calamari, polpi e seppie sono maestri indiscussi dell'inganno e del camuffamento. La loro straordinaria capacità di cambiare colore, la consistenza e la forma non hanno rivali, anche dalla moderna tecnologia.

I ricercatori nel laboratorio del professore Daniel Morse della UC Santa Barbara sono stati a lungo interessati alle proprietà ottiche degli animali che cambiano colore, e sono particolarmente incuriositi dal calamaro costiero opalescente. Conosciuto anche come il calamaro del mercato della California, questi animali hanno evoluto la capacità di sintonizzare finemente e continuamente il loro colore e lucentezza a un livello senza rivali in altre creature. Ciò consente loro di comunicare, così come nascondersi in bella vista nell'oceano superiore luminoso e spesso anonimo.

Nei lavori precedenti, i ricercatori hanno scoperto che proteine ​​specializzate, chiamati riflessi, controllano le cellule del pigmento riflettente, gli iridociti, che a loro volta contribuiscono a modificare la visibilità e l'aspetto complessivi della creatura. Ma ancora un mistero era come funzionassero effettivamente i riflettori.

"Volevamo ora capire come funziona questa straordinaria macchina molecolare, "disse Morse, un Illustre Professore Emerito nel Dipartimento di Molecolare, Biologia cellulare e dello sviluppo, e principale autore di un articolo che appare nel Journal of Biological Chemistry . Comprendendo questo meccanismo, Egli ha detto, fornirebbe informazioni sul controllo sintonizzabile delle proprietà emergenti, che potrebbe aprire le porte alla prossima generazione di materiali sintetici di ispirazione biologica.

Pelle che riflette la luce

Come la maggior parte dei cefalopodi, calamaro costiero opalescente, praticano la loro stregoneria attraverso quella che potrebbe essere la pelle più sofisticata che si possa trovare in natura. Piccoli muscoli manipolano la struttura della pelle mentre i pigmenti e le cellule iridescenti ne influenzano l'aspetto. Un gruppo di cellule controlla il proprio colore espandendo e contraendo le cellule della pelle che contengono sacchi di pigmento.

Dietro queste cellule pigmentate c'è uno strato di cellule iridescenti, quegli iridociti, che riflettono la luce e contribuiscono al colore degli animali attraverso l'intero spettro visibile. I calamari hanno anche leucofori, che controllano la riflettanza della luce bianca. Insieme, questi strati di cellule contenenti pigmenti e che riflettono la luce danno ai calamari la capacità di controllare la luminosità, colore e tonalità della loro pelle su una tavolozza straordinariamente ampia.

A differenza del colore dei pigmenti, le tonalità altamente dinamiche del calamaro costiero opalescente derivano dal cambiamento della struttura stessa dell'iridocita. La luce rimbalza tra elementi di dimensioni nanometriche circa della stessa dimensione delle lunghezze d'onda nella parte visibile dello spettro, produzione di colori. Poiché queste strutture cambiano le loro dimensioni, i colori cambiano. Le proteine ​​riflettenti sono alla base della capacità di queste caratteristiche di mutare forma, e il compito dei ricercatori era capire come svolgono il lavoro.

Grazie a una combinazione di ingegneria genetica e analisi biofisiche, gli scienziati hanno trovato la risposta, e si è rivelato essere un meccanismo molto più elegante e potente di quanto precedentemente immaginato.

"I risultati sono stati molto sorprendenti, " ha detto il primo autore Robert Levenson, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Morse. Il gruppo si aspettava di trovare uno o due punti sulla proteina che ne controllavano l'attività, Egli ha detto. "Anziché, le nostre prove hanno mostrato che le caratteristiche delle rifletine che controllano il rilevamento del segnale e l'assemblaggio risultante sono distribuite lungo l'intera catena proteica".

Un motore osmotico

riflettendo, che è contenuto in strati ravvicinati di membrana negli iridociti, assomiglia un po' a una serie di perline su un filo, i ricercatori hanno scoperto. Normalmente, i collegamenti tra le perline sono fortemente caricati positivamente, così si respingono, raddrizzando le proteine ​​come spaghetti crudi.

Morse e il suo team hanno scoperto che i segnali nervosi alle cellule riflettenti innescano l'aggiunta di gruppi fosfato ai collegamenti. Questi gruppi fosfato caricati negativamente neutralizzano la repulsione dei legami, permettendo alle proteine ​​di ripiegarsi. Il team era particolarmente entusiasta di scoprire che questa piegatura mostrava nuovi, superfici appiccicose sulle porzioni a perline del riflettente, permettendo loro di aggregarsi. Fino a quattro fosfati possono legarsi a ciascuna proteina riflettente, fornendo al calamaro un processo sintonizzabile con precisione:più fosfati aggiunti, più le proteine ​​si ripiegano, esponendo progressivamente più superfici idrofobiche emergenti, e più grandi crescono i ciuffi.

Man mano che questi grumi crescono, i molti, separare, le piccole proteine ​​in soluzione diminuiscono, gruppi più grandi di più proteine. Questo cambia la pressione del fluido all'interno delle pile di membrane, espellere l'acqua, un tipo di "motore osmotico" che risponde ai minimi cambiamenti di carica generati dai neuroni, a cui sono collegate macchie di migliaia di leucofori e iridociti. La conseguente disidratazione riduce lo spessore e la spaziatura delle pile di membrane, che sposta progressivamente la lunghezza d'onda della luce riflessa dal rosso al giallo, poi al verde e infine al blu. La soluzione più concentrata ha anche un indice di rifrazione più alto, che aumenta la luminosità delle cellule.

"Non avevamo idea che il meccanismo che avremmo scoperto si sarebbe rivelato così straordinariamente complesso ma contenuto e così elegantemente integrato in una molecola multifunzionale - la riflessione copolimerica a blocchi - con domini opposti così delicatamente in bilico da agire come una macchina metastabile, rilevando e rispondendo continuamente alla segnalazione neuronale regolando con precisione la pressione osmotica di una nanostruttura intracellulare per mettere a punto con precisione il colore e la luminosità della sua luce riflessa, " disse Morse.

Cosa c'è di più, i ricercatori hanno scoperto, l'intero processo è reversibile e ciclabile, consentendo al calamaro di regolare continuamente le proprietà ottiche richieste dalla sua situazione.

Nuovi principi di progettazione

I ricercatori avevano manipolato con successo la riflessione in esperimenti precedenti, ma questo studio segna la prima dimostrazione del meccanismo sottostante. Ora potrebbe fornire nuove idee a scienziati e ingegneri che progettano materiali con proprietà regolabili. "I nostri risultati rivelano un legame fondamentale tra le proprietà dei materiali biomolecolari prodotti nei sistemi viventi e i polimeri sintetici altamente ingegnerizzati che vengono ora sviluppati alle frontiere dell'industria e della tecnologia, " disse Morse.

"Poiché la riflessione funziona per controllare la pressione osmotica, Posso immaginare applicazioni per nuovi mezzi di accumulo e conversione di energia, applicazioni farmaceutiche e industriali che comportano viscosità e altre proprietà dei liquidi, e applicazioni mediche, " Ha aggiunto.

Sorprendentemente, alcuni dei processi in atto in queste proteine ​​riflettenti sono condivisi dalle proteine ​​che si assemblano patologicamente nella malattia di Alzheimer e in altre condizioni degenerative, osservò Morse. Ha intenzione di indagare perché questo meccanismo è reversibile, ciclabile, innocuo e utile in caso di riflesso, ma irreversibile e patologico per altre proteine. Forse le differenze ben strutturate nelle loro sequenze possono spiegare la disparità, e persino indicare nuovi percorsi per la prevenzione e il trattamento delle malattie.