L’hacking delle cellule umane per agire come cellule della pelle di calamaro potrebbe sbloccare la chiave per camuffare l’Ars Technica

Alcuni cefalopodi come seppie, polpi e seppie hanno la capacità di mimetizzarsi rendendosi trasparenti e/o cambiando colore. Gli scienziati vorrebbero saperne di più sui meccanismi esatti alla base di questa capacità unica, ma le cellule della pelle di seppia non possono essere coltivate in laboratorio. I ricercatori dell’Università della California, Irvine, hanno scoperto una soluzione praticabile: replicare in laboratorio le proprietà delle cellule della pelle di seppia nelle cellule dei mammiferi (umani). Essi presentato la loro ricerca Alla riunione dell’American Chemical Society di questa settimana a Indianapolis.

“In generale, ci sono due modi per ottenere la trasparenza”, ha detto Alon Gorodetsky, che è stato affascinato dal camuffamento dei calamari negli ultimi dieci anni circa. durante una conferenza stampa Alla riunione ACS. “Un modo è ridurre la quantità di luce che viene assorbita, di solito la colorazione a base di pigmenti. Un altro modo è cambiare il modo in cui la luce viene diffusa, di solito regolando le differenze nell’indice di rifrazione.” Quest’ultimo è al centro della ricerca del suo laboratorio.

La pelle di seppia è trasparente e presenta uno strato esterno di cellule del pigmento chiamato cromatofori che controllano l’assorbimento della luce. Ogni cromatoforo è attaccato alle fibre muscolari che rivestono la superficie della pelle e queste fibre, a loro volta, sono collegate alle fibre nervose. Si tratta semplicemente di stimolare quei nervi con impulsi elettrici, provocando la contrazione dei muscoli. Poiché i muscoli si irrigidiscono in direzioni diverse, la cellula si espande con le aree pigmentate, che cambiano colore. Man mano che la cellula si restringe, le aree pigmentate si restringono.

Sotto i cromatofori, c’è uno strato separato di supporti dell’iride. A differenza dei cromatofori, l’iride non è basata su pigmenti ma un esempio di colore strutturale, simile ai cristalli nelle ali di una farfalla, tranne per il fatto che l’iride di una seppia è dinamica piuttosto che statica. Possono essere sintonizzati per riflettere diverse lunghezze d’onda della luce. UN Carta 2012 ha suggerito che questo colore strutturale sintonizzabile dinamicamente dell’iride è correlato a un neurotrasmettitore chiamato acetilcolina. I due strati lavorano insieme per generare le proprietà ottiche uniche della pelle di seppia.

Poi ci sono i leucofori, simili alle iridi tranne che diffondono l’intero spettro della luce, quindi appaiono bianchi. Contengono proteine ​​riflettenti che normalmente si aggregano in nanoparticelle, in modo che la luce venga diffusa anziché assorbita o trasmessa direttamente. I leucofori si trovano principalmente nelle seppie e nei polpi, ma ci sono alcune seppie femmine del genere sepioteuthis Che contengono leucofori che possono “sintonizzarli” per diffondere solo determinate lunghezze d’onda della luce. Se le cellule lasciano passare la luce con poca dispersione, appariranno più trasparenti, mentre le cellule diventano opache e più chiare diffondendo più luce. Queste sono le cellule che interessano Gorodetsky.

Nel 2015 è stato istituito il Laboratorio Gorodetsky Adesivi per mascheratura ispirati ai calamari Per un giorno per aiutare i soldati a camuffarsi, anche dalle telecamere a infrarossi. Gli adesivi erano strati mimetici sottili e flessibili Capacità Prendere uno schema per abbinare il riflesso infrarosso dei soldati con il loro sfondo. Invece di uccidere il calamaro per sintetizzare le proteine ​​riflettenti, possono esprimerlo H. coli colture batteriche. Quindi hanno coperto l’equivalente del normale nastro adesivo domestico con i batteri modificati. L’etichettatura può essere regolata solo modificando lo spessore del film batterico. I film sottili apparivano blu; Le pellicole spesse apparivano arancioni.

Avendo già sperimentato versioni troncate della proteina per studiarne l’indice di rifrazione e il modo in cui diffonde la luce, il team di Gorodetsky ha ora ampliato tale ricerca introducendo geni derivati ​​dai calamari che codificano la diffrazione nelle cellule umane. Il trucco consisteva nel far sì che le nanostrutture riflettenti si formassero stabilmente piuttosto che temporaneamente. L’aggiunta di sale al mezzo di coltura cellulare ha fatto sì che la riflettanza si aggregasse in nanoparticelle che diffondono la luce e, aumentando gradualmente le concentrazioni di sale, le nanoparticelle sono diventate più grandi in modo da diffondere più luce, essenzialmente “sintonizzando” il loro oscuramento. Hanno preso dettagliate immagini time-lapse delle proprietà delle nanoparticelle usando una tecnica chiamata olografia.

“Stavamo davvero cercando di capire se le proprietà intrinseche di queste proteine ​​- i loro alti indici di rifrazione, la loro capacità di auto-assemblarsi in strutture specifiche – potessero essere replicate nella cellula dei mammiferi”, ha detto Gorodetsky. “Così abbiamo ingegnerizzato le cellule dei mammiferi per produrre grandi quantità di questa proteina. E abbiamo scoperto che… [resulting] Le strutture autoassemblanti erano molto simili in molti modi in termini di dimensioni e proprietà ottiche. “

Quando è scoppiata la pandemia di COVID-19 e non è stato possibile lavorare in laboratorio, lo studente laureato di Gorodetsky, Georgy Bogdanov, ha utilizzato i dati di imaging per creare un modello computazionale, consentendo loro di fare previsioni e confrontare le proprietà ottiche delle cellule di calamaro e quelle progettate cellule mammarie. “Gli indici di rifrazione sono comparabili, che è la componente principale di questo fenomeno”, ha detto Bogdanov. “Sebbene anche le dimensioni di queste particelle siano simili, questo fornisce un perfetto confronto tra la diffusione della luce che si verifica nella pelle del calamaro e nelle cellule dei mammiferi”.

E le potenziali applicazioni? All’inizio di quest’anno, abbiamo riferito che gli ingegneri dell’Università di Toronto si sono ispirati alle seppie per creare un prototipo di “finestre liquide” in grado di modificare la lunghezza d’onda, l’intensità e la distribuzione della luce trasmessa attraverso quelle finestre, risparmiando così in modo significativo sui costi energetici. Una potenziale applicazione della sua ricerca, ha affermato Gorodetsky, è l’uso di proteine ​​​​riflettenti come sonde molecolari subcellulari ad alto indice di rifrazione, utilizzate insieme a tecniche di microscopia avanzate. Tali marcatori geneticamente codificati non ovulerebbero all’interno delle cellule umane, consentendo agli scienziati di tracciare la struttura cellulare per ottenere una migliore comprensione della crescita e dello sviluppo cellulare.

DOI: Scienza e ingegneria dei biomateriali ACS, 2023. 10.1021/acsbiomaterials.2c00088 (sui DOI).