Специализированные ткани кальмаров содержат рефракционные белки, называемые рефлектинами, которые помогают животным уклоняться от обнаружения и имеют потенциальное применение в биоинженерии.
Под бирюзовыми водами, окружающими побережье Гавайев, обитают существа размером с грецкий орех, которые в совершенстве овладели искусством маскировки. Эти животные - вид кальмаров под названием Euprymna scolopes - используют способность к камуфляжу, чтобы не стать лакомой добычей для хищников, таких как ящероголовые рыбы и тюлени.
Днём кальмары зарываются в песок. Когда они выходят ночью на поиски пищи, их нижняя часть светится, заставляя тени исчезать в лунном свете и скрывая их от хищников внизу. Как кальмары достигают такой маскировки?
В 1990-х годах Маргарет Макфолл-Нгай, физиолог животных и биохимик белков из Университета Южной Калифорнии, и её коллега обнаружили, что Euprymna scolopes образует симбиотические отношения со светящимися бактериями, которые живут в специальном отражающем органе в голове кальмара. Эта структура модулирует свет, не пропуская его через верхнюю часть туловища кальмара и направляя его под головоногого моллюска.
Чуть более 10 лет спустя исследователи определили, что это свойство обусловлено типом белков, в изобилии присутствующих в отражающей ткани. Теперь подробные характеристики белка пролили свет на его отражающие свойства, привлекая интерес биоинженеров, в том числе военных, которые хотят использовать его для разработки нового камуфляжного материала.
Белки рефлектина в отражающих тканях помогают кальмарам скрываться
Путь к открытию этих отражающих белков был отнюдь не простым. «Это было своего рода счастливое стечение обстоятельств», - говорит Макфолл-Нгай, которая сейчас работает в Калифорнийском технологическом институте. Изучая различные белки кальмаров, Макфолл-Нгай и её команда обнаружили на геле заметную полосу полипептида. «Я тогда подумала: «Что это такое?»», - вспоминает она.
Исследователи выделили полипептиды из геля и секвенировали их, обнаружив необычный состав аминокислот: они в основном состояли из относительно редких аминокислотных остатков, таких как тирозин и триптофан, но полностью лишены обычных, таких как аланин и изолейцин.
Антитела, сгенерированные для связывания белка, локализовались в отражающем органе, что указывало на роль белков в маскировке кальмара, поэтому Макфолл-Нгай и её команда назвали их «рефлектинами».
До этого открытия учёные, изучавшие отражающие ткани в чешуе рыб и насекомых или светящиеся глаза животных, обнаружили, что они содержат плоские и нерастворимые структуры с высоким показателем преломления.
Живые существа помещают эти структуры между материалами с более низким показателем преломления, в результате чего световые волны отражаются и взаимодействуют друг с другом, создавая красочные узоры.
Фото: the-scientist.com
Исследователи обнаружили, что отражающие пластинки у водных живых существ состоят из кристаллов пурина, в частности гуанина и гипоксантина. «Никто никогда не показывал, что белок является отражателем», - говорит Макфолл-Нгай. «Это удивительные белки, и они обладают множеством свойств, которые можно использовать в инженерии».
Характеристика биохимии рефлектинов и их применение
За годы, прошедшие с момента открытия рефлектинов, исследователи изучили биохимию, лежащую в основе отражательных свойств белков, и способы применения этих свойств в биоинженерии и материаловедении.
«Свойства необычного аминокислотного состава рефлектинов придают им высокий показатель преломления», - поясняет Алон Городецкий, биомолекулярный инженер из Калифорнийского университета в Ирвине, который разрабатывает материалы, вдохновлённые оптическими свойствами рефлектинов.
Показатель преломления рефлектинов превышает 0,2, в то время как показатель преломления кристаллинов, которые определяют преломляющие свойства хрусталика глаза, составляет 0,19, что означает, что рефлектины могут преломлять больше падающего света, чем другие белки с той же функцией.
Городецкий и другие учёные обнаружили, что рефлектины частично неупорядочены, то есть в физиологических условиях они не имеют фиксированной трёхмерной структуры. Внешние стимулы, такие как изменение водородного показателя - pH, могут изменять конфигурацию белка, что влияет на отток воды из структур рефлекторной ткани, изменяя показатель преломления. Это свойство позволяет кальмару менять свой внешний вид, когда это необходимо.
Учитывая все эти удивительные свойства, Городецкий и его команда сконструировали человеческие клетки для экспрессии рефлектинов и наблюдали, что они могут настраивать оптические свойства клеток, регулируя содержание соли в культуральной (питательной) среде.
Фото: hvylya.net
Система изменения цвета кальмаров также побудила команду Городецкого разработать материалы с регулируемой инфракрасной отражательной способностью. Городецкий отметил, что этот материал может покрывать объекты и скрывать их от инфракрасных камер, что может найти применение в военной сфере.
Несмотря на то, что исследователи всё больше ценят значение этих белков кальмара в биоинженерии и материаловедении, Городецкий высоко оценивает фундаментальные исследования Макфолл-Нгай и её команды, которые привели к этим инновациям. «Её открытие и выделение белков открыло эту область для всех», - говорит он.