En fantastisk molekylær maskine

blæksprutter, blæksprutter og blæksprutter er ubestridte mestre i bedrag og camouflage. Deres ekstraordinære evne til at skifte farve, tekstur og form er uovertruffen, selv ved moderne teknologi.

Forskere i laboratoriet ved UC Santa Barbara professor Daniel Morse har længe været interesseret i de optiske egenskaber af farveskiftende dyr, og de er især fascineret af det opaliserende kystblæksprutte. Også kendt som det californiske marked blæksprutte, disse dyr har udviklet evnen til fint og kontinuerligt at justere deres farve og glans i en grad, der er uovertruffen i andre væsner. Dette gør dem i stand til at kommunikere, samt gemme sig i almindeligt syn i det lyse og ofte uden karakter af det øvre hav.

I tidligere arbejde, forskerne afslørede, at specialiserede proteiner, kaldet reflectins, kontrollere reflekterende pigmentceller - iridocytter - som igen bidrager til at ændre væsens overordnede synlighed og udseende. Men stadig et mysterium var, hvordan reflectinerne faktisk fungerede.

"Vi ville nu forstå, hvordan denne bemærkelsesværdige molekylære maskine fungerer, sagde Morse, en fremtrædende emeritusprofessor ved Institut for Molekylær, Cellulær og udviklingsbiologi, og hovedforfatter til et papir, der vises i Journal of Biological Chemistry . Forståelse for denne mekanisme, han sagde, ville give indsigt i den justerbare kontrol af nye egenskaber, som kunne åbne døren til næste generation af bio-inspirerede syntetiske materialer.

Lysreflekterende hud

Som de fleste blæksprutter, opaliserende kystblæksprutte, udøve deres trolddom ved hjælp af hvad der kan være den mest sofistikerede hud, der findes overalt i naturen. Små muskler manipulerer hudens tekstur, mens pigmenter og iriserende celler påvirker dets udseende. En gruppe celler styrer deres farve ved at udvide og trække sig sammen celler i deres hud, der indeholder sække af pigment.

Bag disse pigmentceller er et lag af iriserende celler - disse iridocytter - der reflekterer lys og bidrager til dyrenes farve på tværs af hele det synlige spektrum. Blæksprutterne har også leukoporer, som styrer reflektansen af ​​hvidt lys. Sammen, disse lag af pigmentholdige og lysreflekterende celler giver blæksprutterne mulighed for at kontrollere lysstyrken, farve og nuance af deres hud over en bemærkelsesværdig bred palet.

I modsætning til farven fra pigmenter, de stærkt dynamiske nuancer af den opaliserende kystblæksprutte skyldes, at man ændrer selve iridocytens struktur. Lys hopper mellem nanometer-størrelser, der er omtrent samme størrelse som bølgelængder i den synlige del af spektret, producerer farver. Når disse strukturer ændrer deres dimensioner, farverne skifter. Reflectinproteiner står bag disse egenskabers evne til at forme, og forskernes opgave var at finde ud af, hvordan de gør jobbet.

Takket være en kombination af genteknologi og biofysiske analyser, forskerne fandt svaret, og det viste sig at være en mekanisme langt mere elegant og kraftfuld end tidligere forestillet.

"Resultaterne var meget overraskende, "sagde første forfatter Robert Levenson, en postdoc i Morses laboratorium. Gruppen havde forventet at finde et eller to pletter på proteinet, der kontrollerede dets aktivitet, han sagde. "I stedet, vores beviser viste, at egenskaberne ved reflektinerne, der kontrollerer dets signaldetektion og den resulterende samling, er spredt over hele proteinkæden."

En osmotisk motor

Reflektin, som er indeholdt i tæt pakkede lag af membran i iridocytter, ligner lidt en række perler på en snor, fandt forskerne. Normalt, forbindelserne mellem perlerne er stærkt positivt ladede, så de frastøder hinanden, rette ud af proteinerne som ukogt spaghetti.

Morse og hans team opdagede, at nervesignaler til de reflekterende celler udløser tilsætning af fosfatgrupper til forbindelserne. Disse negativt ladede fosfatgrupper neutraliserer forbindelsernes frastødning, så proteinerne kan foldes sammen. Holdet var især begejstret for at opdage, at denne foldning afslørede nye, klæbrige overflader på de perlelignende dele af refleksen, lad dem klumpe sig sammen. Op til fire fosfater kan binde til hvert reflektinprotein, giver blæksprutten en præcist afstembar proces:Jo flere fosfater der tilsættes, jo mere proteinerne foldes sammen, progressivt eksponerer flere af de fremkommende hydrofobe overflader, og jo større klumper vokser.

Når disse klumper vokser, de mange, enkelt, små proteiner i opløsning bliver færre, større grupper af flere proteiner. Dette ændrer væsketrykket inde i membranstablerne, at drive vand ud - en form for "osmotisk motor", der reagerer på de mindste ændringer i ladningen genereret af neuronerne, hvortil lapper af tusinder af leukocorer og iridocytter er forbundet. Den resulterende dehydrering reducerer tykkelsen og afstanden mellem membranstablerne, som skifter bølgelængden af ​​reflekteret lys gradvist fra rød til gul, derefter til grøn og til sidst blå. Den mere koncentrerede opløsning har også et højere brydningsindeks, hvilket øger cellernes lysstyrke.

"Vi anede ikke, at den mekanisme, vi ville opdage, ville vise sig at være så bemærkelsesværdig kompleks, men alligevel indeholdt og så elegant integreret i et multifunktionelt molekyle-blok-kopolymer reflektin-med modstående domæner, der var så delikat klar, at de fungerer som en metastabil maskine, konstant at registrere og reagere på neuronal signalering ved præcist at justere det osmotiske tryk i en intracellulær nanostruktur for præcist at finjustere farven og lysstyrken af ​​dets reflekterede lys, "Sagde Morse.

Hvad mere er, fandt forskerne, hele processen er reversibel og cyklisk, gør blæksprutte i stand til løbende at finjustere, hvilke optiske egenskaber dens situation kræver.

Nye designprincipper

Forskerne havde med succes manipuleret refleksion i tidligere eksperimenter, men denne undersøgelse markerer den første demonstration af den underliggende mekanisme. Nu kunne det give nye ideer til forskere og ingeniører, der designer materialer med afstembare egenskaber. "Vores resultater afslører en grundlæggende sammenhæng mellem egenskaberne af biomolekylære materialer produceret i levende systemer og de højt konstruerede syntetiske polymerer, der nu udvikles på grænserne af industri og teknologi, " sagde Morse.

"Fordi reflectin virker til at kontrollere osmotisk tryk, Jeg kan forestille mig applikationer til nye metoder til energilagring og omdannelse, farmaceutiske og industrielle anvendelser, der involverer viskositet og andre væskeegenskaber, og medicinske anvendelser, " han tilføjede.

Bemærkelsesværdigt, nogle af de processer, der arbejder i disse reflectin -proteiner, deles af de proteiner, der samler sig patologisk ved Alzheimers sygdom og andre degenerative tilstande, Morse observerede. Han planlægger at undersøge, hvorfor denne mekanisme er reversibel, cyklisk, ufarlig og nyttig i tilfælde af reflectin, men irreversibel og patologisk for andre proteiner. Måske kan de finstrukturerede forskelle i deres sekvenser forklare forskellen, og endda pege på nye veje til sygdomsforebyggelse og behandling.