Algunos cefalópodos como la sepia, el pulpo y la sepia tienen la capacidad de camuflarse haciéndose transparentes y/o cambiando de color. Los científicos quieren saber más sobre el mecanismo exacto detrás de esta habilidad única, pero las células de la piel de la sepia no se pueden cultivar en un laboratorio. Investigadores de la Universidad de California, Irvine, han encontrado una solución viable: replicar las propiedades de las células de la piel de la sepia en células de mamíferos (humanos) en el laboratorio. ellos presentar su investigación En la reunión de la American Chemical Society esta semana en Indianápolis.
“En general, hay dos formas de lograr la transparencia”, dijo Alon Gorodetsky, quien ha estado fascinado con el camuflaje de calamar durante aproximadamente una década. en una conferencia de prensa En la reunión de ASS. “Una forma es reducir la cantidad de luz absorbida, por lo general, la coloración a base de pigmentos. Otra forma es cambiar la forma en que se dispersa la luz, generalmente ajustando las diferencias en el índice de refracción”. Este último es el foco de su investigación de laboratorio.
La piel de la sepia es transparente y tiene una capa externa de células pigmentarias llamadas cromatóforo que controla la absorción de la luz. Cada cromatóforo está unido a las fibras musculares que recubren la superficie de la piel y estas fibras, a su vez, están conectadas a las fibras nerviosas. Es una simple cuestión de estimular esos nervios con impulsos eléctricos, haciendo que los músculos se contraigan. A medida que los músculos se estiran en diferentes direcciones, las células se expanden con áreas pigmentadas que cambian de color. Cuando las células se encogen, las áreas pigmentadas se encogen.
Debajo del cromatóforo, hay una capa separada de montajes de iris. A diferencia de los cromatóforos, el iris no se basa en pigmentos, sino que es un ejemplo de coloración estructural, similar a los cristales en el ala de una mariposa, excepto que el iris de la sepia es más dinámico que estático. Se pueden ajustar para reflejar diferentes longitudes de onda de luz. A papel de 2012 sugirió que este color estructural dinámicamente ajustable del iris está relacionado con un neurotransmisor llamado acetilcolina. Las dos capas trabajan juntas para producir las propiedades ópticas únicas de la piel de la sepia.
Luego están los leucóforos, similares a los iris excepto que dispersan todo el espectro de luz, por lo que parecen blancos. Contienen proteínas reflectantes que normalmente se aglomeran en nanopartículas, de modo que la luz se dispersa en lugar de absorberse o transmitirse directamente. Los leucóforos son comunes en sepias y pulpos, pero hay varias sepias hembras del género sepioteuthis Los cuales contienen leucóforos que pueden “ajustarlos” para dispersar solo ciertas longitudes de onda de luz. Si las células dejan pasar la luz con menos dispersión, aparecerán más transparentes, mientras que las células se vuelven opacas y más claras al dispersar más luz. Estas son las células que atrajeron la atención de Gorodetsky.
En 2015, se creó el Laboratorio Gorodetsky Pegatinas de enmascaramiento inspiradas en calamares Por un día ayudando a soldados encubiertos, incluso desde cámaras infrarrojas. La pegatina es una capa de camuflaje delgada y flexible. Capacidad Elija un patrón para que coincida con los reflejos infrarrojos de los soldados contra su fondo. En lugar de matar calamares para sintetizar la proteína reflectante, pueden expresarla coli cultivo bacteriano. Luego lo cubrieron con cinta adhesiva común de uso doméstico con bacterias modificadas. El etiquetado solo se puede ajustar cambiando el grosor de la película bacteriana. Las películas delgadas aparecen azules; La película gruesa aparece de color naranja.
Después de experimentar con versiones truncadas de la proteína para estudiar su índice de refracción y cómo dispersa la luz, el equipo de Gorodetsky ahora está ampliando esa investigación mediante la introducción de un gen derivado del calamar que codifica la difracción en las células humanas. El truco consiste en conseguir que las nanoestructuras reflectantes se formen de forma estable, no temporalmente. La adición de sal al medio de cultivo celular hace que los reflejos se aglomeren en nanopartículas que dispersan la luz y, al aumentar gradualmente la concentración de sal, las nanopartículas se hacen más grandes para que se disperse más luz, esencialmente “ajustando” su atenuación. Tomaron fotografías detalladas de lapso de tiempo de las propiedades de las nanopartículas usando una técnica llamada holotografía.
ACS Biomateriales Ciencia e Ingeniería, 2023
“Realmente estamos tratando de entender si las propiedades intrínsecas de estas proteínas, su alto índice de refracción, su capacidad para autoensamblarse en ciertas estructuras, pueden replicarse en células de mamíferos”, dijo Gorodetsky. “Así que diseñamos células de mamíferos para producir grandes cantidades de esta proteína. Y encontramos que… [resulting] Las estructuras autoensambladas son muy similares en muchos aspectos en términos de tamaño y propiedades ópticas. “
Cuando llegó la pandemia de COVID-19 e hizo imposible trabajar en un laboratorio, el estudiante graduado de Gorodetsky, Georgy Bogdanov, usó los datos de imágenes para crear modelos computacionales, lo que les permitió hacer predicciones y comparar las propiedades ópticas de las células de calamar y las de su ingeniería. contrapartes células de leche. “Los índices de refracción son proporcionales, que es el componente principal de este fenómeno”, dice Bogdanov. “Aunque los tamaños de estas partículas también son similares, esto proporciona una comparación perfecta de la dispersión de la luz que se produce en la piel del calamar y las células de los mamíferos”.
¿Qué pasa con las aplicaciones potenciales? A principios de este año, informamos que los ingenieros de la Universidad de Toronto se inspiraron en las sepias para crear un prototipo de “ventana líquida” que podría cambiar la longitud de onda, la intensidad y la distribución de la luz emitida a través de la ventana, lo que generaría un ahorro significativo en los costos de energía. Una aplicación potencial de su investigación, dice Gorodetsky, es el uso de proteínas reflectantes como sondas moleculares subcelulares de alto índice de refracción, junto con técnicas de microscopía avanzadas. Dichos marcadores codificados genéticamente no ovularían dentro de las células humanas, lo que permitiría a los científicos rastrear la estructura celular para obtener una mejor comprensión del crecimiento y desarrollo celular.
DOI: Ciencia e ingeniería de biomateriales de ACS, 2023. 10.1021/acsbiomateriales.2c00088 (sobre los DOI).
