У павлина-самца красивые перья, привлекающие самок, а листья лотоса очень водоотталкивающие благодаря сложной структуре поверхности. И красочные перья, и способность отталкивать воду обусловлены узорами крошечной структуры поверхности в нанометровом (одна миллионная часть миллиметра) масштабе. Хотя такие поверхностные структуры распространены в природе, пути их развития и биологические механизмы, лежащие в основе их образования, изучены недостаточно. Теперь исследовательская группа под руководством Шигео Хаяси из Центра исследований динамики биосистем RIKEN (BDR) получила важные сведения о том, как нанопоры, которые позволяют плодовой мушке обнаруживать химические вещества в воздухе, и определила ген, ответственный за их развитие.
Насекомые имеют внешние скелеты, называемые экзоскелетами, которые помогают им выживать в суровых условиях и защищать их от хищников, помогая им расселиться почти по всей земле. Способность ощущать запахи в воздухе также способствует способности искать пищу, партнеров и другие сигналы окружающей среды. У насекомых кутикула, покрывающая сенсиллы - органы обоняния, находящиеся на антеннах насекомых, - имеет маленькие поры диаметром от 50 до 200 нанометров. Считается, что эти нанопоры функционируют как фильтры, которые позволяют проникать молекулам запаха, но предотвращают проникновение более крупных частиц в воздухе и помогают насекомым избежать потери жидкости.
Чтобы узнать больше о том, как развиваются эти поры, исследователи подробно наблюдали за развивающейся куколкой плодовой мухи с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Они обнаружили, что кутикулярные нанопоры в обонятельных сенсиллах плодовой мушки происходят из изогнутой ультратонкой пленки, которая формируется в самом внешнем слое оболочки кутикулы и секретируется из специализированных выступов в плазматической мембране волосообразующей (трихогенной) клетки. Кривизна оболочки совпадает с изгибами плазматической мембраны, связанными со структурами внутри клеток.
Затем они провели исследование генетики образования пор. Используя секвенирование генома нового поколения, они обнаружили ген, названный gore-tex, который отвечает за образование пор. Выключение гена не приводило к каким-либо нарушениям морфологии и не влияло на выживаемость мух, но препятствовало образованию пор на сенсиллах и способности к обонянию. Дальнейшие анализы показали, что ген gore-tex является членом семейства генов, называемого Osiris, и кодирует белок, необходимый для искривления оболочки, образования нанопор и восприимчивости к запаху, и экспрессируется специфически в развивающихся обонятельных клетках трихогена. Другие члены семейства генов Osiris экспрессируются в секретирующих кутикулу клетках и встречаются только в геномах насекомых.
«Наше исследование выявило элементы, необходимые для развития нанопор, позволяющих воспринимать запахи, и определило гены Осириса как платформу для изучения эволюции поверхностных нанотехнологий у насекомых», - говорит Хаяши.«Мы надеемся, что подобные исследования помогут нам понять, как природа строит эти удивительные наноструктуры, которые позволяют живым существам приобретать множество специализированных функций».