Reflektiner, de unika strukturella proteinerna som ger bläckfiskar och bläckfiskar förmågan att ändra färger och smälta in i sin omgivning, tros ha stor potential för innovationer inom så olika områden som elektronik, optik och medicin. Forskare och uppfinnare har hindrats i sina försök att fullt ut utnyttja krafterna hos dessa biomolekyler på grund av deras atypiska kemiska sammansättning och höga känslighet för subtila miljöförändringar.

I en studie publicerad nyligen i Proceedings of the National Academy of Sciences , University of California, Irvine-forskare har avslöjat strukturen av en reflektinvariant på molekylär nivå, och de har demonstrerat en metod för att mekaniskt kontrollera proteinets hierarkiska sammansättning och optiska egenskaper. Dessa fynd ses som nyckelsteg för att utnyttja många av de potentiellt användbara egenskaperna hos reflektinfamiljen.

"Mitt laboratorium på UCI har under lång tid arbetat med att efterlikna ljusspridande och ljusreflekterande krafter hos bläckfiskar med målet att uppfinna nya klasser av adaptiva termoregulatoriska tyger och andra vardagliga teknologier, " sa medförfattaren Alon Gorodetsky, UCI docent i kemi- och biomolekylär teknik. "Med denna forskning, vi har fokuserat på att utveckla en detaljerad grundläggande förståelse för hur reflektiner fungerar på molekylär nivå."

Gorodetsky sa att forskare attraheras av reflektioner eftersom, liknande andra proteinbaserade material, de erbjuder många fördelaktiga egenskaper som kontrollerbar självmontering, stimuli-känslighet, anpassningsbar funktionalitet och kompatibilitet med andra biologiska system. Modellbiomaterialen har också visat sin användbarhet för att modifiera brytningsindex för mänskliga celler och stödja tillväxten av neurala stamceller.

I deras laboratorium på UCI:s Henry Sameuli School of Engineering, Gorodetsky och hans medarbetare använde bioinformatiska förutsägelser för att välja en reflektionsvariant, producerade proteinet i bakterier och utvecklade lösningsförhållanden för att hålla det i ett stabilt tillstånd.

Forskarna använde sedan en mängd olika verktyg för analys av proteinet och dess lösningar, inklusive simuleringar av molekylär dynamik, liten vinkel röntgenspridning, och kärnmagnetisk resonansspektroskopi. De undersökte också de sammansatta multimera proteinensemblerna med tekniker som atomkraftsmikroskopi och tredimensionell holotomografisk mikroskopi. Dessa metoder gjorde det möjligt för teamet att bedöma ett komplett utbud av kvaliteter och egenskaper för den reflekterande varianten.

"Genom våra synergistiska beräknings- och experimentella metoder, vi kunde belysa den tredimensionella strukturen av reflektinvarianten, därigenom etablera en direkt korrelation mellan proteinets strukturella egenskaper och inneboende optiska egenskaper, ", sade Gorodetsky. "Denna forskning kan ses som ett värdefullt konceptuellt ramverk för att använda denna klass av proteiner i bioteknikapplikationer."

Gorodetsky sa att hans teams arbete kommer att möjliggöra nya tekniker för att bearbeta reflektinbaserade material och pekar på nya vägar för skräddarsydda filmer av proteinet på nano- och mikrometerskala, vilket skulle vara fördelaktigt för biofotoniska och bioelektroniska applikationer såväl som för att inspirera designen av polymera material med sofistikerad ljusspridningsförmåga. Han sa också att tillvägagångssättet som används i detta projekt kan hjälpa till att bättre förstå mekanismerna som ligger till grund för bläckfiskarnas förmåga att ändra färg.