Некоторые головоногие, такие как каракатицы, осьминоги и каракатицы, обладают способностью маскироваться, делая себя прозрачными и/или меняя цвет. Ученые хотят узнать больше о точном механизме этой уникальной способности, но клетки кожи каракатицы нельзя выращивать в лаборатории. Исследователи из Калифорнийского университета в Ирвине нашли жизнеспособное решение: воспроизвести свойства клеток кожи каракатицы в клетках млекопитающих (человека) в лаборатории. они представили свое исследование на собрании Американского химического общества на этой неделе в Индианаполисе.
«Вообще, есть два способа добиться прозрачности», — сказал Алон Городецкий, который около десяти лет увлекается камуфляжем кальмаров. во время пресс-конференции на заседании АСБ. «Один из способов — уменьшить количество поглощаемого света — обычно окрашивание на основе пигмента. Другой способ — изменить способ рассеяния света, обычно путем поправки на разницу в показателе преломления». Последнее находится в центре внимания его лабораторных исследований.
Кожа каракатицы прозрачна и имеет внешний слой пигментных клеток, называемых хроматофорами, которые контролируют поглощение света. Каждый хроматофор прикреплен к мышечным волокнам, выстилающим поверхность кожи, а эти волокна, в свою очередь, связаны с нервными волокнами. Это просто вопрос стимуляции этих нервов электрическими импульсами, заставляющими мышцы сокращаться. По мере растяжения мышц в разные стороны клетки расширяются пигментированными участками, которые меняют цвет. Когда клетки сжимаются, пигментированные области уменьшаются.
Под хроматофором находится отдельный слой радужных оправ. В отличие от хроматофоров, радужная оболочка не основана на пигменте, а является примером структурной окраски, подобной кристаллам на крыле бабочки, за исключением того, что радужная оболочка каракатицы более динамична, чем статична. Они могут быть настроены для отражения различных длин волн света. В статье 2012 года было высказано предположение, что этот динамически регулируемый структурный цвет радужной оболочки связан с нейротрансмиттером, называемым ацетилхолином. Два слоя работают вместе, создавая уникальные оптические свойства кожи каракатицы.
Затем идут лейкофоры, похожие на ирисы, за исключением того, что они рассеивают весь спектр света, поэтому кажутся белыми. Они содержат отражающие белки, которые обычно агломерируются в наночастицы, так что свет скорее рассеивается, чем поглощается или передается напрямую. Лейкофоры распространены у каракатиц и осьминогов, но есть несколько самок каракатиц этого рода. сепиотевтис Которые содержат лейкофоры, которые могут «настраивать» их на рассеяние только определенных длин волн света. Если клетки пропускают свет с меньшим рассеянием, они будут казаться более прозрачными, тогда как клетки становятся непрозрачными и ясными, рассеивая больше света. Именно эти камеры и привлекли внимание Городецкого.
В 2015 году «Городецкие лаборатории» на один день создали маскирующие наклейки, вдохновленные кальмарами, чтобы помочь солдатам скрываться даже от инфракрасных камер. Наклейка имеет тонкий гибкий камуфляжный слой. Способность Подбирает узоры, соответствующие инфракрасным отражениям солдат на их фоне. Вместо того, чтобы убивать кальмаров для синтеза отражающего белка, они могут его экспрессировать. H. coli бактериальная культура. Потом заклеили обычным бытовым скотчем с модифицированными бактериями. Маркировку можно регулировать только изменением толщины бактериальной пленки. Тонкие пленки кажутся синими; Толстая пленка кажется оранжевой.
После экспериментов с укороченными версиями белка для изучения его показателя преломления и того, как он рассеивает свет, команда Городецкого теперь расширяет это исследование, вводя полученный из кальмаров ген, кодирующий дифракцию, в клетки человека. Хитрость заключается в том, чтобы заставить отражающие наноструктуры формироваться стабильно, а не временно. Добавление соли в среду для культивирования клеток приводит к тому, что отражения агломерируются в светорассеивающие наночастицы, и при постепенном увеличении концентрации соли наночастицы становятся больше, поэтому рассеивается больше света, по существу «настраивая» их затемнение. Они сделали подробные замедленные снимки свойств наночастиц, используя технику, называемую голотографией.
ACS Биоматериаловедение и инженерия, 2023 г.
«Мы действительно пытаемся понять, могут ли внутренние свойства этих белков — их высокий показатель преломления, их способность к самосборке в определенные структуры — быть воспроизведены в клетках млекопитающих», — сказал Городецкий. «Поэтому мы спроектировали клетки млекопитающих так, чтобы они производили большое количество этого белка. И мы обнаружили, что… [resulting] Самособирающиеся структуры во многом очень похожи по размеру и оптическим свойствам. “
Когда разразилась пандемия COVID-19 и сделала невозможной работу в лаборатории, аспирант Городецкого Георгий Богданов использовал данные изображений для создания вычислительных моделей, что позволило им делать прогнозы и сравнивать оптические свойства клеток кальмаров и их инженерных аналоги. молочные клетки. «Показатели преломления пропорциональны, что является главной составляющей этого явления», — говорит Богданов. «Несмотря на то, что размеры этих частиц также схожи, это обеспечивает идеальное сравнение рассеяния света, которое происходит в коже кальмара и клетках млекопитающих».
Как насчет потенциальных приложений? Ранее в этом году мы сообщали, что каракатица вдохновила инженеров Университета Торонто на создание прототипа «жидкого окна», которое могло бы изменять длину волны, интенсивность и распределение света, излучаемого через окно, что приводило к значительной экономии затрат на электроэнергию. Одним из возможных применений его исследований, по словам Городецкого, является использование отражающих белков в качестве субклеточных молекулярных зондов с высоким показателем преломления в сочетании с передовыми методами микроскопии. Такие генетически закодированные маркеры не будут овулировать внутри клеток человека, что позволит ученым проследить клеточную структуру, чтобы лучше понять рост и развитие клеток.
DOI: ACS Biomaterials Science & Engineering, 2023. 10.1021/acsbimaterials.2c00088 (о DOI).
