Inktvissen, octopussen en inktvissen zijn onbetwiste meesters in bedrog en camouflage. Hun buitengewone vermogen om van kleur te veranderen, textuur en vorm is ongeëvenaard, zelfs door moderne technologie.

Onderzoekers in het laboratorium van UC Santa Barbara-professor Daniel Morse zijn al lang geïnteresseerd in de optische eigenschappen van kleurveranderende dieren, en ze zijn vooral geïntrigeerd door de opalen kustinktvis. Ook bekend als de Californische marktinktvis, deze dieren hebben het vermogen ontwikkeld om hun kleur en glans nauwkeurig en continu af te stemmen tot een mate die ongeëvenaard is in andere wezens. Hierdoor kunnen ze communiceren, evenals verbergen in het volle zicht in de heldere en vaak karakterloze bovenste oceaan.

In eerder werk, ontdekten de onderzoekers dat gespecialiseerde eiwitten, reflecties genoemd, controleren reflecterende pigmentcellen - iridocyten - die op hun beurt bijdragen aan het veranderen van de algehele zichtbaarheid en het uiterlijk van het wezen. Maar nog steeds een mysterie was hoe de reflecties eigenlijk werkten.

"We wilden nu begrijpen hoe deze opmerkelijke moleculaire machine werkt, " zei Morse, een Distinguished Emeritus Professor in de afdeling Molecular, Cellulaire en ontwikkelingsbiologie, en hoofdauteur van een artikel dat verschijnt in de Tijdschrift voor biologische chemie . Dit mechanisme begrijpen, hij zei, zou inzicht geven in de afstembare controle van emergente eigenschappen, die de deur zou kunnen openen naar de volgende generatie bio-geïnspireerde synthetische materialen.

Lichtreflecterende huid

Zoals de meeste koppotigen, opalen kustinktvis, oefenen hun tovenarij uit door middel van wat misschien wel de meest verfijnde huid is die overal in de natuur te vinden is. Kleine spieren manipuleren de huidtextuur, terwijl pigmenten en iriserende cellen het uiterlijk beïnvloeden. Eén groep cellen regelt hun kleur door cellen in hun huid die zakken met pigment bevatten uit te zetten en samen te trekken.

Achter deze pigmentcellen bevindt zich een laag iriserende cellen - die iridocyten - die licht reflecteren en bijdragen aan de kleur van de dieren over het hele zichtbare spectrum. De inktvissen hebben ook leukoforen, die de reflectie van wit licht regelen. Samen, deze lagen pigmenthoudende en lichtreflecterende cellen geven de inktvissen de mogelijkheid om de helderheid te regelen, kleur en tint van hun huid over een opmerkelijk breed palet.

In tegenstelling tot de kleur van pigmenten, de zeer dynamische tinten van de opaalachtige inktvis aan de kust zijn het gevolg van het veranderen van de structuur van de iridocyt zelf. Licht kaatst tussen nanometergrote kenmerken van ongeveer dezelfde grootte als golflengten in het zichtbare deel van het spectrum, kleuren produceren. Naarmate deze structuren hun afmetingen veranderen, de kleuren veranderen. Reflectine-eiwitten zitten achter het vermogen van deze functies om van gedaante te veranderen, en de taak van de onderzoekers was om erachter te komen hoe ze het werk doen.

Dankzij een combinatie van genetische manipulatie en biofysische analyses, de wetenschappers vonden het antwoord, en het bleek een mechanisme te zijn dat veel eleganter en krachtiger was dan eerder gedacht.

"De resultaten waren zeer verrassend, " zei eerste auteur Robert Levenson, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Morse. De groep had verwacht een of twee plekken op het eiwit te vinden die de activiteit ervan regelden, hij zei. "In plaats daarvan, ons bewijs toonde aan dat de kenmerken van de reflectines die de signaaldetectie en de resulterende assemblage regelen, verspreid zijn over de hele eiwitketen."

Een osmotische motor

reflecterend, die zich in dicht opeengepakte membraanlagen in iridocyten bevindt, lijkt een beetje op een reeks kralen aan een touwtje, vonden de onderzoekers. Normaal gesproken, de schakels tussen de kralen zijn sterk positief geladen, dus stoten ze elkaar af, het rechttrekken van de eiwitten zoals ongekookte spaghetti.

Morse en zijn team ontdekten dat zenuwsignalen naar de reflecterende cellen de toevoeging van fosfaatgroepen aan de verbindingen veroorzaken. Deze negatief geladen fosfaatgroepen neutraliseren de afstoting van de schakels, waardoor de eiwitten kunnen opvouwen. Het team was vooral enthousiast toen ze ontdekten dat deze vouw nieuwe, kleverige oppervlakken op de kraalachtige delen van de reflectine, waardoor ze samen kunnen klonteren. Maximaal vier fosfaten kunnen aan elk reflectine-eiwit binden, de inktvis een nauwkeurig afstembaar proces te geven:hoe meer fosfaten, hoe meer de eiwitten opvouwen, geleidelijk meer van de opkomende hydrofobe oppervlakken bloot te leggen, en hoe groter de bosjes worden.

Naarmate deze bosjes groeien, de vele, enkel, kleine eiwitten in oplossing worden minder, grotere groepen van meerdere eiwitten. Dit verandert de vloeistofdruk in de membraanstapels, water naar buiten drijven - een soort "osmotische motor" die reageert op de kleinste veranderingen in de lading die door de neuronen worden gegenereerd, waaraan pleisters van duizenden leukoforen en iridocyten zijn verbonden. De resulterende uitdroging vermindert de dikte en afstand van de membraanstapels, die de golflengte van gereflecteerd licht geleidelijk verschuift van rood naar geel, dan naar groen en tenslotte blauw. De meer geconcentreerde oplossing heeft ook een hogere brekingsindex, wat de helderheid van de cellen verhoogt.

"We hadden geen idee dat het mechanisme dat we zouden ontdekken zo opmerkelijk complex zou blijken te zijn, maar toch zo vervat en zo elegant geïntegreerd in één multifunctioneel molecuul - het blok-copolymere reflectine - met tegengestelde domeinen die zo subtiel in evenwicht zijn dat ze werken als een metastabiele machine, voortdurend neuronale signalering waarnemen en erop reageren door de osmotische druk van een intracellulaire nanostructuur nauwkeurig aan te passen om de kleur en helderheid van het gereflecteerde licht nauwkeurig af te stemmen, ' zei Morse.

Bovendien, vonden de onderzoekers, het hele proces is omkeerbaar en recyclebaar, waardoor de inktvis voortdurend de optische eigenschappen kan verfijnen die zijn situatie vereist.

Nieuwe ontwerpprincipes

De onderzoekers hadden in eerdere experimenten met succes reflectine gemanipuleerd, maar deze studie markeert de eerste demonstratie van het onderliggende mechanisme. Nu zou het nieuwe ideeën kunnen bieden aan wetenschappers en ingenieurs die materialen ontwerpen met afstembare eigenschappen. "Onze bevindingen onthullen een fundamenteel verband tussen de eigenschappen van biomoleculaire materialen geproduceerd in levende systemen en de hoogtechnologische synthetische polymeren die nu worden ontwikkeld aan de grenzen van industrie en technologie, ' zei Morse.

"Omdat reflectine werkt om de osmotische druk te beheersen, Ik kan me toepassingen voorstellen voor nieuwe manieren van energieopslag en -conversie, farmaceutische en industriële toepassingen met betrekking tot viscositeit en andere vloeibare eigenschappen, en medische toepassingen, " hij voegde toe.

Opmerkelijk, sommige van de processen die in deze reflectine-eiwitten aan het werk zijn, worden gedeeld door de eiwitten die pathologisch samenkomen bij de ziekte van Alzheimer en andere degeneratieve aandoeningen, Morse waargenomen. Hij is van plan te onderzoeken waarom dit mechanisme omkeerbaar is, fietsbaar, onschadelijk en nuttig in het geval van reflectine, maar onomkeerbaar en pathologisch voor andere eiwitten. Misschien kunnen de fijngestructureerde verschillen in hun sequenties de ongelijkheid verklaren, en zelfs wijzen op nieuwe wegen voor ziektepreventie en -behandeling.