Come i camaleonti, i pesci zebra ottengono questa trasformazione del colore attraverso cambiamenti strutturali. Modificando in modo preciso e simultaneo l'orientamento dei cristalli che riflettono la luce sulle scaglie e sulla pelle, i pesci zebra possono cambiare il colore delle strisce su tutta la lunghezza del corpo in pochi secondi.

In una nuova ricerca apparsa negli Atti della National Academy of Sciences , gli scienziati hanno individuato l'intricato meccanismo cellulare dietro questo cambiamento di colore. Utilizzando tecniche di imaging avanzate, hanno identificato le molecole, le strutture e i meccanismi di segnalazione all'interno della cellula che lavorano insieme per cambiare le strisce del pesce zebra dal blu al giallo quando il pesce è sotto stress.

"Nessuno ha mai visto queste strutture a questo livello, e nessuno ha mostrato come rispondono ai cambiamenti di luce e colore", afferma Jennifer Lippincott-Schwartz, leader senior del gruppo e capo dell'area di ricerca di fisiologia cellulare 4D presso Janelia, che era l'autore senior del nuovo studio in collaborazione con il laboratorio di John Hammer del NIH. "C'è stata una proposta secondo cui i cristalli stanno in qualche modo alterando la loro disposizione per cambiare il loro colore, ma stiamo mostrando esattamente come ciò accade."

Le nuove scoperte potrebbero aiutare gli scienziati a comprendere meglio i meccanismi molecolari alla base del cambiamento di colore in altri animali, dai camaleonti ai copepodi, che utilizzano cambiamenti cromatici strutturali simili per comunicare, regolare la temperatura corporea e creare mimetizzazione.

"È logico che gli stessi componenti necessari per questo siano disponibili e presenti in altri sistemi, quindi pensiamo che questo potrebbe essere un modo efficace per gli organismi di cambiare colore. E abbiamo alcune indicazioni preliminari che ciò stia effettivamente accadendo in altri organismi", afferma Dvir Gur, ricercatore presso il Weizmann Institute of Science, che ha guidato il nuovo lavoro.

Investigando sulle strisce di pesce zebra

Gur ha iniziato a esaminare come i pesci zebra hanno ottenuto le strisce come ricercatore post-dottorato nel laboratorio Lippincott-Schwartz. Nel 2020, Gur, Lippincott-Schwartz e un team di ricercatori hanno identificato come l'ordinamento dei minuscoli cristalli di guanina nelle scaglie del pesce zebra generi le sue strisce blu e gialle.

Mentre studiavano il pesce, i ricercatori sono rimasti incuriositi dal modo in cui le strisce blu del pesce zebra scomparivano quando un allevatore di pesci entrava nella stanza o quando perdeva un combattimento contro un maschio dominante.

In molti animali, i cambiamenti di colore avvengono quando le sacche di pigmento si disperdono e si aggregano all'interno della cellula. Ma questo non era il caso degli iridofori del pesce zebra, dove un tale movimento dei cristalli all’interno di queste cellule avrebbe causato la perdita del colore strutturale degli iridofori. C'erano indizi che il pesce potesse cambiare l'orientamento dei cristalli per riflettere la luce ad angoli diversi, creando colori diversi, ma non si capiva come ciò accadesse.

"Questo è stato davvero l'innesco che ci ha portato a studiare il meccanismo che facilitava il cambiamento di colore in queste cellule", dice Gur. "Sapevamo che doveva esserci un altro modo."

Uno sguardo da vicino

Il team ha iniziato osservando più da vicino i cristalli prima e dopo il cambiamento di colore utilizzando immagini ad alta risoluzione e diffrazione di raggi X basata sul sincrotrone.

Hanno visto che all'interno degli iridofori, i cristalli sono disposti in pile di lunghe strutture simili a piastre. Il cambiamento di colore nasce dall'inclinazione simultanea e precisa di questi cristalli. Gur paragona il processo al movimento di una veneziana, dove le lamelle si inclinano insieme per controllare la quantità di luce che passa. Quando un pesce zebra è stressato, i cristalli si inclinano tutti con un angolo di 20 gradi, modificando la spaziatura tra loro e l’angolo della luce che li colpisce. Ciò altera le proprietà ottiche dei cristalli nell'iridoforo, facendo cambiare le strisce del pesce dal blu al giallo.

Successivamente, i ricercatori hanno utilizzato l’imaging dal vivo per capire cosa stava guidando questo processo. Dopo aver indotto artificialmente una risposta allo stress nel pesce, il team ha scoperto che l'inclinazione era abilitata da proteine ​​motrici chiamate dineina che camminano lungo i microtubuli all'interno della cellula e si collegano ai cristalli, tirandoli e inclinandoli per creare il cambiamento di colore.

Il processo è regolato da una molecola chiamata AMP ciclico, una seconda molecola messaggera che si attiva quando il pesce è stressato. L'AMP ciclico invia un segnale a molte cellule del pesce contemporaneamente, attivando l'inclinazione e facendo cambiare colore a tutte le strisce contemporaneamente.

Oltre a fornire un meccanismo per il cambiamento strutturale del colore, le nuove scoperte potrebbero aiutare a far luce sul motivo per cui alcuni animali formano questi cristalli molecolari, che negli esseri umani possono formare calcoli renali e gotta. Potrebbero anche contribuire alla progettazione di materiali e dispositivi artificiali che sfruttano queste proprietà naturali.

"Per me, è tutta una questione di scienza guidata dalla curiosità:tutto ciò che facciamo è perché vogliamo comprendere meglio la natura", afferma Gur, aggiungendo che è straordinario vedere come minuscoli organismi possano ottenere qualcosa che gli umani, con la loro tecnologia avanzata , non può. "Ma da questo potrebbero derivare molte cose diverse che alla fine potrebbero anche essere utili, dall'uso della natura come fonte per apprendere i principi della biomimetica, ai dispositivi ottici che utilizzano approcci simili, ai cristalli fotonici sintonizzabili di prossima generazione."