Cheryl Hayashi: La magnifica seta del ragno

Mi trovo qui per parlare a tutti della magnificenza dei ragni e di quanto possiamo imparare da loro. I ragni sono dei veri cittadini globali. Se ne trovano esemplari in quasi tutti gli habitat terrestri. Questo puntino rosso indica il Grande Bacino del Nord America, dove sto lavorando con alcuni collaboratori a un progetto di biodiversità alpina. Qui vedete una nostra postazione, e tanto per darvi un'idea della prospettiva, questa macchiolina qui è uno dei miei collaboratori. E' un paesaggio aspro e brullo, eppure qui vivono alcuni tipi di ragni. Sollevando una pietra c'era questo ragno granchio alle prese con un coleottero.

I ragni non si trovano dappertutto, ma ne esistono specie molto diverse. Esistono più di 40.000 specie catalogate fino ad oggi. Per darvi un'idea, ecco un grafico che raffronta le 40.000 specie di ragni con le 400 dei primati. I ragni hanno due ordini di magnitudine in più dei primati. I ragni sono anche molto antichi. Qui in basso c'è la cronistoria geologica; i numeri indicano milioni di anni fino al presente, e lo zero è oggi. Questa cifra mostra che i ragni risalgono a quasi 380 milioni di anni fa. Per capire, questa linea rossa verticale segna il punto di separazione degli umani dagli scimpanzé, appena sette milioni di anni orsono.

Tutti i ragni producono seta prima o poi nella loro vita. La maggior parte ne usa in abbondanza, e la seta è essenziale per la loro sopravvivenza e la loro riproduzione. Ne producevano anche anticamente, come possiamo vedere dalle ghiandole sericigene di questo fossile. Questo vuol dire che sia i ragni che la loro seta hanno abitato la terra per 380 milioni di anni. Se lavorate coi ragni non ci metterete molto a capire quanto la seta sia essenziale in quasi tutti gli aspetti della loro vita. I ragni la usano per molti scopi, tra cui la tessitura di sicurezza, per avviluppare le proprie uova, per la creazione di rifugi e per catturare le prede.

Ci sono molti tipi di seta. Ad esempio, il ragno giardiniere ne può produrre sette diversi tipi. In questa ragnatela 'a sfera' o circolare potete vedere molti tipi di fibra di seta. La struttura di base e i raggi della tela sono costituiti da un tipo di seta, mentre la spirale per la cattura è composta da due tipi diversi di seta: il filamento e le micro-gocce vischiose. Ma come può un singolo ragno produrre sete così diverse? Per capirlo bisogna osservare da vicino la zona delle filiere del ragno. Dunque la seta fuoriesce da queste ghiandole, che noi biologi della seta chiamiamo 'la parte operativa' del ragno. (Risate) Le nostre giornate sono molto lunghe... Ehi! non ridete. Sto parlando della mia vita. (Risate) Passiamo giorni e notti ad osservare questa parte del ragno. Ed ecco ciò che vediamo. Potete vedere molte fibre secrete dalle filiere, perché ogni filiera dispone di molti fusuli (ugelli). Tutte queste fibre escono dagli ugelli, e se poteste fare il percorso inverso vedreste che ogni ugello è collegato alla propria ghiandola serica. Questa ghiandola assomiglia a un sacchetto contenente molte proteine della seta. Perciò se avrete occasione di fare la dissezione di un ragno che costruisce tele circolari, e spero che lo facciate, quello che troverete è un'abbondanza di bellissime e traslucide ghiandole della seta.

Ogni ragno ne possiede a centinaia, talvolta a migliaia. Le possiamo raggruppare in sette categorie. Differiscono per dimensione, forma e talvolta anche per colore. In un ragno che produce tele circolari se ne trovano sette tipi diversi, e in questa immagine potete vedere, cominciando a ore una, le ghiandole tubuliformi, usate per realizzare sacche da uova. E poi le ghiandole aggregate e flagelliformi che si combinano per creare la spirale viscosa per catturare le prede. Le ghiandole piriformi servono per creare il cemento - cioè la seta che serve a far aderire i filamenti a un substrato. E anche le ghiandole della seta aciniforme, usata per avviluppare la preda. La seta ampollacea minore è usata per tessere la tela. E poi quella che si studia maggiormente: la seta ampollacea maggiore. E' quella usata per la struttura principale e per i raggi della tela circolare, e anche per la tessitura di sicurezza.

Ma cos'è esattamente la tela di ragno? E' fatta quasi interamente di proteine. E quasi tutte provengono da una singola famiglia genetica, che vuol dire che la diversità dei tipi di seta che abbiamo oggi ha lo stesso codice genetico, e dunque presumibilmente un antenato comune secerneva solo un tipo di seta, e in questi 380 milioni di anni quel singolo gene si è duplicato e diversificato, specializzandosi, più e più volte, ottenendo la grande varietà di sete che abbiamo oggi. Tutte queste sete hanno delle caratteristiche in comune. Hanno tutte la stessa impostazione, ad esempio sono tutte molto lunghe - sono insolitamente lunghe, se confrontate con altre proteine. Sono molto ripetitive ed estremamente ricche degli aminoacidi glicina e alanina. Per darvi un'idea di come è fatta una proteina della seta, questa è la proteina del filo di sicurezza, di una piccola porzione, quello della vedova nera. Questo è il tipo di sequenza che non mi stanco mai di guardare. (Risate)

Quella che vedete è la lettera che indica gli aminoacidi, e io ho contrassegnato la glicina con il colore verde, l'analina con il rosso, e vedete che abbiamo molte G e molte A. Potete anche vedere che ci sono molte sequenze brevi che si ripetono varie volte, e così vediamo ad esempio molte polialanine, o ripetizioni di A, AAAAA. Qui le GGQ. E poi le GGY. Potete immaginare queste brevi sequenze che si ripetono come delle parole, e le parole formano parti di frasi. Ad esempio questa sarebbe una frase, con questa zona verde e quella rossa delle polialanine che si ripete più e più volte, e questo può accadere per centinaia e centinaia di volte, all'interno di una singola molecola della seta.

Sete prodotte dallo stesso ragno possono avere sequenze che si ripetono in modi molto diversi. In alto potete vedere l'unità di ripetizione della tessitura di sicurezza del ragno argiope dei giardini. E' corta. E in basso c'è la sequenza ripetuta della sacca delle uova, la proteina tubuliforme, sempre dello stesso ragno. E potete constatare quanto differiscano queste proteine - dunque questa è la bellezza della diversificazione della famiglia di geni del ragno. Potete vedere come le unità che vengono ripetute differiscano in lunghezza e in sequenza. E, di nuovo, ho colorato la glicina in verde, l'alanina in rosso, e la serina, con la lettera S, in viola. Vedete come l'unità superiore venga espressa quasi totalmente in verde e rosso, mentre quella in basso contiene molto viola. Quello che facciamo noi biologi della seta è cercare di mettere in relazione le sequenze di aminoacidi con le proprietà meccaniche delle fibre della seta.

E' davvero un bene che i ragni usino la seta solo quando è estromessa completamente dal corpo. Questo rende gli esperimenti molto, molto semplici da svolgere in laboratorio, dato che, come sapete, si possono svolgere in ambiente aperto, identico a quello in cui i ragni usano le loro proteine della seta. E questo rende agevole quantificare le proteine della seta con metodi come quello della tensione, che consiste nell'allungare l'estremità della fibra. Queste sono le curve di stress generate dai test di tensione, cinque fibre prodotte dallo stesso ragno. Qui vedete che le cinque fibre hanno comportamenti diversi. In particolare, l'asse verticale indica lo stress. Il valore massimo per ognuna della cinque fibre varia sensibilmente, e difatti il filo di sicurezza, costituito da seta ampollacea, è il più resistente di tutte. Forse perché questo tipo di seta, usato per la struttura di base e i raggi della tela, deve essere molto robusto.

D'altro canto se si osservano le prove di fatica - ossia quanto una fibra possa essere allungata - se guardiamo i valori massimi, nuovamente, vediamo che c'è molta differenza, e la vincitrice è la fibra flagelliforme, che serve a catturare le prede. Infatti questa fibra si può estendere fino al doppio della propria lunghezza. Dunque le fibre della seta variano in robustezza ed estensibilità. Nel caso della spirale, deve essere molto flessibile per assorbire l'impatto di una preda in volo. Se non avesse avuto queste caratteristiche, se fosse stata colpita da un insetto questo sarebbe rimbalzato altrove. Cos,ì se l'intera tela fosse composta solamente dal filo di sicurezza, un insetto molto probabilmente ne verrebbe respinto. Ma con una struttura molto flessibile, la tela è in grado di assorbire l'impatto della preda intercettata.

C'è molta varietà tra le fibre che un ragno può generare. La chiamiamo la cassetta degli attrezzi del ragno, quello che serve al ragno per interagire con l'ambiente. E cosa possiamo dire delle varianti tra le specie, se osserviamo uno dei tipi di seta e osserviamo le diverse specie di ragni? Questa è un'area non ancora molto esplorata, ma riesco comunque a darvi alcuni dati. Questa è la comparazione di robustezza del filo di sicurezza di 21 specie di ragni. Alcuni tessono tele circolari e altri non lo fanno. Si è ipotizzato che il primo tipo, come ad esempio l'argiope che vedete, dovessero produrre la seta più robusta dato che devono intercettare prede in volo. Ciò che vedete in questo diagramma di robustezza è che più è in alto il puntino nero maggiore è la robustezza.

Le 21 specie sono qui indicate tramite la filogenia, l'albero dell'evoluzione, che mostra le relazioni genetiche, in cui ho colorato in giallo i ragni tessitori di tele circolari. Se osservate le due frecce rosse, esse indicano i valori di robustezza dei fili della nephila clavipes e dell'araneus diadematus. Sono le due specie di ragni su cui si sono investiti più tempo e denaro per riuscire a replicarne le proteine della seta e creare così una seta sintetica. Eppure queste fibre non sono le più resistenti. Infatti la più robusta individuata dall'analisi è quella che si trova in quest'area bianca, quella di un ragno non tessitore. Si tratta del filo secreto dallo scytodes, o ragno sputatore. Lo scytodes non fa uso di tele per la cattura della preda. Invece, si apposta e aspetta che la preda gli si avvicini, e poi l'immobilizza spruzzandogli addosso un veleno serico. Come cacciare con lo spray di stelle filanti. E' così che si procura da vivere. Non sappiamo davvero perché lo scytodes abbia bisogno di un filo tanto robusto, ma sono i risultati imprevisti come questo che rendono l'esplorazione della biodiversità entusiasmante e importante. Ci libera dai limiti della nostra immaginazione.

Ora vi mostrerò i valori di robustezza della fibra di nylon, del bombice - o baco da seta - della lana, del kevlar, e delle fibre di carbonio. E potete vedere che quasi tutte le fibre del ragno le superano. E' la combinazione di forza, estensibilità e robustezza che rende la seta del ragno così speciale, cosa che ha attirato l'attenzione degli specialisti di biomimetica, che sondano la natura alla ricerca di nuove soluzioni. E forza, estensibilità e robustezza della seta, unite al fatto che la seta non causa risposte immunitarie, hanno attirato molto interesse per l'impiego della seta in applicazioni biomediche, ad esempio come componente di tendini artificiali, come guide per la ricrescita di nervi e per strutture per la crescita di tessuti.

La seta ha anche un notevole potenziale per la caratteristiche anti balistiche. La seta potrebbe essere utilizzata per giubbotti anti proiettile, che diverrebbero più leggeri e flessibili di qualsiasi altro giubbotto sul mercato. Oltre a queste applicazioni di biomimetica della seta, io trovo che lo studio della seta sia già affascinante di per sé. Gioisco quando in laboratorio riesco a identificare una nuova sequenza della seta. E' semplicemente il massimo. (Risate) E' come se i ragni condividessero con me un antico segreto, ed è per questo che intendo trascorrere il resto della mia vita a studiare la seta del ragno. La prossima volta che vi imbatterete in una ragnatela, per piacere fermatevi e guardatela da vicino. Vedrete uno dei materiali più più straordinari conosciuti dall'uomo. Per dirla con l'espressione di un ragno di nome Carlotta, la seta è strabiliante.

Grazie. (Applausi)

(Applausi)