Два года назад междисциплинарная группа из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре обнаружила механизм, с помощью которого нейромедиатор резко меняет цвет у обычного рыночного кальмара Doryteuthis opalescens. Этот нейротрансмиттер, ацетилхолин, запускает каскад событий, кульминацией которых является добавление фосфатных групп к семейству уникальных белков, называемых рефлектинами. Этот процесс позволяет белкам конденсироваться, что приводит к изменению цвета животного.
Теперь исследователи углубились, чтобы раскрыть механизм, ответственный за резкие изменения цвета, используемые такими существами, как кальмары и осьминоги. Результаты, опубликованные в Proceedings of the National Academy of Science, в статье аспиранта по молекулярной биологии и ведущего автора Даниэля ДеМартини и соавторов Дэниела В. Крогстада и Дэниела Э. Морса, представлены в текущем выпуске журнала. Ученый.Структурные цвета зависят исключительно от плотности и формы материала, а не от его химических свойств.
Последнее исследование команды UCSB показывает, что специализированные клетки кожи кальмаров, называемые иридоцитами, содержат глубокие складки или инвагинации клеточной мембраны, простирающиеся глубоко в тело клетки. Это создает слои или ламели, которые работают как настраиваемый брэгговский отражатель.
Отражатели Брэгга названы в честь британской команды отца и сына, которые более века назад обнаружили, как периодические структуры отражают свет очень регулярным и предсказуемым образом.«Мы знаем, что головоногие моллюски используют свою настраиваемую радужность для маскировки, чтобы они могли контролировать свою прозрачность или, в некоторых случаях, совпадать с фоном», — сказал соавтор Дэниел Э. Морс, профессор биотехнологии Уилкокса в отделе молекулярной, клеточной биологии и биологии развития. директор Центра морской биотехнологии / Морского научного института UCSB.
«Они также используют его для создания запутанных паттернов, которые мешают визуальному распознаванию хищника, и для координации взаимодействий, особенно спаривания, когда они меняются от одного облика к другому», — добавил он. «Некоторые виды каракатиц, например, могут быть от ярко-красных, что означает держаться подальше, до полосатых зебр, которые являются приглашением к спариванию».Исследователи создали антитела для специфического связывания с белками рефлектинов, которые показали, что рефлектины расположены исключительно внутри пластинок, образованных складками клеточной мембраны. Они показали, что каскад событий, кульминацией которых является конденсация рефлектинов, вызывает резкое изменение осмотического давления внутри ламелей из-за вытеснения воды, которая сжимается и обезвоживает ламели, а также уменьшает их толщину и расстояние между ними.
Движение воды было продемонстрировано непосредственно с использованием меченной дейтерием тяжелой воды.
Когда нейромедиатор ацетилхолина смывается и клетка может восстановиться, ламели впитывают воду, регидратируются и позволяют им набухнуть до своей первоначальной толщины. Это обратимое обезвоживание и регидратация, сжатие и набухание изменяет толщину и интервал, что, в свою очередь, изменяет длину волны отраженного света, таким образом «настраивая» изменение цвета по всему видимому спектру.«Этот эффект конденсации на рефлектинах одновременно увеличивает показатель преломления внутри ламелей», — пояснил Морс. «Первоначально, до того, как белки консолидируются, показатель преломления — вы можете думать об этом как о плотности — внутри ламелей и снаружи, что на самом деле является внешней водной средой, одинаков. Оптической разницы нет, поэтому нет отражения. .Но когда белки консолидируются, это увеличивает показатель преломления, поэтому контраст между внутренней и внешней стороной внезапно увеличивается, в результате чего стопка ламелей становится отражающей, в то же время они обезвоживаются и сжимаются, что вызывает изменение цвета. контролировать степень, в которой это происходит — он может выбирать цвет — и это также обратимо.
Точность этой настройки путем регулирования наноразмерных размеров ламелей потрясающая ».В другой статье той же группы исследователей, опубликованной в журнале интерфейса Королевского общества, с оптическим физиком Амитабхом Гошалом в качестве ведущего автора, был проведен математический анализ изменения цвета и подтверждено, что изменения показателя преломления полностью соответствуют сделанным измерениям. с живыми клетками.
В третьей статье, опубликованной в Журнале экспериментальной биологии, сообщается об открытии группы, что у самок рыночных кальмаров есть набор полос, которые могут быть ярко активированы и могут действовать во время спаривания, чтобы позволить самке имитировать внешний вид самца, тем самым уменьшая количество брачных встреч и агрессивных контактов с самцами. Наиболее значительным открытием в этом исследовании является обнаружение пары полос, которые меняют цвет с полностью прозрачного на ярко-белый.«Это первый случай, когда были обнаружены переключаемые белые клетки на основе белков рефлектинов», — отметил Морс. «Тот факт, что эти клетки могут быть переключены нейромедиатором ацетилхолином, что они содержат некоторые из тех же белков рефлектинов и что рефлексы вынуждены конденсироваться, чтобы увеличить показатель преломления и вызвать изменение отражательной способности, все предполагают, что они действуют посредством молекулярного механизм, фундаментально связанный с контролем настраиваемого цвета ".
Могут ли эти открытия однажды найти практическое применение? «В области телекоммуникаций мы переходим к более быстрой связи с помощью света», — сказал Морс. «Мы уже используем оптические кабели и фотонные переключатели в некоторых из наших телекоммуникационных устройств. Вопрос в том — и это вопрос на данный момент — можем ли мы извлечь уроки из этих новых биофотонных механизмов, которые развивались за миллионы лет естественного отбора новым подходам. к созданию настраиваемых и переключаемых фотонных материалов для более эффективного кодирования, передачи и декодирования информации с помощью света? "Фактически, исследователи UCSB сотрудничают с Raytheon Vision Systems в Голете, чтобы исследовать применение своих открытий при разработке настраиваемых фильтров и переключаемых шторок для инфракрасных камер. В будущем возможно также применение синтетического камуфляжа.
В число других членов междисциплинарной исследовательской группы UCSB, участвовавших в этих открытиях, входят Элизабет Эк, Эрика Пандольфи, Аарон Т. Уивер и Мэри Баум.Это исследование было поддержано Управлением военно-морских исследований через премию Междисциплинарной университетской исследовательской инициативы и грантом Управления армейских исследований через Институт совместных биотехнологий UCSB.
Кроме того, использовались центральные помещения и оборудование Лаборатории исследования материалов UCSB, которые поддерживаются грантом Национального научного фонда.