Cheryl Hayashi: O esplendor da seda de aranha

Estou aqui para espalhar a palavra sobre o esplendor das aranhas e o quanto podemos aprender com elas. As aranhas são verdadeiros "cidadãos do mundo". Podemos encontra-las em quase todos os ambientes na Terra. Este ponto vermelho marca a Grande Bacia da América do Norte onde estou envolvida num projecto de biodiversidade alpina com alguns colaboradores. Este é um dos nossos campos de estudo e, só para vos dar uma ideia, este pequeno borrão azul é um dos meus colaboradores. Esta é uma paisagem acidentada e estéril, mas ainda assim existem aqui bastantes aranhas. Revirar pedras revelou esta aranha-caranguejo a lutar com um escaravelho.

As aranhas não só estão em todo o lado como são extremamente diversas. Existem mais de quarenta mil espécies documentadas de aranhas. Pondo este número em perspectiva, aqui está um gráfico que compara as quarenta mil espécies de aranhas com as 400 espécies de primatas. Existem cerca de mais duas ordens de magnitude de aranhas que primatas. As aranhas também são extremamente antigas. Aqui no fundo, isto é a escala de tempo geológico e o número de anos indica milhões de anos desde o presente, portanto o zero aqui, que seria hoje. Portanto, o que esta imagem mostra é que as aranhas datam quase de há 380 milhões de anos. Para colocar isso em perspectiva, esta barra vertical vermelha aqui marca a divergência temporal entre humanos e chimpanzés, há uns meros 7 milhões de anos atrás.

Todas as aranhas fazem seda a dada altura da sua vida. Grande parte usa imensas quantidades de seda e esta é essencial à sua sobrevivência e reprodução. Até as aranhas em fóssil conseguiam fazer seda, como podemos ver nesta impressão de uma fieira de uma aranha fóssil. Isto significa que, tanto aranhas como a sua seda existem há 380 milhões de anos. Trabalhando com aranhas, não demora muito para nos apercebermos do quão essencial é a seda em qualquer aspecto das suas vidas. As aranhas usam seda para imensos propósitos, incuindo a linha de segurança de reboque, embrulhar os ovos na reprodução, para criar abrigos e apanhar presas.

Existem muitos tipos de seda de aranha. Por exemplo, esta aranha de jardim pode fazer sete tipos diferentes de seda. Quando se olha para uma teia de espiral, podemos ver, na realidade, muitos tipos de fibra de seda. Tanto a moldura como os raios desta teia são feitos de um tipo de seda enquanto a espiral de captura é um compósito de dois tipos diferentes de seda: o filamento e as gotas pegajosas. Mas como é que uma única aranha consegue fazer tantos tipos de seda? Para responder a isto temos que observar muito mais de perto a região da fieira da aranha. Então, a seda sai das fieiras e, entre nós, biólogos de seda de aranha, chamamos-lhe "a ponta do negócio" da aranha. (Riso) Passamos longos dias... Hey! Não se riam! É a minha vida! (Riso) Passamos longos dias e noites a olhar para esta parte da aranha. E isto é o que nós vemos. Podem ver múltiplas fibras a sair das fieiras, porque cada fieira tem várias fúsulas. Cada uma destas fibras sai de uma fúsula e, se a seguisse-mos em direcção à aranha, o que descobriríamos era que cada fúsula está ligada à sua glândula de seda individual. Uma glândula de seda é parecida com um saco cheio de proteínas da seda lá dentro. Por isso, se tiverem a oportunidade de dissecar uma aranha deste género, e espero que tenham, o que encontrariam era uma quantidade enorme de glândulas de seda lindas e translúcidas.

Dentro de cada aranha há centenas de glândulas de seda, às vezes milhares. Estas podem agrupar-se em sete categorias. Diferem em tamanho, forma, e, às vezes, até na cor. Numa aranha de teia em espiral podemos encontrar sete tipos de glândulas de seda como tentei ilustrar nesta imagem. Começando na posição da 1 hora há glândulas de seda tubuliforme, que são usadas para fazer a parte de fora do saco para os ovos. Existem as glândulas de seda de agregação e flageliforme que se combinam para fazer a espiral pegajosa de captura da teia. Glândulas de seda piriformes fazem o cimento -- esta é a seda usada para ligar os fios de seda a um substrato. Existe também a seda aciniforme, usada para enrolar as presas. A Seda "Minor ampullate" (ampola menor) é usada na construção de teias. E a linha de seda mais estudada de todas: a seda "ampullate major" (de ampola maior). Esta é a seda utilizada para fazer a moldura e os raios de uma teia circular e, também, o fio de segurança de reboque.

Mas o que é, exactamente, a seda de aranha? A seda de aranha é quase toda feita de proteínas. Quase todas estas proteínas podem ser explicadas por uma única família de genes. Isto significa que a diversidade de sedas que vemos hoje é codificada por uma família de genes. Portanto, presumivelmente o ancestral original da aranha fazia um tipo de seda e ao longo dos últimos 380 milhões de anos este gene único de seda duplicou-se e depois divergiu, especializou-se uma e outra vez chegando à imensa variedade de sedas de aranha que temos hoje em dia. Existem características que todas estas sedas possuem em comum. Todas têm um design comum, tal como serem todas muito longas -- são cadeias extremamente longas comparadas com outras proteínas. São muito repetitivas e muito ricas em aminoácidos de glicina e de alanina. Para terem uma noção do aspecto de como é uma proteína da seda de aranha esta é uma proteína de seda de reboque, é apenas uma porção dela, da aranha viúva negra. Este é o tipo de sequência que eu adoro observar todos os dias. (Riso)

O que aqui vêm é a letra de abreviação de aminoácidos e eu pintei as Glicinas a verde e as Alaninas a vermelho. Portanto, podem ver que são muitos "G"s e "A"s Também podem ver que existem muitas sequências pequenas que se repetem muitas e muitas vezes. Por exemplo, existe muito do que chamamos poli-alaninas, ou "A"s seguidos, AAAAA. Existem GGQ, ali está GGY. Podem pensar nestas pequenas sequências que se repetem muitas vezes como palavras que aparecem em frases. Por exemplo, esta seria uma frase e temos esta espécie de região verde e as poli-alaninas vermelhas que se repetem vezes e vezes sem conta, e podemos ter isto centenas e centenas e centenas de vezes dentro de uma única molécula de seda.

Sedas feitas pela mesma aranha podem ter sequências repetidas substancialmente diferentes. Podem ver, no topo da imagem, a unidade que se repete numa seda de reboque de uma aranha de jardim. É pequena e no fundo da imagem está a sequência repetida para o invólucro do ovo, ou proteína da seda tubuliforme para a mesma aranha. Podem ver a dramática diferença entre estas duas proteínas. Esta é a beleza da diversificação da família do gene da seda das aranhas. Podem ver que as unidades repetidas diferem em comprimento. Também diferem na sequência. Agora pintei outra vez as Glicinas a verde, as Alaninas a vermelho e as Serinas, a letra S, em roxo. E podem ver que a unidades repetidas de cima são quase sempre verdes e vermelhas e as unidades repetidas no fundo têm uma quantidade substancial de roxo. O que os biólogos fazem é tentar relacionar estas sequências de aminoácidos com as propriedades mecânicas das fibras da seda.

É muito conveniente que as aranhas usem a seda completamente fora do seu corpo. Isto torna o teste da seda muito, muito fáceis de fazer em laboratório, porque estamos a testá-las expostas ao ar que é o mesmo ambiente em que as aranhas usam as suas proteínas da seda. Isto torna a quantificação das suas propriedades por métodos como o teste à tensão onde, basicamente, se puxa numa das pontas da fibra, muito delicado. Aqui estão curvas de tensão geradas por testes tênseis a cinco fibras feitas pela mesma aranha. O que podem ver aqui é que as cinco fibras têm comportamentos diferentes. Especificamente, se olharem para o eixo vertical, aquilo é a tensão. Se virem o valor de tensão máximo para cada uma destas fibras podem ver que existe muita variação e, na verdade, a seda de reboque ou "ampullate major" (maior ampola) é a mais forte destas fibras. Pensamos que isto acontece porque esta seda que é usada para fazer a moldura e os raios da teia precisa ser muito forte.

Por outro lado, se olhassem para a deformação -- isto é quanto uma fibra pode ser esticada -- se olharem para o valor máximo aqui, mais uma vez, também há muita variação e a clara vencedora é a flageliforme ou a fibra usada na espiral de captura. Na verdade, esta fibra flageliforme consegue esticar-se até ao dobro do seu comprimento original. Assim, as fibras de seda variam na sua resistência e na sua extensibilidade. No caso da espiral de captura, precisa ser extensível para absorver o impacto da presa voadora. Se não fosse capaz de esticar tanto, quando um insecto batesse na teia seria projectado dela, tipo trampolim. Portanto, se a teia fosse feita toda de seda de reboque, um insecto iria muito provavelmente ressaltar da teia. Mas, ao ter esta espiral muito, muito flexível, a teia é capaz de absorver o impacto causado pela presa em voo.

Existem bastantes variações de entre as fibras que uma única aranha pode produzir. Chamamos-lhe o "cinto de ferramentas" da aranha. É o que a aranha tem para interagir com o seu ambiente. Então e as variações entre as espécies de aranha, ao olhar para um tipo de seda e ao olhar para outro em espécies diferentes de aranha? Esta é uma área bastante inexplorada mas aqui está um pouco de dados que vos posso mostrar. Esta é a comparação entre a resistência da seda de reboque fiada por 21 espécies de aranha. Algumas destas aranhas fazem teias em espiral, outras não. Existe a hipótese de que as aranhas de teia em espiral, como esta Argiope, devem ter as sedas de reboque mais fortes pois têm que interceptar as presas em voo. O que vêem aqui neste gráfico de resistência é que quanto mais alto o ponto preto mais resistente é a seda.

As 21 espécies são indicadas por esta filogenia, esta árvore evolutiva, que mostra a sua relação genética e pintei a amarelo as que fazes teias em espiral. Se olharem aqui para as duas setas vermelhas, elas apontam para os valores de resistência da seda de reboque da nephila clavipes e a araneus diadematus. Estas são as duas espécies de aranhas onde a maioria do tempo e dinheiro para pesquisa de seda sintética foram aplicados para copiar as proteínas usadas na seda de reboque. Mas as suas sedas de reboque não são as mais resistentes. Na verdade, a seda de reboque mais resistente da pesquisa é esta aqui, nesta região branca, uma aranha sem teia em espiral. Esta é a seda de reboque fiada pela scytodes, a aranha cuspideira. A Scytodes não usa uma teia, de todo, para apanhar presas. Em vez disso, a Scytodes como que atrai e espera que a presa se aproxime e, depois, imobiliza-a pulverizando-a com um veneno na forma de seda. É como caçar com serpentinas pegajosas. É assim que a scytodes caça. Não sabemos exactamente porque é que ela precisa de uma seda de reboque tão forte mas são resultados inesperados como este que fazem da pesquisa biológica tão excitante e valiosa. Liberta-nos dos limites da nossa imaginação.

Agora vou marcar os valores de resistência da fibra de nylon, a "bombyx" -- ou a seda dos bichos-da-seda domesticados -- lã, Kevlar e fibras de carbono. O que podem ver é que quase todas as sedas de reboque de aranha são mais fortes. É a combinação de força, extensibilidade e resistência que torna a seda de aranha tão especial e que tanto atrai a atenção dos biomimeticistas, ou seja das pessoas que olham para a natureza para tentar encontrar novas soluções. E a força, a extensibilidade e a resistência das sedas de aranha combinadas com o facto destas não desencadearem uma resposta imunológica que tem atraído muito do interesse em usar as sedas de aranhas na biomedicina, por exemplo, como um componente de tendões artificiais que servem como guias para a regeneração de nervos e como andaimes para o crescimento dos tecidos.

As sedas de aranhas também têm muito potencial pelas suas capacidades antibalísticas. As sedas podem ser incorporadas em armaduras e equipamento de modo a serem mais leves e flexíveis do que qualquer protecção existente. Para além destas aplicações da biomimética das sedas de aranha, pessoalmente, acho que o estudo da seda é simplesmente fascinante só por si. Adoro estar no laboratório quando chega uma nova sequência de seda. É do melhor que pode haver. (Riso) É como se as aranhas partilhassem um antigo segredo comigo e é por isso que vou passar o resto da minha vida a estudar a seda de aranha. Da próxima vez que virem uma teia, por favor, parem e olhem-na mais de perto. Estão a ver um dos materiais com melhor desempenho conhecidos até hoje. Como dizia uma aranha no livro "A teia de Charlotte" (por E. B. White) "A seda é espectacular!"

Obrigado. (Aplausos)

(Aplausos)