Ingeniører afslører molekylære hemmeligheder bag blækspruttekræfter

Reflektiner, de unikke strukturelle proteiner, der giver blæksprutter og blæksprutter evnen til at ændre farver og blande sig med deres omgivelser, menes at have et stort potentiale for innovationer inden for så forskellige områder som elektronik, optik og medicin. Forskere og opfindere er blevet forhindret i deres forsøg på fuldt ud at udnytte disse biomolekylers kræfter på grund af deres atypiske kemiske sammensætning og høje følsomhed over for subtile miljøændringer.

I en undersøgelse offentliggjort for nylig i Proceedings of the National Academy of Sciences , University of California, Irvine-forskere har afsløret strukturen af ​​en reflektin-variant på molekylært niveau, og de har demonstreret en metode til mekanisk at kontrollere proteinets hierarkiske samling og optiske egenskaber. Disse resultater ses som vigtige trin i udnyttelsen af ​​mange af de potentielt nyttige egenskaber ved reflectin-familien.

"Mit laboratorium på UCI har i lang tid arbejdet på at efterligne blæksprutternes lysspredning og lysreflekterende evner med det mål at opfinde nye klasser af adaptive termoregulerende stoffer og andre hverdagsteknologier, " sagde medforfatter Alon Gorodetsky, UCI lektor i kemi og biomolekylær teknik. "Med denne forskning, vi har fokuseret på at udvikle en detaljeret grundlæggende forståelse af, hvordan reflektiner fungerer på et molekylært niveau."

Gorodetsky sagde, at forskere er tiltrukket af reflekser, fordi svarende til andre proteinbaserede materialer, de tilbyder mange fordelagtige egenskaber såsom kontrollerbar selvsamling, stimuli-responsivitet, brugerdefinerbar funktionalitet og kompatibilitet med andre biologiske systemer. Modelbiomaterialerne har også vist deres anvendelighed til at modificere brydningsindekset for humane celler og understøtte væksten af ​​neurale stamceller.

I deres laboratorium på UCI's Henry Sameuli School of Engineering, Gorodetsky og hans samarbejdspartnere brugte bioinformatiske forudsigelser til at vælge en reflekterende variant, producerede proteinet i bakterier og udviklede opløsningsbetingelser for at holde det i en stabil tilstand.

Forskerne brugte derefter en række værktøjer til analyse af proteinet og dets løsninger, inklusive simulering af molekylær dynamik, småvinklet røntgenspredning, og kernemagnetisk resonansspektroskopi. De undersøgte også de samlede multimere proteinensembler med teknikker som atomkraftmikroskopi og tredimensionel holotomografisk mikroskopi. Disse metoder gjorde det muligt for teamet at vurdere et komplet udvalg af kvaliteter og egenskaber for den reflekterende variant.

"Gennem vores synergistiske beregningsmæssige og eksperimentelle tilgange, vi var i stand til at belyse den tredimensionelle struktur af reflektinvarianten, derved etableres en direkte sammenhæng mellem proteinets strukturelle egenskaber og iboende optiske egenskaber, " sagde Gorodetsky. "Denne forskning kan ses som en værdifuld konceptuel ramme for at bruge denne klasse af proteiner i bioingeniørapplikationer."

Gorodetsky sagde, at hans teams arbejde vil muliggøre nye teknikker til behandling af reflektinbaserede materialer og peger på nye veje til skræddersyede skræddersyede film af proteinet på nano- og mikrometerskalaen, hvilket ville være gavnligt til biofotoniske og bioelektroniske applikationer såvel som til at inspirere til design af polymere materialer med sofistikerede lysspredningsevner. Han sagde også, at den tilgang, der blev brugt i dette projekt, kunne hjælpe med bedre at forstå de mekanismer, der understøtter blæksprutternes evne til at ændre farve.