Även om zebrafiskar är mycket mindre och mindre kända än sina landlevande namne, har de små fiskarna en unik förmåga:de kan snabbt ändra färgen på sina karakteristiska ränder från blå till gul när de är nödställda.
Liksom kameleoner uppnår zebrafisk denna färgomvandling genom strukturella förändringar. Genom att exakt och samtidigt ändra orienteringen av ljusreflekterande kristaller på deras fjäll och hud kan zebrafiskar ändra färgen på sina ränder över hela kroppen på några sekunder.
I ny forskning som visas i Proceedings of the National Academy of Sciences , har forskare pekat ut det intrikata cellulära maskineriet bakom denna färgförändring. Med hjälp av avancerad avbildningsteknik har de identifierat molekylerna, strukturerna och signaleringsmekanismerna inuti cellen som samverkar för att ändra zebrafiskens ränder från blå till gula när fisken är stressad.
"Ingen har sett dessa strukturer tidigare på den här nivån, och ingen har visat hur de reagerar på förändringar i ljus och färg", säger Jennifer Lippincott-Schwartz, en senior gruppledare och chef för forskningsområdet 4D Cellular Physiology vid Janelia, som var seniorförfattaren på den nya studien i samarbete med labbet av John Hammer från NIH. "Det har kommit ett förslag om att kristallerna på något sätt ändrar sitt arrangemang för att ändra färg, men vi visar exakt hur det händer."
De nya rönen kan hjälpa forskare att bättre förstå de molekylära mekanismerna bakom färgförändringar hos andra djur – från kameleonter till copepoder – som använder liknande strukturella färgförändringar för att kommunicera, reglera kroppstemperaturen och skapa kamouflage.
"Det är vettigt att samma komponenter som behövs för detta finns tillgängliga och finns i andra system, så vi tror att detta kan vara ett robust sätt för organismer att ändra sin färg. Och vi har några preliminära indikationer på att detta faktiskt äger rum i andra organismer", säger Dvir Gur, forskare vid Weizmann Institute of Science, som ledde det nya arbetet.
Gur började undersöka hur zebrafiskar fick sina ränder som postdoktor i Lippincott-Schwartz-labbet. År 2020 identifierade Gur, Lippincott-Schwartz och ett team av forskare hur ordningen av små guaninkristaller i zebrafiskens fjäll genererar dess blå och gula ränder.
Medan de studerade fisken blev forskarna fascinerade av hur zebrafiskens blå ränder skulle försvinna när en fiskhanterare kom in i rummet eller när den förlorade en kamp mot en dominerande hane.
Hos många djur sker färgförändringar när säckar av pigment sprids och aggregeras i cellen. Men detta var inte fallet i zebrafisk iridophores, där en sådan rörelse av kristallerna inuti dessa celler skulle ha orsakat iridophores att förlora sin strukturella färg. Det fanns antydningar om att fisken kunde ändra orienteringen av kristallerna för att reflektera ljus i olika vinklar och skapa olika färger, men hur det gick till förstod man inte.
"Detta var verkligen triggern som fick oss att titta på mekanismen som underlättade färgförändringen i dessa celler," säger Gur. "Vi visste att det måste finnas ett annat sätt."
Teamet började med att titta närmare på kristallerna före och efter färgbytet med hjälp av högupplöst bildbehandling och synkrotronbaserad röntgendiffraktion.
De såg att inuti iridoforer är kristallerna ordnade i högar av långa, plattliknande strukturer. Färgförändringen uppstår från den samtidiga och exakta lutning av dessa kristaller. Gur liknar processen med rörelsen av en persienn, där lamellerna lutar ihop för att kontrollera hur mycket ljus som kommer igenom. När en zebrafisk är stressad lutar kristallerna alla i en 20-graders vinkel, vilket ändrar avståndet mellan dem och ljusvinkeln som träffar dem. Detta förändrar de optiska egenskaperna hos kristallerna i iridoforen, vilket gör att fiskens ränder ändras från blå till gula.
Därefter använde forskarna live avbildning för att förstå vad som drev denna process. Efter att på konstgjord väg inducerat en stressreaktion hos fisken fann teamet att lutningen möjliggjordes av motorproteiner som kallas dynein som går längs mikrotubuli inuti cellen och ansluter till kristallerna, drar och lutar dem för att skapa färgförändringen.
Processen regleras av en molekyl som kallas cyklisk AMP, en andra budbärarmolekyl som aktiveras när fisken är stressad. Cyklisk AMP skickar en signal till många celler i fisken samtidigt, utlöser lutningen och gör att alla ränder ändrar färg samtidigt.
Utöver att tillhandahålla en mekanism för strukturell färgförändring kan de nya fynden hjälpa till att belysa varför vissa djur bildar dessa molekylära kristaller, som hos människor kan bilda njursten och gikt. De kan också informera om utformningen av konstgjorda material och anordningar som drar fördel av dessa naturliga egenskaper.
"För mig handlar det egentligen om nyfikenhetsdriven vetenskap:allt vi gör är för att vi vill förstå naturen bättre", säger Gur och tillägger att det är anmärkningsvärt att se hur små organismer kan åstadkomma något som människor, med sin avancerade teknologi. , kan inte. "Men ur detta kan komma många olika saker som så småningom också kan vara användbara, från att använda naturen som en källa för att lära sig principer för biomimik, till optiska enheter som använder liknande tillvägagångssätt, till nästa generations avstämbara fotoniska kristaller."
Mer information: Gur, Dvir et al, Den fysiska och cellulära mekanismen för strukturell färgförändring hos zebrafisk, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2308531121. www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2308531121
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av Howard Hughes Medical Institute
