Исследователи из лаборатории Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, профессор Дэниел Морс, давно интересовались оптическими свойствами изменяющих окраску животных, и их особенно заинтриговали опалесцирующие прибрежные кальмары. Эти животные, также известные как калифорнийские рыночные кальмары, развили способность точно 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 все еще оставалось загадкой, как на самом деле работали рефлексы.
«Теперь мы хотели понять, как работает эта замечательная молекулярная машина», – сказал Морс, заслуженный профессор кафедры молекулярной, клеточной биологии и биологии развития и главный автор статьи, опубликованной в Journal of Biological Chemistry.
По его словам, понимание этого механизма даст представление о настраиваемом контроле возникающих свойств, что может открыть дверь к следующему поколению синтетических материалов на основе биологического происхождения.
Светоотражающая кожа
Как и большинство головоногих моллюсков, опалесцирующие прибрежные кальмары практикуют свое колдовство с помощью, возможно, самой сложной кожи, которую можно найти где-либо в природе. Крошечные мышцы влияют на текстуру кожи, а пигменты и переливающиеся 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 – иридоцитов, – которые отражают свет и вносят вклад в окраску животных во всем видимом спектре. У кальмаров также есть лейкофоры, которые контролируют коэффициент отражения белого света. Вместе эти слои содержащих пигмент и светоотражающих клеток дают кальмарам возможность контролировать яркость, цвет и оттенок своей кожи в удивительно широкой палитре.
В отличие от цвета пигментов, высокодинамичные оттенки опалесцирующих прибрежных кальмаров являются результатом изменения самой структуры иридоцитов. Свет отражается между элементами нанометрового размера, размером примерно с длины волн в видимой части спектра, создавая цвета.
По мере того, как эти структуры меняют свои размеры, меняются цвета. За способностью этих свойств к изменению формы лежат белки-рефлектины, и задача исследователей заключалась в том, чтобы выяснить, как они работают.
Благодаря сочетанию генной инженерии и биофизического анализа ученые нашли ответ, и он оказался гораздо более элегантным и мощным, чем предполагалось ранее.
«Результаты были очень неожиданными», – сказал первый автор Роберт Левенсон, научный сотрудник лаборатории Морса.
По его словам, группа ожидала найти одно или два пятна на протеине, которые контролировали его активность. «Вместо этого наши данные показали, что особенности рефлектинов, которые контролируют его обнаружение сигнала и результирующую сборку, распределены по всей белковой цепи."
Осмотический мотор
Исследователи обнаружили, что рефлектин, который содержится в плотно упакованных слоях мембраны иридоцитов, немного похож на серию бусинок на нитке.
Обычно связи между бусинками сильно заряжены положительно, поэтому они отталкиваются друг от друга, распрямляя белки, как сырые спагетти.
Морс и его команда обнаружили, что нервные сигналы к отражающим клеткам запускают добавление фосфатных групп в связи. Эти отрицательно заряженные фосфатные группы нейтрализуют отталкивание звеньев, позволяя белкам складываться. Команда была особенно взволнована, обнаружив, что это складывание обнажило новые липкие поверхности на бусинчатых частях отражателя, что позволило им слипаться.
До четырех фосфатов могут связываться с каждым белком рефлектина, обеспечивая кальмары точно настраиваемым процессом: чем больше добавляется фосфатов, тем больше белки сворачиваются, постепенно открывая больше появляющихся гидрофобных поверхностей, и тем больше растут комки.
По мере роста этих скоплений множество единичных небольших белков в растворе превращаются в меньшее количество больших групп множественных белков.
Это изменяет давление жидкости внутри мембранных стеков, вытесняя воду – тип «осмотического двигателя», который реагирует на малейшие изменения заряда, генерируемого нейронами, с которыми связаны участки из тысяч лейкофоров и иридоцитов. В результате обезвоживания уменьшается толщина и расстояние между пакетами мембран, что приводит к постепенному сдвигу длины 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 при этом заключенным и так элегантно интегрированным в одну многофункциональную молекулу – блок-сополимерный рефлектин – с противостоящими друг другу доменами, столь тонко уравновешенными, что они действуют как метастабильные "машина, постоянно воспринимающая нейронные сигналы и отвечающая на них, точно регулируя осмотическое давление внутриклеточной наноструктуры для точной настройки цвета и яркости отраженного света", – сказал Морс.
Более того, как выяснили исследователи, весь процесс является обратимым и циклическим, что позволяет кальмару постоянно 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 предоставить 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 рефлексин работает для управления осмотическим давлением, я могу представить себе применение новых средств хранения и преобразования энергии, фармацевтические и промышленные применения, связанные с вязкостью и другими свойствами жидкости, а также медицинские приложения», – добавил он.
Примечательно, что некоторые из процессов, происходящих в этих белках рефлектина, являются общими для белков, которые патологически собираются при болезни Альцгеймера и других дегенеративных состояниях, заметил Морс.
Он планирует выяснить, почему этот механизм обратим, цикличен, безвреден и полезен в случае рефлектина, но необратим и патологичен для других белков. Возможно, тонко структурированные различия в их последовательности могут объяснить несоответствие и даже указать на новые пути профилактики и лечения заболеваний.