Cheryl Hayashi: Det fantastiska spindelsilket

Jag är här för att sprida budskapet om hur fantastiska spindlar är och hur mycket vi kan lära oss av dem. Spindlar är verkligen världsmedborgare. Man kan hitta spindlar i stort sett alla jordens olika habitat. Den röda pricken är Great Basin i nordamerika, och jag är med i ett projekt om alpinbiologisk mångfald i detta område tillsammans med några medarbetare. Här är en av våra fältstationer, och, för att ge er lite perspektiv, den lilla blå fläcken där, det är en av mina medarbetare. Detta är ett klippigt och kargt landskap ändå finns här en hel del spindlar. Vi vände på några stenar och så hittade vi den här krabbspindeln kämpandes med en skalbagge.

Spindlar finns inte bara överallt de är också otroligt varierande. Det finns över 40.000 kända arter spindlar. För att sätta den siffran i perspektiv, här är ett diagramm som jämför de 40.000 arterna spindlar med de 400 arterna primater. Det finns alltså 100 gånger fler spindelarter än primater. Spindlar är också extremt gamla. Nedtill här, detta är en geologisk tidsskala och siffrorna anger antal miljoner år från nutid, så nollan här är idag. Vad den här bilden visar är att spindlar har funnits i nästan 380 miljoner år. För att sätta det i perspektiv, det röda lodräta strecket här täcker tidperioden för människans utveckling från chimpansen för blott sju miljoner år sedan.

Alla spindlar producerar silke vid någon punkt i sina liv. De flesta spindlar använder sig av stora mängder silke och silket spelar en ytterst viktig roll i deras överlevnad och förökning. Till och med spindelfossiler kan producera silke vilket vi kan se på det här avtrycket av en spinnvårta på den här spindelfossilen. Detta betyder alltså att både spindlar och spindelsilke har funnits i 380 miljoner år. Man behöver inte jobba länge med spindlar för att lägga märke till hur oumbärligt silket är i så gott som varje aspekt av deras liv. Spindlar använder silke för många olika ändamål, till den efterhängande ankartråden för att slå in ägg vid förökning, att skydda sig och för att fånga byte.

Det finns många typer av spindelsilke. Den här trädgårdsspindeln kan till exempel producera 7 olika sorters silke. När ni tittar på den det här runda nätet ser ni i själva verket många sorters silkesfibrer. Ramen och radierna i det här nätet utgörs av en sorts silke, medan fångstspiralen utgörs av en komposit av två olika sorter silke: filamentet och den klibbiga lilla droppen. Hur kan en enda spindel producera så många sorter silke? För att kunna svara på det måste man ta en närmare titt på spindelns spinnvårta. Silket kommer alltså ur spinnvårtorna, och för oss biologer som sysslar med spindelsilke, så är detta det vi kallar spindelns "business"-sida. (Skratt) Vi spenderar långa dagar... Skratta inte. Detta är mitt liv. (Skratt) Vi spenderar långa dagar och nätter med att stirra på den här delen av spindeln. Och detta är vad vi ser. Man kan se flera fibrer komma ifrån vårtorna, eftersom varje vårta har flera små tappar på sig. Varje silkesfiber kommer ur en sådan tapp och om man skulle följa fibertråden in i spindeln, så ser man att varje tapp har sin egen individuella silkeskörtel. En silkeskörtel ser ut lite som en säck med en massa silkesproteiner i. Så om ni någon gång får möjlighet att dissekera en spindel som spinner runda nät, och det hoppas jag att ni får, så kommer ni hitta en massa vackra, halvgenomskinliga silkeskörtlar.

Inuti varje spindel finns hundratals silkeskörtlar, ibland tusentals. Dessa kan grupperas i sju kategorier. De skiljer sig åt vad gäller storlek, form, och ibland även färg. I en spindel som spinner runda nät hittar man sju olika typer av silkeskörtlar och det som jag visar på den här bilden om man börjar klockan 1, är tubformade silkeskörtlar, vilka används för att det yttre silket på en äggsäck. Här är silket för dropparna och de flagellumliknande silkeskörtlarna som kombineras för att skapa den klibbiga fångstspiralen i ett nät. De pyriforma silkeskörtlarna skapar fästfundamentet – alltså silket som används för att fästa silkestrådar på fästytan. Det finns också aciniformt silke vilket används för att linda in byten. Litet ampullsilke används vid nätkonstruktion. Och det mest studerade silket av dem alla: det större ampullsilket. Det är silket som används för att göra ramen och radierna i nätet, men används också till ankartråden.

Men vad är spindelsilke mer exakt? Spindelsilke består nästan helt och hållet av proteiner. Nästan alla av dessa proteiner kan förklaras av en enda genfamilj, så det betyder att alla de olika typer av silke vi ser idag är kodade i en enda genfamilj, så förmodligen producerade spindelförfadern en sorts silke, och under de senaste 380 miljoner åren har den silkesgenen fördubblats och sedan förgrenats, specialiserats om och om igen för att få den stora variation av olika sorters silke vi ser idag. Det finns flera egenskaper som alla de här silkestyperna har gemensamt. De har alla en gemensam design, som till exempel att de alla är väldigt långa – de är faktiskt besynnerligt långa jämfört med andra proteiener. De är väldigt repetitiva och mycket rika på aminosyrorna glycin och alanin. För att ge er en bild av hur ett spindelsilkesprotein ser ut; detta är ett ankartrådssprotein, det är bara en bit av det, från "Svarta änkan". Detta är den sortens sekvens jag älskar att titta på dag och natt. (Skratt)

Det ni ser här är enbokstavsförkortningarna för de olika aminosyrorna, och jag har färgat glycinet grönt och alaninet rött och som ni kan se är det bara en massa G:n och A:n. Ni kan också se att det är fullt med små korta sekvensmotiv som återupprepas om och om igen, till exempel finns det en massa av det vi kallar polyalaniner, eller upprepade A:n, AAAA. Där är GGQ. Där är GGY. Man kan se dessa små motiv, som upprepas om och om igen, som ord och dessa ord ingår i meningar. Detta, till exempel, skulle alltså vara en mening, och man skulle få den här typen av gröna områden och det röda polyalaninet, som upprepas om och om och om igen, och man kan ha detta hundratals och åter hundratals gånger i en enda silkesmolekyl.

Olika silkessorter från en och samma spindel kan ha väldigt olika upprepningsmönster. Längst upp på skärmen ser ni en repetition från ankartrådsilket från en trädgårdsspindel av släktet Argiope. Den är kort. Och nertill är repetitionssekvensen för äggsäcken, eller det tubformade silkesproteinet från exakt samma spindel. Och ni kan se hur otroligt olika dessa silkesprotein är – det är detta som är skönheten med silkesgenfamiljens diversifikation. Man kan se hur repetitionerna skiljer sig i längd. De skiljer sig också i sekvens. Även här har jag färgat glycinet grönt, alaninet rött och serinet, bokstaven S, i lila. Och ni kan se att repetitionen ovantill kan beskrivas nästan helt och hållet med grönt och rött, och att repetitionen nedtill har en betydande del lila. Vad vi silkesbiologer försöker göra är att knyta dessa sekvenser, dessa sekvenser av aminosyror, till de mekaniska egenskaperna hos silkesfibrerna.

Det är synnerligen praktiskt att spindlar använder sitt silke nästan uteslutande utanför sin kropp. Detta gör det mycket enkelt att testa spindelsilke i labbet, eftersom vi då faktiskt testar det i luften, alltså samma miljö som spindlarna själva använder sina silkesproteiner i. Detta gör det enkelt att kvantifiera silkets egenskaper med metoder som testar draghållfastheten vilket ungefär går ut på att dra i ena änden på fibern. Här är kurvorna som visar hållfastheten som vi fått fram genom att testa draghållfastheten på fem olika fibrer från samma spindel. Det ni kan se här är att de fem fibrerna beter sig på olika sätt. Speciellt om ni tittar på den vertikala axeln, den för spänning. Om ni tittar på det maximala värdet för spänning för de olika fibrerna så ser ni att det är stor variation, och att ankartråden, eller storampull-silket är den starkaste av dessa fibrer. Vi tror att detta beror på att ankartrådsilket, vilket används för att göra ramen och radierna i nätet, behöver vara mycket starkt.

Om man, å andra sidan, tittar på töjbarheten – detta är hur mycket en fiber kan sträckas ut – om man tittar på det maximala värdet kan man även här se en stor variation och den tydliga vinnaren är den flagellumformade fibern, eller fångstspiralens filament. Denna flagellumformade fiber kan i själva verket sträckas ut till två gånger sin utgångslängd. Silkesfibrer varierar alltså i styrka men också i töjbarhet. Vad gäller fångstspiralen så måste den vara töjbar för att klara av stöten av flygande byten. Om det inte var så töjbart så skulle insekter som träffade det bara studsa av igen som från en trampolin. Så om nätet skulle vara gjort av ankartrådsilke skulle insekter förmodligen bara studsa av igen. Men genom att ha riktigt riktigt töjbart silke i fångstspiralen kan nätet absorbera stöten från det fångade bytet.

Det finns stor variation mellan de olika fibrer som en enskild spindel kan producera. Vi kallar det spindelns verktygslåda. Den är vad spindeln har för att kunna interagera med sin omgivning. Men hur är det med variationen mellan olika spindelarter, om man alltså tittar på en sorts silke hos olika spindelarter? Detta är ett till stor del outforskat område men här är lite data som jag kan visa er. Detta är en jämförelse av ankartrådsilkets seghet hos 21 olika spindelarter. Vissa av dem är spindlar som spinner runda nät och vissa är spindlar som spinner andra typer av nät. Hypoteser har lagts fram att de spindlar som spinner runda nät, som denna Argiope-spindel, borde ha det segaste ankartrådsilket, eftersom de måste fånga flygande byten. Det ni ser här på det seghetsdiagrammet är att ju högre den svarta punkten är i diagrammet desto segare är det.

De 21 olika arterna har här delats in fylogenetiskt, i detta evolutionära träd, som visar deras genetiska släktband och jag har färgat de spindlar som spinner runda nät i gult. Om ni tittar här till höger på de två röda pilarna, så pekar de ut seghetsvärdena för ankartrådarna hos Nephila Clavipes och Araneus Diadematus. Dessa är de två spindelarter på vilka majoriteten av tid och pengar lagts ner på forskning för att få fram syntetiskt spindelsilke genom att replikera proteinerna i deras draglinjesilke. Deras ankartrådar är dock inte de segaste. I själva verket var den segaste draglinan i den här undersökningen den här till höger i det här vita området, en spindel som inte spinner runda när. Det här är ankartråden hos en spindel av släktet scytodes, den spottande spindeln. Dessa spindlar använder inte nät över huvud taget för att fånga byte. Istället kryper de liksom omkring och väntar på bytet för att komma nära det och sen immobiliserar de bytet genom att spruta ett silkesliknande gift på insekten. Ungefär som att jaga med "silly string". Det är så spottspindeln jagar byte. Vi vet egentligen inte varför spottspindlarna behöver en så seg ankartråd men det är oväntade resultat som dessa som gör bioprospektering så spännande och meningsfullt. Det befriar oss från vår fantasis begränsningar.

Nu lägger jag på seghetsvärdena för nylonfiber, bombyx – eller silke från odlade silkesmaskar – ylle, Kevlar och kolfiber. Och det ni kan se är att nästan alla spindelankartrådar överträffar dem. Det är kombinationen av styrka, töjbarhet och seghet som gör spindelsilke så speciellt och det har lockat till sig biomemetiker, alltså människor som vänder sig till naturen för att hitta nya lösningar. Och styrkan, töjbarheten och segheten hos spindelsilke tillsammans med faktumet att silke inte ger immunologiskt utslag har lett till ett intresse för att använda spindelsilke i biomedicinska tillämpningar, till exempel som en komponent i artificiella senor, för att fungera som guider vid nervåterväxt och som byggnadsställningar vid vävnadsväxt.

Spindelsilke har också stor potential på grund av dess antiballistiska egenskaper. Olika silkestyper skulle kunna integreras i kropps- och utrustningsskydd som skulle vara lättare och mer flexibla än någon skyddsutrustning idag. Utöver dessa biomemetiska tillämpningar av spindelsilke, tycker jag personligen att spindelsilke är fascinerade att studera i sig själv. Jag älskar när jag är i labbet och en ny spindelsilkessekvens kommer in. Det är det bästa. (Skratt) Det är som om att spindlarna delar med sig av en gammal hemlighet med mig och det är därför jag kommer spendera resten av mitt liv med att studera spindelsilke. Nästa gång ni ser ett spindelnät snälla stanna upp och titta lite närmare. Ni kommer se ett av de mest högpresterande material vi känner till. För att låna från böckerna om en spindel vid namn Charlotte: "Silke är fantastiskt."

Tack! (Applåder)

(Applåder)