Хакване на човешки клетки, за да действат като кожни клетки на калмари, може да отключи ключа за камуфлажа Ars Technica

Някои главоноги, като сепия, октоподи и сепия, имат способността да се маскират, като стават прозрачни и/или променят цвета си. Учените биха искали да знаят повече за точните механизми зад тази уникална способност, но клетките на кожата на сепия не могат да се отглеждат в лаборатория. Изследователи от Калифорнийския университет в Ървайн са открили жизнеспособно решение: възпроизвеждане на свойствата на кожните клетки на сепия в клетки на бозайници (човешки) в лаборатория. те представиха своето изследване На срещата на Американското химическо общество тази седмица в Индианаполис.

„Общо казано, има два начина, по които можете да постигнете прозрачност“, каза Алон Городецки, който е очарован от камуфлажа на калмари през последното десетилетие. по време на брифинг за медиите На заседанието на ACS. „Един начин е чрез намаляване на количеството светлина, което се абсорбира – обикновено оцветяване на основата на пигменти. Друг начин е чрез промяна на начина, по който светлината се разпръсква, обикновено чрез коригиране на разликите в индекса на пречупване.“ Последното е фокусът на изследванията на неговата лаборатория.

Кожата на сепията е прозрачна и има външен слой от пигментни клетки, т.нар хроматофори които контролират абсорбцията на светлината. Всеки хроматофор е прикрепен към мускулни влакна, които покриват повърхността на кожата, а тези влакна от своя страна са свързани с нервните влакна. Това е прост въпрос на стимулиране на тези нерви с електрически импулси, което кара мускулите да се свиват. Тъй като мускулите се стягат в различни посоки, клетката се разширява с пигментираните участъци, които променят цвета си. Когато клетката се свие, пигментираните участъци се свиват.

Под хроматофорите има отделен слой от ирисови опори. За разлика от хроматофорите, ирисът не е базиран на пигмент, а е пример за структурен цвят, подобен на кристалите в крилете на пеперуда, с изключение на това, че ирисът на сепия е динамичен, а не статичен. Те могат да бъдат настроени да отразяват различни дължини на вълната на светлината. а Хартия 2012 предполагат, че този динамично регулируем структурен цвят на ириса е свързан с невротрансмитер, наречен ацетилхолин. Двата слоя работят заедно, за да генерират уникалните оптични свойства на кожата на сепия.

След това има левкофори, подобни на ирисите, с изключение на това, че разпръскват пълния спектър на светлината, така че изглеждат бели. Те съдържат отразяващи протеини, които обикновено се събират в наночастици, така че светлината се разпръсква, а не се абсорбира или предава директно. Левкофорите се намират предимно в сепия и октоподи, но има някои женски сепии от рода sepioteuthis Които съдържат левкофори, които могат да ги „настроят“ да разпръскват само определени дължини на вълната на светлината. Ако клетките позволяват на светлината да преминава с малко разсейване, те ще изглеждат по-прозрачни, докато клетките стават непрозрачни и по-ясни, като разпръскват повече светлина. Това са клетките, които интересуват Городецки.

През 2015 г. е създадена лабораторията Городецки Маскиращи стикери, вдъхновени от калмари За един ден, за да помогне на войниците да се маскират, дори и от инфрачервени камери. Стикерите бяха тънки, гъвкави слоеве камуфлаж Способност За да вземете модел, който да съпостави инфрачервеното отражение на войниците с фона им. Вместо да убиват калмарите, за да синтезират отразяващите протеини, те могат да ги експресират з. коли бактериални култури. След това те покриха еквивалента на обикновена домакинска опаковъчна лента с модифицираните бактерии. Етикетирането може да се регулира само чрез промяна на дебелината на бактериалния филм. Тънките филми изглеждаха сини; Дебелите филми изглеждаха оранжеви.

След като вече експериментира с пресечени версии на протеина, за да проучи неговия индекс на пречупване и как разпръсква светлината, екипът на Городецки сега разшири това изследване, като въведе гени, получени от калмари, които кодират дифракция в човешки клетки. Номерът беше да се накарат отразяващите наноструктури да се образуват стабилно, а не временно. Добавянето на сол към средата за клетъчна култура накара отражението да се слепи заедно в разсейващи светлината наночастици и чрез постепенно увеличаване на концентрациите на сол, наночастиците станаха по-големи, така че повече светлина се разпръсна, като по същество „настрои“ тяхното затъмняване. Те направиха подробни изображения с изтичане на времето на свойствата на наночастиците, използвайки техника, наречена холотография.

„Ние наистина се опитвахме да разберем дали присъщите свойства на тези протеини – техните високи индекси на пречупване, способността им да се самосглобяват в специфични структури – могат да бъдат възпроизведени в клетка на бозайник“, каза Городецки. „Така че създадохме клетки на бозайници да произвеждат големи количества от този протеин. И открихме, че… [resulting] Самосглобяващите се структури бяха много сходни по много начини по отношение на техните размери и оптични свойства. „

Когато пандемията от COVID-19 удари и не беше възможно да се работи в лабораторията, аспирантът на Городецки Георги Богданов използва данни от изображения, за да създаде изчислителен модел, който им позволява да правят прогнози и да сравняват оптичните свойства на клетките на калмари и техните инженерни млечни клетки. „Коефициентите на пречупване са съпоставими, което е основният компонент на това явление“, каза Богданов. „Въпреки че размерите на тези частици също са сходни, това дава перфектно сравнение на разсейването на светлината, което се случва в кожата на калмари и клетките на бозайници.“

Какво ще кажете за потенциалните приложения? По-рано тази година съобщихме, че инженери от университета в Торонто са били вдъхновени от сепия, за да създадат прототип на „течни прозорци“, които могат да променят дължината на вълната, интензитета и разпределението на светлината, предавана през тези прозорци, като по този начин спестяват значително разходи за енергия. Едно потенциално приложение на неговото изследване, каза Городецки, е използването на отразяващи протеини като субклетъчни молекулярни сонди с висок индекс на пречупване, използвани във връзка с усъвършенствани техники за микроскопия. Такива генетично кодирани маркери няма да овулират в човешките клетки, което позволява на учените да проследят клетъчната структура, за да получат по-добро разбиране на клетъчния растеж и развитие.

DOI: ACS Biomaterials Science & Engineering, 2023. 10.1021/acsbiomaterials.2c00088 (относно DOI).