utilisées pour fabriquer l'extérieur d'un sac à œufs. Il y a les glandes à soie agrégées et flagelliformes, qui se combinent pour fabriquer la spirale adhésive de capture de l'araignée orbitèle. Les glandes à soie piriformes fabriquent le ciment adhésif : c'est la soie utilisée pour attacher les lignes de soie à un substrat. Il y a aussi la soie aciniforme, utilisée pour enrober les proies. La soie ampullacée mineure est utilisée dans la construction de la toile. Et la ligne de soie la plus étudiée d'entre toutes : la soie ampullacée majeure. C'est la soie qui est utilisée pour fabriquer le cadre et les rayons de la toile, ainsi que le câble de sécurité pour ramper.

Mais qu'est exactement la soie d'araignée ? La soie d'araignée est presque entièrement de la protéine. Presque toutes ces protéines peuvent être expliquées par une seule famille de gènes, ce qui veut dire que la diversité dans les sortes de soie observées aujourd'hui est codée par une seule famille de gènes. On présume donc que l'ancêtre original de l'araignée fabriquait une sorte de soie, et au cours des 380 millions d'années, cet unique gène à soie s'est dupliqué et a alors divergé, s'est spécialisé, encore et encore et encore, pour obtenir la large variété de parfums de soies d'araignée que nous avons aujourd'hui. Il y a plusieurs caractéristiques que toutes ces soies ont en commun. Elles ont toutes une même forme, de sorte qu'elles sont très longues — elles sont quelque peu bizarrement longues par rapport aux autres protéines. Elles sont très répétitives, et elles sont très riches en glycine et alanine, des acides aminés. Pour vous donner une idée de à quoi ressemble une protéine de soie d'araignée, voici la protéine du câble de soie — c'en est juste une portion — de la veuve noire. C'est le genre de séquence que j'adore regarder jour et nuit. (Rires)

Donc, ce que vous voyez ici est l'abréviation en une lettre des acides aminés, et j'ai colorié les glycines en vert, et les alanines en rouge. Donc vous pouvez voir que c'est juste beaucoup de G et de A. Vous pouvez aussi voir qu'il y a beaucoup de courtes séquences de motifs qui se répètent encore et encore et encore : par exemple, il y a beaucoup de ce qu'on appelle des polyalanines, ou A répétés, AAAAA. Il y a GCQ. Il y a GCY. Vous pouvez voir ces courts motifs qui se répètent encore et encore comme des mots, et ces mots apparaissent dans des phrases. Par exemple, cela serait une phrase, et vous auriez cette espèce de zone verte et le polyalanine rouge, qui se répètent encore et encore et encore, et vous pouvez avoir cela des centaines et des centaines et des centaines de fois à l'intérieur d'une simple molécule de soie.

Les soies fabriquées par une même araignée peuvent avoir des séquences de répétition radicalement différentes. En haut de l'écran, vous voyez l'unité répétée dans le câble de soie d'une argiope — une araignée de jardin. C'est court. Et en bas, c'est la séquence répétée pour l'écrin à œufs, la protéine de soie tubuliforme, pour exactement la même araignée. Et vous pouvez voir combien ces protéines de soie sont radicalement différentes. D’une certaine façon, c’est la beauté de la diversification de la famille des gènes à soie de l'araignée. Vous pouvez voir que les unités répétées diffèrent en longueur. Elles diffèrent aussi dans leurs séquences. Donc j'ai encore colorié les glycines en vert, l'alanine en rouge, et les sérines, la lettre S, en violet. Et vous pouvez voir que l'unité répétée en haut peut être expliquée presque entièrement en vert et en rouge, et que l'unité répétée en bas a une quantité substantielle de violet. Ce que les biologistes de la soie font, c'est essayer de relier ces séquences, ces séquences d'acides aminés aux propriétés mécaniques des fibres de soie.

Maintenant, c'est vraiment pratique que les araignées utilisent leur soie complètement hors de leur corps. Cela fait que tester la soie d'araignée est vraiment, vraiment facile à faire en laboratoire, car nous la testons en fait, vous savez, dans l'air qui est exactement l'environnement dans lequel les araignées utilisent leurs protéines de soie. Ainsi identifier les propriétés de la soie par des méthodes comme les tests de résistance à l'étirement — où, en gros, on tire un bout de la fibre — très accommodant. Voici les courbes de stress et de tension générées en testant la résistance à l'étirement de cinq fibres fabriquées par la même araignée. Donc vous pouvez voir ici que les cinq fibres ont des comportements différents. Spécifiquement, si vous regardez l'axe vertical, c'est le stress. Si vous regardez la valeur maximale de stress pour chacune de ces fibres, vous pouvez voir qu'il y a beaucoup de variation, et en fait le câble, ou soie ampullacée majeure, est la plus forte des ces fibres. Nous pensons que c'est parce que la soie du câble, utilisée pour fabriquer le cadre et les rayons d'une toile, doivent être très résistants.

De l'autre côté, si vous deviez regarder la tension — combien une fibre peut être étirée — si vous regardez la valeur maximale ici, encore une fois, il y a beaucoup de variation et la nette gagnante est la fibre flagelliforme, le filament de la spirale de capture. En fait, la fibre flagelliforme peut en fait s'étirer jusqu'à deux fois sa longueur originelle. Donc les fibres de soie varient par leur force et aussi par leur extensibilité. Dans le cas de la spirale de capture, elle a besoin d'être aussi étirable pour absorber l'impact de la proie qui vole. Si elle ne pouvait pas s'étirer autant, en gros quand un insecte heurte la toile, il sauterait juste dessus, comme sur un trampoline. Donc si la toile est entièrement faite de soie de câble, un insecte va très probablement juste rebondir aussitôt. Mais en ayant une spirale de capture en soie vraiment, vraiment élastique, la toile peut en fait absorber l'impact de la proie interceptée.

Il y a beaucoup de variation parmi les fibres qu'une seule araignée peut fabriquer. Nous appelons cela la boîte à outils de l'araignée. C'est ce que l'araignée a pour interagir avec son environnement Mais qu'en est-il de la variation entre les espèces d'araignées, donc si on regarde un type de soie et différentes espèces d'araignées ? C'est un champ largement inexploré, mais il y a quelques données que je peux vous montrer. Voici une comparaison de la solidité de la schappe du câble de soie dans 21 espèces d'araignées. Certaines sont des araignées orbitèles et certaines sont non orbitèles. L'hypothèse a été émise que les araignées orbitèles, comme l'argiope ici, devrait avoir les câbles de soie les plus solides parce qu'elles doivent intercepter des proies volantes. Ce que vous voyez ici sur ce graphique de la solidité, c'est que plus le point noir est haut sur le graphique, plus la solidité est grande.

Les 21 espèces sont indiquées ici par cet arbre phylogénique, évolutionnaire, montrant leurs relations génétiques ; j'ai colorié en jaune les araignées orbitèles. Si vous regardez juste ici les deux flèches rouges, elles pointent vers les valeurs de solidité pour les câbles de l'araignée Nephila clavipes et l'araignée Araneus diadematus [Épeire diadème]. Ce sont les deux espèces d'araignées sur lesquelles on a dépensé la vaste majorité du temps et de l'argent de la recherche sur la soie d'araignée synthétique, afin de répliquer les protéines de leurs câbles de soie. Cependant leurs câbles ne sont pas les plus solides. En fait, le câble le plus solide dans cette étude est celui juste ici dans la zone blanche, celui d'une araignée non orbitèle. Il s'agit de la schappe de la scytodes, l'araignée cracheuse. La scytodes n'utilise pas du tout de toile pour attraper ses proies. À la place, la scytodes rôde en quelque sorte, et attend qu'une proie s'approche, et alors elle immobilise la proie en aspergeant l'insecte d'un venin semblable à de la soie. Imaginez chasser avec des stupides cordes. C'est comme cela que la scytode fourrage. On ne sait pas vraiment pourquoi la scytodes a besoin d'un câble si solide, mais ce sont des résultats inattendus comme ceux-là qui rendent la bio-prospection si excitante et en valant la peine. Cela nous libère des contraintes de notre imagination.

Maintenant je vais indiquer les valeurs de solidité pour la fibre de nylon, La fibre de bombyx — ou soie du ver à soie domestiqué — la laine, le Kevlar, et des fibres de carbone. Et ce que vous pouvez voir est que presque tous les câbles d'araignée les surpassent. C'est la combinaison de la force, l'extensibilité, et la solidité, qui rend la soie d'araignée si spéciale, et qui a attiré l'attention des biomimétistes, soit des gens qui se tournent vers la nature pour trouver de nouvelles solutions. Et la force, l'extensibilité et la solidité des soies d'araignée, combinées au fait que les soies ne provoquent pas de réponses immunitaires, ont attiré beaucoup d'intérêt pour l'usage des soies d'araignées pour des applications biomédicales, par exemple comme un composant de tendons artificiels, comme guide pour faire repousser des nerfs, et comme support pour faire pousser des tissus.

Les soies d'araignées ont beaucoup de potentiel par leurs capacités antibalistiques. Les soies pourraient être intégrées dans le corps et un équipement blindé qui serait plus léger et flexible que n'importe quel blindage disponible aujourd'hui. En plus de ces applications biomimétistes des soies d'araignée, personnellement, je trouve l'étude des soies d'araignées simplement fascinante en elle-même et d'elle-même. J'adore quand je suis dans le laboratoire, une nouvelle séquence de soie d'araignée arrive. C'est tout simplement la meilleure. (Rires) C'est comme si les araignées partageaient avec moi un secret ancien, et c'est pourquoi je vais passer le reste de ma vie à étudier la soie d'araignée. La prochaine fois que vous voyez une toile d'araignée, s'il-vous-plaît, arrêtez-vous et regardez d'un peu plus près. Vous serez en train de regarder l'un des matériaux à la plus haute performance que l'homme connaisse. Pour emprunter des écrits d'une araignée nommée Charlotte, la soie est formidable.

Merci. (Applaudissements)

(Applaudissements)