Sommige koppotigen zoals inktvissen, octopussen en inktvissen kunnen zichzelf camoufleren door zichzelf transparant te maken en/of van kleur te veranderen. Wetenschappers willen graag meer weten over de exacte mechanismen achter dit unieke vermogen, maar huidcellen van inktvissen kunnen niet in het laboratorium worden gekweekt. Onderzoekers van de University of California, Irvine, hebben een haalbare oplossing ontdekt: repliceer de eigenschappen van huidcellen van inktvissen in (menselijke) zoogdiercellen in het laboratorium. zij presenteerden hun onderzoek Op de bijeenkomst van de American Chemical Society deze week in Indianapolis.
“Over het algemeen zijn er twee manieren om transparantie te bereiken”, zegt Alon Gorodetsky, die al een decennium lang gefascineerd is door inktviscamouflage. tijdens een persbijeenkomst Op de ACS-bijeenkomst. “Een manier is door de hoeveelheid licht die wordt geabsorbeerd te verminderen – meestal op pigment gebaseerde kleuren. Een andere manier is door de manier waarop het licht wordt verstrooid te veranderen, meestal door aan te passen voor verschillen in brekingsindex.” Dit laatste is de focus van het onderzoek van zijn lab.
Inktvishuid is transparant en heeft een buitenste laag pigmentcellen genaamd chromatoforen die de absorptie van licht regelen. Elke chromatofoor is bevestigd aan spiervezels die langs het huidoppervlak lopen, en deze vezels zijn op hun beurt verbonden met zenuwvezels. Het is een simpele kwestie van het stimuleren van die zenuwen met elektrische impulsen, waardoor de spieren samentrekken. Doordat de spieren zich in verschillende richtingen aanspannen, zet de cel uit met de gepigmenteerde gebieden, die van kleur veranderen. Terwijl de cel krimpt, krimpen de gepigmenteerde gebieden.
Onder de chromatoforen bevindt zich een aparte laag irisbevestigingen. In tegenstelling tot chromatoforen is de iris niet op pigment gebaseerd, maar een voorbeeld van structurele kleur, vergelijkbaar met de kristallen in de vleugels van een vlinder, behalve dat de iris van een inktvis dynamisch is in plaats van statisch. Ze kunnen worden afgestemd om verschillende golflengten van licht te reflecteren. A Papier 2012 suggereerde dat deze dynamisch afstembare structurele kleur van de iris gerelateerd is aan een neurotransmitter genaamd acetylcholine. De twee lagen werken samen om de unieke optische eigenschappen van inktvishuid te genereren.
Dan zijn er leucophores, vergelijkbaar met irissen, behalve dat ze het volledige spectrum van licht verstrooien, zodat ze wit lijken. Ze bevatten reflecterende eiwitten die normaal samenklonteren tot nanodeeltjes, zodat licht wordt verstrooid in plaats van direct wordt geabsorbeerd of doorgelaten. Leucophores worden meestal gevonden in inktvissen en octopussen, maar er zijn enkele vrouwelijke inktvissen van het geslacht sepioteuthis Die leucophores bevatten die ze kunnen “afstemmen” om alleen bepaalde golflengten van licht te verstrooien. Als cellen licht doorlaten met weinig verstrooiing, zullen ze transparanter lijken, terwijl cellen ondoorzichtig en helderder worden door meer licht te verstrooien. Dit zijn de cellen die Gorodetsky interesseren.
In 2015 werd het Gorodetsky-laboratorium opgericht Op inktvis geïnspireerde maskeerstickers Een dag lang soldaten helpen zich te vermommen, zelfs voor infraroodcamera’s. De stickers waren dunne, flexibele camouflagelagen Vaardigheid Een patroon nemen om de infraroodreflectie van de soldaten af te stemmen op hun achtergrond. In plaats van de inktvis te doden om de reflecterende eiwitten te synthetiseren, kunnen ze het tot expressie brengen H. coli bacteriële culturen. Daarna bedekten ze het equivalent van gewone huishoudelijke verpakkingstape met de gemodificeerde bacteriën. Etikettering kan alleen worden aangepast door de dikte van de bacteriefilm te veranderen. Dunne films leken blauw; Dikke films leken oranje.
Na al geëxperimenteerd te hebben met afgeknotte versies van het eiwit om de brekingsindex en hoe het licht verstrooit te bestuderen, heeft het team van Gorodetsky dat onderzoek nu uitgebreid door van inktvis afgeleide genen te introduceren die diffractie in menselijke cellen coderen. De truc was om de reflecterende nanostructuren stabiel te laten vormen in plaats van tijdelijk. Door zout aan het celkweekmedium toe te voegen, klonterde de reflectie samen tot lichtverstrooiende nanodeeltjes, en door de zoutconcentraties geleidelijk te verhogen, werden de nanodeeltjes groter zodat er meer licht werd verstrooid, waardoor hun dimmen in wezen werd ‘afgestemd’. Ze maakten gedetailleerde time-lapse-beelden van de eigenschappen van de nanodeeltjes met behulp van een techniek genaamd holografie.
ACS Biomaterialen Wetenschap en Techniek, 2023
“We probeerden echt te begrijpen of de intrinsieke eigenschappen van deze eiwitten – hun hoge brekingsindices, hun vermogen om zichzelf in specifieke structuren te assembleren – konden worden gerepliceerd in de zoogdiercel, ” zei Gorodetsky. “Dus hebben we zoogdiercellen gemanipuleerd om grote hoeveelheden van dit eiwit te maken. En we ontdekten dat… [resulting] De zelfassemblerende structuren leken in veel opzichten erg op elkaar wat betreft hun afmetingen en optische eigenschappen. “
Toen de COVID-19-pandemie toesloeg en het niet mogelijk was om in het laboratorium te werken, gebruikte Gorodetsky’s afgestudeerde student Georgy Bogdanov beeldgegevens om een computermodel te maken, waardoor ze voorspellingen konden doen en de optische eigenschappen van inktviscellen en hun gemanipuleerde cellen konden vergelijken. borstcellen. “Breekindices zijn vergelijkbaar, wat het belangrijkste onderdeel van dit fenomeen is”, zei Bogdanov. “Hoewel de afmetingen van deze deeltjes ook vergelijkbaar zijn, geeft dit een perfecte vergelijking van de lichtverstrooiing die optreedt in inktvishuid en zoogdiercellen.”
Hoe zit het met mogelijke toepassingen? Eerder dit jaar meldden we dat ingenieurs van de Universiteit van Toronto door inktvissen werden geïnspireerd om een prototype van “vloeibare vensters” te maken die de golflengte, intensiteit en verdeling van het licht dat door die vensters wordt uitgezonden, kunnen veranderen, waardoor de energiekosten aanzienlijk kunnen worden bespaard. Een mogelijke toepassing van zijn onderzoek, zei Gorodetsky, is het gebruik van reflecterende eiwitten als subcellulaire moleculaire sondes met een hoge brekingsindex, gebruikt in combinatie met geavanceerde microscopietechnieken. Dergelijke genetisch gecodeerde markers zouden niet ovuleren in menselijke cellen, waardoor wetenschappers de celstructuur kunnen traceren om een beter begrip te krijgen van celgroei en -ontwikkeling.
DOI: ACS Biomaterialen Wetenschap & Techniek, 2023. 10.1021/acsbiomaterials.2c00088 (over DOI’s).
“Reisliefhebber. Onruststoker. Popcultuurfanaat. Kan niet typen met bokshandschoenen aan.”