Hakowanie ludzkich komórek, aby zachowywały się jak komórki skóry kałamarnicy, może odblokować klucz do kamuflażu Ars Technica

Niektóre głowonogi, takie jak mątwy, ośmiornice i mątwy, mają zdolność kamuflowania się, stając się przezroczystymi i / lub zmieniając kolor. Naukowcy chcieliby dowiedzieć się więcej o dokładnych mechanizmach tej wyjątkowej zdolności, ale komórki skóry mątwy nie mogą być hodowane w laboratorium. Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine odkryli realne rozwiązanie: odtworzyć w laboratorium właściwości komórek skóry mątwy w komórkach ssaków (ludzkich). Oni przedstawili swoje badania Na spotkaniu American Chemical Society w tym tygodniu w Indianapolis.

„Ogólnie rzecz biorąc, istnieją dwa sposoby na uzyskanie przezroczystości” — powiedział Alon Gorodetsky, który od mniej więcej dekady był zafascynowany kamuflażem kałamarnicy. podczas briefingu prasowego Na spotkaniu AZS. „Jednym ze sposobów jest zmniejszenie ilości światła, które jest pochłaniane – zazwyczaj na bazie pigmentów. Innym sposobem jest zmiana sposobu rozpraszania światła, zwykle poprzez dostosowanie do różnic we współczynniku załamania światła”. To ostatnie jest przedmiotem badań jego laboratorium.

Skóra mątwy jest przezroczysta i posiada zewnętrzną warstwę komórek barwnikowych tzw chromatofory które kontrolują pochłanianie światła. Każdy chromatofor jest przyczepiony do włókien mięśniowych, które wyścielają powierzchnię skóry, a te włókna z kolei są połączone z włóknami nerwowymi. Jest to prosta sprawa stymulowania tych nerwów impulsami elektrycznymi, powodując skurcze mięśni. Ponieważ mięśnie napinają się w różnych kierunkach, komórka rozszerza się wraz z obszarami pigmentowanymi, co zmienia kolor. Gdy komórka się kurczy, obszary pigmentowane kurczą się.

Pod chromatoforami znajduje się osobna warstwa opraw tęczówkowych. W przeciwieństwie do chromatoforów, tęczówka nie jest oparta na pigmentach, ale jest przykładem koloru strukturalnego, podobnego do kryształów w skrzydłach motyla, z wyjątkiem tego, że tęczówka mątwy jest raczej dynamiczna niż statyczna. Można je dostroić, aby odbijały różne długości fal światła. A Papier 2012 zasugerowali, że ten dynamicznie przestrajalny kolor strukturalny tęczówki jest związany z neuroprzekaźnikiem zwanym acetylocholiną. Dwie warstwy współpracują ze sobą, aby uzyskać unikalne właściwości optyczne skóry mątwy.

Następnie są leukofory, podobne do tęczówek, z wyjątkiem tego, że rozpraszają pełne spektrum światła, więc wydają się białe. Zawierają odblaskowe białka, które normalnie zlepiają się w nanocząsteczki, dzięki czemu światło jest raczej rozpraszane niż bezpośrednio pochłaniane lub transmitowane. Leukofory występują głównie w mątwach i ośmiornicach, ale jest też kilka samic mątwy z rodzaju sepioteuthis Które zawierają leukofory, które mogą „dostroić” je tak, aby rozpraszały tylko określone długości fal światła. Jeśli komórki przepuszczają światło z niewielkim rozproszeniem, będą wyglądać na bardziej przezroczyste, podczas gdy komórki stają się nieprzezroczyste i wyraźniejsze dzięki rozpraszaniu większej ilości światła. To są komórki, które interesują Gorodeckiego.

W 2015 roku powstało Laboratorium Gorodeckiego Naklejki maskujące inspirowane kałamarnicą Na jeden dzień, aby pomóc żołnierzom ukryć się, nawet przed kamerami na podczerwień. Naklejki były cienkimi, elastycznymi warstwami kamuflażu Umiejętność Aby wziąć wzór pasujący do odbicia w podczerwieni żołnierzy z ich tłem. Zamiast zabijać kałamarnicę w celu syntezy białek odblaskowych, mogą ją wyrazić H. coli kultury bakteryjne. Następnie zmodyfikowanymi bakteriami pokryli ekwiwalent zwykłej domowej taśmy do pakowania. Etykietowanie można dostosować tylko poprzez zmianę grubości filmu bakteryjnego. Cienkie filmy wydawały się niebieskie; Grube filmy wyglądały na pomarańczowe.

Po eksperymentach ze skróconymi wersjami białka w celu zbadania jego współczynnika załamania światła i sposobu, w jaki rozprasza światło, zespół Gorodetsky’ego rozszerzył teraz te badania, wprowadzając geny pochodzące z kałamarnic, które kodują dyfrakcję do ludzkich komórek. Sztuczka polegała na tym, aby odblaskowe nanostruktury tworzyły się stabilnie, a nie tymczasowo. Dodanie soli do pożywki do hodowli komórkowej spowodowało, że współczynnik odbicia skupił się w nanocząsteczkach rozpraszających światło, a poprzez stopniowe zwiększanie stężenia soli nanocząsteczki stawały się większe, tak że więcej światła było rozpraszane, zasadniczo „dostrajając” ich przyciemnianie. Wykonali szczegółowe zdjęcia poklatkowe właściwości nanocząstek za pomocą techniki zwanej holotografia.

„Naprawdę staraliśmy się zrozumieć, czy wewnętrzne właściwości tych białek – ich wysokie współczynniki załamania światła, ich zdolność do samoorganizacji w określone struktury – mogą być replikowane w komórce ssaków” – powiedział Gorodetsky. „Więc zmodyfikowaliśmy komórki ssaków, aby wytwarzały duże ilości tego białka. I odkryliśmy, że… [resulting] Samoorganizujące się struktury były pod wieloma względami bardzo podobne pod względem rozmiarów i właściwości optycznych. „

Kiedy wybuchła pandemia COVID-19 i nie można było pracować w laboratorium, doktorant Gorodetsky’ego, Georgy Bogdanov, wykorzystał dane obrazowe do stworzenia modelu obliczeniowego, umożliwiając im przewidywanie i porównywanie właściwości optycznych komórek kałamarnic i ich inżynierii. komórki sutka. „Współczynniki załamania światła są porównywalne, co jest głównym składnikiem tego zjawiska” – powiedział Bogdanow. „Chociaż rozmiary tych cząstek są również podobne, daje to doskonałe porównanie rozpraszania światła, które występuje w skórze kałamarnicy i komórkach ssaków”.

A co z potencjalnymi zastosowaniami? Na początku tego roku informowaliśmy, że inżynierowie z University of Toronto zainspirowali się mątwami do stworzenia prototypu „płynnych okien”, które mogą zmieniać długość fali, intensywność i rozkład światła przepuszczanego przez te okna, znacznie oszczędzając w ten sposób koszty energii. Gorodetsky powiedział, że jednym z potencjalnych zastosowań jego badań jest wykorzystanie białek odblaskowych jako subkomórkowych sond molekularnych o wysokim współczynniku załamania światła, stosowanych w połączeniu z zaawansowanymi technikami mikroskopowymi. Takie genetycznie zakodowane markery nie powodowałyby owulacji w ludzkich komórkach, umożliwiając naukowcom śledzenie struktury komórkowej w celu lepszego zrozumienia wzrostu i rozwoju komórek.

DOI: ACS Biomaterials Science & Engineering, 2023. 10.1021/acsbiomaterials.2c00088 (o DOI).