Кальмары, осьминоги и каракатицы - бесспорные мастера обмана и маскировки. Их экстраординарная способность изменять цвет, текстуру и форму не имеет себе равных даже при использовании современных технологий.
Исследователи из лаборатории Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, профессор Дэниел Морс, давно интересовались оптическими свойствами животных, меняющих цвет, и их особенно заинтриговал опалесцирующий прибрежный кальмар. Эти животные, также известные как калифорнийские рыночные кальмары, развили способность тонко и непрерывно настраивать свой цвет и блеск до степени, не имеющей себе равных у других существ. Это позволяет им общаться, а также прятаться на виду в ярких и часто безликих верхних слоях океана.
В предыдущей работе исследователи обнаружили, что специализированные белки, называемые рефлектинами, контролируют отражающие пигментные клетки - иридоциты, - которые, в свою очередь, способствуют изменению общей видимости и внешнего вида существа. Но до сих пор оставалось загадкой, как на самом деле работали рефлектины.
«Теперь мы хотели понять, как работает эта замечательная молекулярная машина», - сказал Морс, почетный профессор кафедры молекулярной, клеточной и биологии развития и главный автор статьи, опубликованной в Journal of Biological. Химия. Понимание этого механизма, по его словам, даст представление о настраиваемом контроле возникающих свойств, что может открыть дверь для следующего поколения синтетических материалов, вдохновленных биотехнологиями.
Светоотражающая кожа
Как и большинство головоногих, опалесцирующие прибрежные кальмары практикуют свое колдовство с помощью, возможно, самой сложной кожи, которую можно найти в природе. Крошечные мышцы управляют текстурой кожи, а пигменты и радужные клетки влияют на ее внешний вид. Одна группа клеток контролирует свой цвет, расширяя и сжимая клетки кожи, содержащие мешочки с пигментом.
За этими пигментными клетками находится слой радужных клеток - тех самых иридоцитов, - которые отражают свет и вносят свой вклад в окрас животных во всем видимом спектре. У кальмаров также есть лейкофоры, которые контролируют отражательную способность белого света. Вместе эти слои пигментосодержащих и светоотражающих клеток дают кальмарам возможность контролировать яркость, цвет и оттенок своей кожи в удивительно широкой палитре.
В отличие от цвета пигментов, очень динамичные оттенки опалесцирующих прибрежных кальмаров являются результатом изменения самой структуры иридоцитов. Свет отражается между элементами нанометрового размера примерно того же размера, что и длина волны в видимой части спектра, создавая цвета. Когда эти структуры меняют свои размеры, цвета меняются. Белки-рефлектины ответственны за способность этих признаков изменять форму, и задача исследователей состояла в том, чтобы выяснить, как они выполняют эту работу.
Благодаря сочетанию генной инженерии и биофизических анализов ученые нашли ответ, и оказалось, что это гораздо более элегантный и мощный механизм, чем предполагалось ранее.
«Результаты оказались очень неожиданными», - сказал первый автор Роберт Левенсон, научный сотрудник лаборатории Морса. По его словам, группа ожидала найти одно или два пятна на белке, которые контролируют его активность. «Вместо этого наши данные показали, что особенности рефлектинов, которые контролируют обнаружение сигнала и результирующую сборку, распространяются по всей белковой цепи».
Осмотический двигатель
Исследователи обнаружили, что рефлектин, который содержится в плотно упакованных слоях мембраны иридоцитов, немного похож на ряд бусин на нитке. В норме связи между шариками сильно положительно заряжены, поэтому они отталкиваются друг от друга, расправляя белки, как сырые спагетти.
Морс и его команда обнаружили, что нервные сигналы к отражающим клеткам запускают добавление фосфатных групп к связям. Эти отрицательно заряженные фосфатные группы нейтрализуют отталкивание звеньев, позволяя белкам складываться. Команда была особенно взволнована, обнаружив, что это складывание обнажает новые липкие поверхности на похожих на шарики частях рефлектина, позволяя им слипаться. До четырех фосфатов могут связываться с каждым отражающим белком, обеспечивая кальмару точно регулируемый процесс: чем больше фосфатов добавляется, тем больше белков сворачиваются, постепенно обнажая все больше возникающих гидрофобных поверхностей, и тем больше растут скопления.
По мере того, как эти комки растут, многие, отдельные, маленькие белки в растворе становятся все меньше и больше групп из нескольких белков. Это изменяет давление жидкости внутри стопок мембран, вытесняя воду наружу - своего рода «осмотический мотор», реагирующий на малейшие изменения заряда, генерируемого нейронами, к которым подключены участки из тысяч лейкофоров и иридоцитов. В результате обезвоживания уменьшается толщина и расстояние между пакетами мембран, что постепенно сдвигает длину волны отраженного света от красного к желтому, затем к зеленому и, наконец, к синему. Более концентрированный раствор также имеет более высокий показатель преломления, что увеличивает яркость клеток.
Мы понятия не имели, что механизм, который мы обнаружим, окажется настолько удивительно сложным, но заключенным и так элегантно интегрированным в одну многофункциональную молекулу - блок-сополимерный рефлектин - с противолежащими доменами, настолько деликатно расположенными, что они действуют как метастабильная машина, постоянно воспринимающая сигналы нейронов и реагирующая на них, точно регулируя осмотическое давление внутриклеточной наноструктуры для точной настройки цвета и яркости ее отраженного света», - сказал Морс.
Более того, исследователи обнаружили, что весь процесс обратим и цикличен, что позволяет кальмару постоянно точно настраивать любые оптические свойства, которые требуются в его ситуации.
Новые принципы дизайна
Исследователи успешно манипулировали рефлексином в предыдущих экспериментах, но это исследование знаменует собой первую демонстрацию лежащего в основе механизма. Теперь он может дать новые идеи ученым и инженерам, разрабатывающим материалы с настраиваемыми свойствами. «Наши результаты показывают фундаментальную связь между свойствами биомолекулярных материалов, производимых в живых системах, и высокотехнологичных синтетических полимеров, которые в настоящее время разрабатываются на переднем крае промышленности и технологий», - сказал Морс.
«Поскольку рефлектин работает для контроля осмотического давления, я могу представить себе применение новых способов хранения и преобразования энергии, фармацевтических и промышленных применений, связанных с вязкостью и другими свойствами жидкостей, а также медицинских применений», - добавил он..
Примечательно, что некоторые из процессов, происходящих в этих белках-отражателях, являются общими для белков, которые патологически собираются при болезни Альцгеймера и других дегенеративных состояниях, заметил Морс. Он планирует исследовать, почему этот механизм является обратимым, цикличным, безвредным и полезным в случае рефлектина, но необратимым и патологическим для других белков. Возможно, тонко структурированные различия в их последовательностях могут объяснить несоответствие и даже указать на новые пути профилактики и лечения заболеваний.