Na teia da ciência

As aranhas são animais fascinantes que habitam não só nossas casas e jardins, mas também nossas histórias e os piores pesadelos de muita gente. Uma aranha salvou um porquinho em um livro infantil. Outras são vilões em filmes de terror. Elas até tiveram seu genoma misturado ao de um adolescente para criar um dos super-heróis mais populares entre as crianças. Essa popularidade, no entanto, não era notada nos estudos genômicos e evolutivos. Até agora

“Quando você começa a observar as aranhas, não sobra mais tempo para outras coisas – o mundo está realmente cheio delas”. E. B. White, o autor do livro infantil “Charlotte’s web” (“A menina e o porquinho” no Brasil) tinha razão ao escrever essa frase. Olhe ao seu redor – independentemente de onde você esteja, provavelmente verá uma aranha, ou pelo menos, vestígios de que uma passou por aí, seja uma teia ou fios de seda. São mais de 40 mil espécies conhecidas – e pelo menos o mesmo número de espécies ainda não identificadas – que conseguiram conquistar quase todos os tipos de ambientes.

Um dos ingredientes para esse sucesso ecológico é a capacidade de produzir e tecer seda. Há insetos que também fazem seda em algum ponto de sua vida, mas eles não têm habilidade de aranhas para tecer a seda para muitos propósitos diferentes. As aranhas usam a seda para construir abrigos, capturar suas presas, reproduzir e criar ninhos ou casulos para proteger sua progênie. Também podem escapar de inimigos saltando de bungee jump de seda e até tecer balões de seda para viajarem com ajuda do vento. Para realizar esses feitos, as aranhas tecem seus diferentes tipos de seda usando um conjunto de “agulhas” especiais. Essas “agulhas” são as fiandeiras, órgãos localizados no abdômen das aranhas (chamado pelos aracnólogos de opistossoma), a partir dos quais a seda, produzida em glândulas especiais, é exteriorizada. As fiandeiras apareceram em um ancestral comum que deu origem a todas as espécies de aranha. Assim, a presença de fiandeiras no opistossoma identifica que aquele animal pertence ao grupo (ordem) que chamamos de aranha. As fiandeiras podem apresentar diferentes formas, tamanhos, números e posições. Essas diferenças na morfologia das fiandeiras também contribuem para a criação de teias de diferentes formatos e funções, da mesma forma que diferentes agulhas são utilizadas para criar e costurar diferentes tecidos.

A seda é constituída por proteínas muito grandes e complexas, com várias repetições de aminoácidos. Algumas características das teias, como elasticidade, aderência ou resistência, são determinadas pela sequência de aminoácidos dessas proteínas. Assim, mudanças nos genes que codificam as proteínas da seda podem resultar em mudanças na forma e função da teia. A observação direta dos efeitos da mutação sobre a seda, que tem um papel tão essencial para a sobrevivência das aranhas, as torna excelentes modelos para estudar os processos evolutivos que atuaram na sua diversificação. No entanto, ainda havia poucos estudos relacionando mudanças genéticas com a forma e função da seda até recentemente. Isso pode ser explicado pela dificuldade de analisar e comparar os genes que codificam as proteínas da seda, que apresentam inúmeras repetições em sua sequência. A maioria dos estudos realizados visava a caracterização das proteínas da seda, para sua utilização em produtos tecnológicos. Este cenário está prestes a mudar, com o sequenciamento, neste ano, dos genomas de duas espécies de aranhas, Nephila clavipes e Parasteatoda tepidariorum. Com os genomas já disponíveis de Stegodyphus mimosarum, e da caranguejeira, Acanthoscurria geniculata, eles começam a impulsionar os estudos comparativos.

O sequenciamento do genoma de S. mimosarum revelou 10 genes que codificavam um tipo de seda e nove outros genes que codificavam tipos diferentes de seda. N. clavipes, por sua vez, possui 28 genes que codificam seda, sendo que oito deles ainda não eram conhecidos. Essas descobertas recentes mudaram a visão dos aracnólogos sobre a produção da seda em aranhas. Acreditava-se que havia um gene para cada tipo de seda, mas a relação um gene-um tipo de seda não é a regra. As aranhas que tecem teias orbiculares possuem várias glândulas sericígenas, i.e., produtoras de seda, que são divididas em sete tipos. A combinação de genes ligados e desligados (genes expressos ou não) em cada glândula é conservada entre diferentes espécies, mas difere entre as glândulas. Assim, cada tipo de glândula produz uma mistura de proteínas que resulta em um tipo específico de seda, ao ser exteriorizada por uma das fiandeiras. Esses achados contribuirão para a síntese artificial de polímeros para aplicações industriais e para entender como mudanças na sequência e expressão dos genes afetam a forma de utilização da seda pelas aranhas.

Além da seda, a constituição do veneno das aranhas também desperta bastante interesse por seu potencial aplicado na busca de novos medicamentos. Aplicações potenciais de toxinas encontradas no veneno das aranhas vão desde de medicamentos anti-coagulantes até antagonistas da toxina botulínica. Mesmo antes do sequenciamento completo dos genomas, o veneno da viúva negra, Latrodectus tredecimguttatus, já havia sido estudado, permitindo a identificação das latrotoxinas. No genoma da aranha doméstica, P. tepidariorum, foram encontrados 47 genes que codificam latrotoxinas, todas diferentes das encontradas na viúva negra. Por exemplo, a viúva negra produz a alfa-latrotoxina, responsável pelos temidos efeitos neurotóxicos do veneno desta aranha. Os dois genes conhecidos que codificam alfa-latrotoxinas são bastante conservados no gênero Latrodectus, consistente com a atuação da seleção purificadora, indicando que exercem uma função importante, que precisou ser mantida ao longo do tempo. No entanto, os genes são bastante divergentes entre os gêneros Latrodectus e Steatoda, e apresentam uma elevada taxa de evolução molecular em Latrodectus. O genoma de P. tepidariorum nem apresenta genes que codificam alfa-latrotoxina. Essa toxina age especificamente nas células nervosas de vertebrados e, apesar de pequenos vertebrados representarem uma pequena fração da dieta da viúva negra, a conservação do gene indica sua importância funcional.

Mais de 3400 genes expressos em 70 espécies de aranhas foram também utilizados para entender a história evolutiva da ordem Araneae. A ordem é dividida em dois grandes grupos: Mesothelae e Opisthothelae (figura 1). Representantes de Mesothelae possuem segmentação visível e fiandeiras localizadas no meio do opistossoma, enquanto as aranhas do grupo Opisthothelae não têm segmentação aparente e as fiandeiras estão localizadas na parte posterior do opistossoma. Opisthothelae é dividido em duas infraordens: Mygalomorphae, incluindo as caranguejeiras, e Araneomorphae, com os milhares de aranhas que tecem teias orbiculares, e as aranhas saltadoras, sem estas teias. As aranhas que perderam a habilidade de tecer teias orbiculares tiveram uma diversificação muito mais rápida do que a de suas parentes mais famosas no cinema. Sem a necessidade de construir e manter suas teias, essas aranhas passaram a explorar novos ambientes, o que pode ter permitido o rápido aparecimento de novas espécies.

Figura 1. Morfologia das espécies pertencentes aos grandes grupos da ordem Araneae. (A) Mesothelae: aranhas com segmentação (divisões) visível do opistossoma e fiandeiras localizadas no meio do opistossoma. (B) Mygalomorphae: fiandeiras localizadas na parte posterior do opistossoma; inclui as caranguejeiras. (B) Araneomorphae: fiandeiras localizadas na parte posterior do opistossoma; inclui as aranhas que tecem teias orbiculares, e as aranhas saltadoras. Fonte: (http://www.inbioveritas.net/en/spiders/systematics)

O tamanho e a complexidade do genoma das aranhas (muitas repetições e genes duplicados) ainda dificulta a análise comparativa de genomas em um número maior de espécies, mas, aos poucos, novas iniciativas nos permitirão estudar a importância dos diferentes tipos de seda no sucesso ecológico das aranhas.

Tatiana T. Torres (USP)

Para saber mais:

Pennisi E (2017) Untangling spider biology. Science, 358: 288-291.

Mammola S, Michalik P, Hebets EA, Isaia M (2017) Record breaking achievements by spiders and the scientists who study them. PeerJ, 5: e3972

Brunetta L, Craig CL (2010) Spider Silk: Evolution and 400 Million Years of Spinning, Waiting, Snagging, and Mating. Yale University Press, 248 pp.