Algunos cefalópodos como las sepias, los pulpos y las sepias tienen la capacidad de camuflarse haciéndose transparentes y/o cambiando de color. A los científicos les gustaría saber más sobre los mecanismos exactos detrás de esta habilidad única, pero las células de la piel de la sepia no se pueden cultivar en el laboratorio. Investigadores de la Universidad de California, Irvine, han descubierto una solución viable: replicar las propiedades de las células de la piel de la sepia en células de mamíferos (humanos) en el laboratorio. ellos presentó su investigación En la reunión de la American Chemical Society de esta semana en Indianápolis.
«En términos generales, hay dos formas de lograr la transparencia», dijo Alon Gorodetsky, quien ha estado fascinado con el camuflaje de calamar durante la última década más o menos. durante una rueda de prensa En la reunión de la AEC. «Una forma es reducir la cantidad de luz que se absorbe, generalmente coloración basada en 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 la investigación de su laboratorio.
La piel de la sepia es transparente y presenta una capa externa de células pigmentarias llamadas cromatóforos que controlan 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. Debido a que los músculos se tensan en diferentes direcciones, la célula se expande con las áreas pigmentadas, lo que cambia de color. A medida que la célula se encoge, las áreas pigmentadas se encogen.
Debajo de los cromatóforos, hay una capa separada de monturas de iris. A diferencia de los cromatóforos, el iris no se basa en pigmentos sino que es un ejemplo de color estructural, similar a los cristales en las alas de una mariposa, excepto que el iris de una sepia es dinámico en lugar de estático. Se pueden ajustar para reflejar diferentes longitudes de onda de luz. a Papel 2012 sugirió que este color estructural dinámicamente sintonizable del iris está relacionado con un neurotransmisor llamado acetilcolina. Las dos capas trabajan juntas para generar 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 agrupan en nanopartículas, de modo que la luz se dispersa en lugar de absorberse o transmitirse directamente. Los leucóforos se encuentran principalmente en sepias y pulpos, pero hay algunas sepias hembras del género sepioteuthis Los cuales contienen leucóforos que pueden «sintonizarlos» para dispersar solo ciertas longitudes de onda de luz. Si las células dejan pasar la luz con poca dispersión, aparecerán más transparentes, mientras que las células se vuelven opacas y más claras al dispersar más luz. Estas son las celdas que le interesan a Gorodetsky.
En 2015, se estableció el Laboratorio Gorodetsky Pegatinas de enmascaramiento inspiradas en calamares Por un día para ayudar a los soldados a disfrazarse, incluso de cámaras infrarrojas. Las pegatinas eran capas delgadas y flexibles de camuflaje. Capacidad Para tomar un patrón que coincida con el reflejo infrarrojo de los soldados con su fondo. En lugar de matar al calamar para sintetizar las proteínas reflectantes, pueden expresarlo h coli cultivos bacterianos. Luego cubrieron el equivalente a la cinta de embalaje doméstica normal con la bacteria modificada. El etiquetado solo se puede ajustar cambiando el grosor de la película bacteriana. Las películas delgadas aparecieron azules; Las películas gruesas aparecieron de color naranja.
Habiendo experimentado ya con versiones truncadas de la proteína para estudiar su índice de refracción y cómo dispersa la luz, el equipo de Gorodetsky ahora ha ampliado esa investigación al introducir genes derivados del calamar que codifican la difracción en células humanas. El truco consistía en conseguir que las nanoestructuras reflectantes se formaran de forma estable en lugar de temporalmente. La adición de sal al medio de cultivo celular hizo que la reflectancia se agrupara en nanopartículas que dispersaban la luz y, al aumentar gradualmente las concentraciones de sal, las nanopartículas se hicieron más grandes para que se dispersara más luz, esencialmente «ajustando» su atenuación. Tomaron imágenes detalladas de lapso de tiempo de las propiedades de las nanopartículas usando una técnica llamada holotografía.
ACS Biomateriales Ciencia e Ingeniería, 2023
«Realmente estábamos tratando de entender si las propiedades intrínsecas de estas proteínas, sus altos índices de refracción, su capacidad para autoensamblarse en estructuras específicas, podrían replicarse en la célula de mamífero», dijo Gorodetsky. «Así que diseñamos células de mamíferos para producir grandes cantidades de esta proteína. Y descubrimos que… [resulting] Las estructuras autoensamblables eran muy similares en muchos aspectos en cuanto a sus tamaños y propiedades ópticas. «
Cuando llegó la pandemia de COVID-19 y no fue posible trabajar en el laboratorio, el estudiante de posgrado de Gorodetsky, Georgy Bogdanov, usó datos de imágenes para crear un modelo computacional, lo que les permitió hacer predicciones y comparar las propiedades ópticas de las células de calamar y su ingeniería. células mamarias. «Los índices de refracción son comparables, que es el componente principal de este fenómeno», dijo Bogdanov. «Aunque los tamaños de estas partículas también son similares, esto ofrece 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 «ventanas líquidas» que pueden cambiar la longitud de onda, la intensidad y la distribución de la luz transmitida a través de esas ventanas, lo que permite ahorrar significativamente los costos de energía. Una aplicación potencial de su investigación, dijo 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).
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