Hackování lidských buněk, aby se chovaly jako kožní buňky olihně, by mohlo odemknout klíč k maskování Ars Technica

Někteří hlavonožci, jako jsou sépie, chobotnice a sépie, mají schopnost maskovat se tím, že se zprůhlední a/nebo změní barvu. Vědci by rádi věděli více o přesných mechanismech této unikátní schopnosti, ale kožní buňky sépií nelze pěstovat v laboratoři. Vědci z Kalifornské univerzity v Irvine objevili životaschopné řešení: replikovat vlastnosti kožních buněk sépie v savčích (lidských) buňkách v laboratoři. ony prezentovali svůj výzkum Na setkání Americké chemické společnosti tento týden v Indianapolis.

„Obecně řečeno, existují dva způsoby, jak můžete dosáhnout průhlednosti,“ řekl Alon Gorodetsky, kterého maskování olihní fascinuje zhruba posledních deset let. během mediálního brífinku Na schůzi ACS. „Jedním způsobem je snížení množství světla, které se absorbuje – obvykle barvivo na bázi pigmentu. Dalším způsobem je změna rozptylu světla, obvykle úpravou rozdílů v indexu lomu.“ Ten je středem zájmu jeho laboratorního výzkumu.

Kůže sépie je průhledná a má vnější vrstvu pigmentových buněk tzv chromatofory které řídí absorpci světla. Každý chromatofor je připojen ke svalovým vláknům, která lemují povrch kůže, a tato vlákna jsou zase připojena k nervovým vláknům. Je to jednoduchá záležitost stimulace těchto nervů elektrickými impulsy, které způsobí stažení svalů. Protože se svaly napínají v různých směrech, buňka se rozšiřuje s pigmentovanými oblastmi, což mění barvu. Jak se buňka zmenšuje, pigmentované oblasti se zmenšují.

Pod chromatofory je samostatná vrstva úchytů iris. Na rozdíl od chromatoforů není duhovka založená na pigmentu, ale je příkladem strukturální barvy, podobné krystalům v motýlích křídlech, až na to, že duhovka sépie je spíše dynamická než statická. Mohou být naladěny tak, aby odrážely různé vlnové délky světla. A Papír 2012 navrhl, že tato dynamicky laditelná strukturální barva duhovky souvisí s neurotransmiterem zvaným acetylcholin. Tyto dvě vrstvy spolupracují a vytvářejí jedinečné optické vlastnosti sépiové kůže.

Pak jsou tu leukofory, podobné duhovkám, až na to, že rozptylují celé spektrum světla, takže se jeví jako bílé. Obsahují reflexní proteiny, které se normálně shlukují do nanočástic, takže světlo je spíše rozptylováno, než přímo absorbováno nebo přenášeno. Leukofory se většinou vyskytují v sépích a chobotnicích, ale existují i ​​​​některé samice sépie rodu sepioteuthis Které obsahují leukofory, které je dokážou „vyladit“ tak, aby rozptylovaly pouze určité vlnové délky světla. Pokud buňky umožňují průchod světla s malým rozptylem, budou se jevit jako průhlednější, zatímco buňky se stanou neprůhlednými a jasnějšími, když rozptylují více světla. To jsou buňky, které zajímají Gorodeckého.

V roce 2015 byla vytvořena Gorodetsky Laboratory Maskovací nálepky inspirované chobotnicí Na jeden den pomáhat vojákům maskovat se, a to i před infračervenými kamerami. Nálepky byly tenké, pružné vrstvy kamufláže Schopnost Vzít vzor, ​​který odpovídá infračervenému odrazu vojáků s jejich pozadím. Namísto zabíjení chobotnice, aby syntetizovaly reflexní proteiny, mohou ji exprimovat H. coli bakteriální kultury. Potom modifikovanými bakteriemi zakryli ekvivalent běžné domácí balicí pásky. Označení lze upravit pouze změnou tloušťky bakteriálního filmu. Tenké filmy vypadaly modře; Tlusté filmy vypadaly oranžově.

Gorodetského tým, který již experimentoval se zkrácenými verzemi proteinu, aby studoval jeho index lomu a způsob rozptylu světla, nyní tento výzkum rozšířil zavedením genů odvozených od chobotnice, které kódují difrakci do lidských buněk. Trik spočíval v tom, aby se reflexní nanostruktury vytvořily stabilně, nikoli dočasně. Přidání soli do buněčného kultivačního média způsobilo, že se odrazivost shlukovala do nanočástic rozptylujících světlo a postupným zvyšováním koncentrace soli se nanočástice zvětšovaly, takže se rozptylovalo více světla, což v podstatě „vyladilo“ jejich tlumení. Pořídili podrobné časosběrné snímky vlastností nanočástic pomocí techniky tzv holotografie.

„Skutečně jsme se snažili pochopit, zda vnitřní vlastnosti těchto proteinů – jejich vysoké indexy lomu, jejich schopnost samosestavit se do specifických struktur – mohou být replikovány v savčí buňce,“ řekl Gorodetsky. „Takže jsme zkonstruovali savčí buňky, aby vytvořily velké množství tohoto proteinu. A zjistili jsme, že… [resulting] Samonosné struktury byly v mnoha ohledech velmi podobné, pokud jde o jejich velikosti a optické vlastnosti. „

Když zasáhla pandemie COVID-19 a nebylo možné pracovat v laboratoři, Gorodetského postgraduální student Georgy Bogdanov použil zobrazovací data k vytvoření výpočetního modelu, který jim umožnil předpovídat a porovnávat optické vlastnosti buněk olihně a jejich inženýrství. buňky mléčné žlázy. „Indexy lomu jsou srovnatelné, což je hlavní složka tohoto jevu,“ řekl Bogdanov. „Ačkoli jsou velikosti těchto částic také podobné, poskytuje to dokonalé srovnání rozptylu světla, ke kterému dochází v kůži chobotnice a savčích buňkách.“

A co potenciální aplikace? Začátkem tohoto roku jsme informovali o tom, že inženýři z University of Toronto se nechali inspirovat sépiemi, aby vytvořili prototyp „tekutých oken“, která dokážou změnit vlnovou délku, intenzitu a distribuci světla procházejícího těmito okny, čímž výrazně šetří náklady na energii. Jednou z potenciálních aplikací jeho výzkumu, řekl Gorodetsky, je použití reflexních proteinů jako subcelulárních molekulárních sond s vysokým indexem lomu, používaných ve spojení s pokročilými mikroskopickými technikami. Takto geneticky zakódované markery by neovulovaly uvnitř lidských buněk, což by vědcům umožnilo sledovat buněčnou strukturu, aby lépe porozuměli růstu a vývoji buněk.

DOI: ACS Biomaterials Science & Engineering, 2023. 10.1021/acsbiomateriály.2c00088 (o DOI).