bläckfisk, bläckfiskar och bläckfiskar är obestridda mästare i bedrägeri och kamouflage. Deras extraordinära förmåga att ändra färg, struktur och form är oöverträffad, även med modern teknik.

Forskare i labbet vid UC Santa Barbara professor Daniel Morse har länge varit intresserade av de optiska egenskaperna hos djur som ändrar färg, och de är särskilt fascinerade av den opaliserande kustbläckfisken. Även känd som Kaliforniens marknadsbläckfisk, dessa djur har utvecklat förmågan att fin och kontinuerligt ställa in sin färg och glans i en grad oöverträffad i andra varelser. Detta gör det möjligt för dem att kommunicera, samt gömma sig i vanlig syn i det ljusa och ofta prestationslösa övre havet.

I tidigare arbeten, forskarna avslöjade att specialiserade proteiner, kallade reflektiner, kontrollerar reflekterande pigmentceller – iridocyter – som i sin tur bidrar till att förändra varelsens övergripande synlighet och utseende. Men fortfarande var ett mysterium hur reflexerna faktiskt fungerade.

"Vi ville nu förstå hur denna anmärkningsvärda molekylära maskin fungerar, sa Morse, en framstående emeritusprofessor vid institutionen för molekylär, Cellulär och utvecklingsbiologi, och huvudförfattare till en artikel som visas i Journal of Biological Chemistry . Förstå denna mekanism, han sa, skulle ge insikt i den avstämbara kontrollen av framväxande egenskaper, som kan öppna dörren till nästa generation av bioinspirerade syntetiska material.

Ljusreflekterande hud

Som de flesta bläckfiskar, opaliserande kustbläckfisk, utöva sin trolldom genom vad som kan vara den mest sofistikerade huden som finns någonstans i naturen. Små muskler manipulerar hudens struktur medan pigment och iriserande celler påverkar dess utseende. En grupp celler kontrollerar sin färg genom att expandera och dra ihop celler i huden som innehåller säckar med pigment.

Bakom dessa pigmentceller finns ett lager av regnbågsskimrande celler – dessa iridocyter – som reflekterar ljus och bidrar till djurens färg över hela det synliga spektrumet. Bläckfiskarna har också leukoforer, som styr reflektansen av vitt ljus. Tillsammans, dessa lager av pigmentinnehållande och ljusreflekterande celler ger bläckfiskarna förmågan att kontrollera ljusstyrkan, färg och nyans på huden över en anmärkningsvärt bred palett.

Till skillnad från färgen från pigment, de mycket dynamiska nyanserna hos den opaliserande kustbläckfisken är resultatet av att själva iridocytens struktur förändras. Ljus studsar mellan nanometerstora funktioner ungefär lika stora som våglängder i den synliga delen av spektrumet, producerar färger. När dessa strukturer ändrar sina dimensioner, färgerna ändras. Reflectinproteiner ligger bakom dessa egenskapers förmåga att förändra formen, och forskarnas uppgift var att ta reda på hur de gör jobbet.

Tack vare en kombination av genteknik och biofysiska analyser, forskarna hittade svaret, och det visade sig vara en mekanism som var mycket mer elegant och kraftfull än tidigare tänkt.

"Resultaten var mycket överraskande, " sa första författaren Robert Levenson, en postdoktor i Morses labb. Gruppen hade förväntat sig att hitta en eller två fläckar på proteinet som kontrollerade dess aktivitet, han sa. "Istället, våra bevis visade att egenskaperna hos reflektinerna som kontrollerar dess signaldetektering och den resulterande sammansättningen är spridda över hela proteinkedjan."

En osmotisk motor

reflekterar, som finns i tätt packade membranlager i iridocyter, ser lite ut som en serie pärlor på ett snöre, fann forskarna. I vanliga fall, länkarna mellan pärlorna är starkt positivt laddade, så de stöter bort varandra, räta ut proteinerna som okokt spagetti.

Morse och hans team upptäckte att nervsignaler till de reflekterande cellerna utlöser tillsatsen av fosfatgrupper till länkarna. Dessa negativt laddade fosfatgrupper neutraliserar länkarnas avstötning, så att proteinerna kan vikas ihop. Teamet var särskilt glada över att upptäcka att denna vikning avslöjade nya, klibbiga ytor på pärlliknande delar av reflektinet, så att de kan klumpa ihop sig. Upp till fyra fosfater kan binda till varje reflektinprotein, ger bläckfisken en exakt avstämbar process:Ju fler fosfater som tillsätts, ju mer proteinerna viker sig, progressivt exponera mer av de framväxande hydrofoba ytorna, och ju större klumparna växer.

När dessa klumpar växer, de många, enda, små proteiner i lösning blir färre, större grupper av flera proteiner. Detta ändrar vätsketrycket inuti membranstaplarna, driva ut vatten - en typ av "osmotisk motor" som reagerar på de minsta förändringar i laddning som genereras av neuronerna, till vilka fläckar av tusentals leukoforer och iridocyter är kopplade. Den resulterande uttorkningen minskar tjockleken och avståndet mellan membranstaplarna, som skiftar våglängden för reflekterat ljus progressivt från rött till gult, sedan till grönt och till sist blått. Den mer koncentrerade lösningen har också ett högre brytningsindex, vilket ökar cellernas ljusstyrka.

"Vi hade ingen aning om att den mekanism vi skulle upptäcka skulle visa sig vara så anmärkningsvärt komplex men ändå innesluten och så elegant integrerad i en multifunktionell molekyl-block-sampolymer reflektin-med motsatta domäner så känsligt redo att de fungerar som en metastabil maskin, ständigt känna av och reagera på neuronal signalering genom att exakt justera det osmotiska trycket i en intracellulär nanostruktur för att exakt finjustera färgen och ljusstyrkan hos dess reflekterade ljus, "Sa Morse.

Vad mer, fann forskarna, hela processen är reversibel och cyklerbar, vilket gör det möjligt för bläckfisken att kontinuerligt finjustera de optiska egenskaper som dess situation kräver.

Nya designprinciper

Forskarna hade framgångsrikt manipulerat reflectin i tidigare experiment, men denna studie markerar den första demonstrationen av den bakomliggande mekanismen. Nu kan det ge nya idéer till forskare och ingenjörer som designar material med avstämbara egenskaper. "Våra resultat avslöjar en grundläggande koppling mellan egenskaperna hos biomolekylära material som produceras i levande system och de högkonstruerade syntetiska polymerer som nu utvecklas vid gränserna för industri och teknik, sa Morse.

"Eftersom reflectin arbetar för att kontrollera osmotiskt tryck, Jag kan föreställa mig tillämpningar för nya sätt för energilagring och omvandling, farmaceutiska och industriella tillämpningar som involverar viskositet och andra flytande egenskaper, och medicinska tillämpningar, " han lade till.

Anmärkningsvärt, några av processerna som fungerar i dessa reflektinproteiner delas av proteinerna som samlas patologiskt vid Alzheimers sjukdom och andra degenerativa tillstånd, Morse observerade. Han planerar att undersöka varför denna mekanism är reversibel, cykelbar, ofarligt och användbart vid reflektion, men irreversibel och patologisk för andra proteiner. Kanske kan de finstrukturerade skillnaderna i deras sekvenser förklara skillnaden, och till och med peka på nya vägar för förebyggande och behandling av sjukdomar.