Aunque el pez cebra es mucho más pequeño y menos famoso que sus homónimos terrestres, los diminutos peces poseen una habilidad única:pueden cambiar rápidamente el color de sus rayas características de azul a amarillo cuando están angustiados.
Al igual que los camaleones, el pez cebra logra esta transformación de color mediante cambios estructurales. Al alterar de forma precisa y simultánea la orientación de los cristales que reflejan la luz en sus escamas y piel, el pez cebra puede cambiar el color de sus rayas a lo largo de todo su cuerpo en segundos.
En una nueva investigación que aparece en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias , los científicos han identificado la intrincada maquinaria celular detrás de este cambio de color. Utilizando técnicas de imagen avanzadas, han identificado las moléculas, estructuras y mecanismos de señalización dentro de la célula que trabajan juntos para cambiar las rayas del pez cebra de azul a amarillo cuando el pez está bajo estrés.
"Nadie ha visto estas estructuras antes a este nivel, y nadie ha demostrado cómo responden a los cambios de luz y color", dice Jennifer Lippincott-Schwartz, líder senior del grupo y jefa del área de investigación de Fisiología Celular 4D en Janelia, quien fue el autor principal del nuevo estudio en colaboración con el laboratorio de John Hammer de los NIH. "Ha habido una propuesta de que los cristales alteren de alguna manera su disposición para cambiar su color, pero estamos mostrando exactamente cómo sucede eso".
Los nuevos hallazgos podrían ayudar a los científicos a comprender mejor los mecanismos moleculares que subyacen al cambio de color en otros animales (desde camaleones hasta copépodos) que utilizan cambios de color estructurales similares para comunicarse, regular la temperatura corporal y crear camuflaje.
"Tiene sentido que los mismos componentes que se necesitan para esto estén disponibles y presentes en otros sistemas, por lo que creemos que esta podría ser una forma sólida para que los organismos cambien su color. Y tenemos algunos indicios preliminares de que esto realmente está ocurriendo en otros organismos", afirma Dvir Gur, investigador del Instituto Weizmann de Ciencias, que dirigió el nuevo trabajo.
Gur comenzó a examinar cómo el pez cebra obtuvo sus rayas como investigador postdoctoral en el laboratorio Lippincott-Schwartz. En 2020, Gur, Lippincott-Schwartz y un equipo de investigadores identificaron cómo el orden de los pequeños cristales de guanina en las escamas del pez cebra genera sus rayas azules y amarillas.
Mientras estudiaban el pez, los investigadores estaban intrigados por cómo las rayas azules del pez cebra desaparecían cuando un pescador entraba en la habitación o cuando perdía una pelea ante un macho dominante.
En muchos animales, los cambios de color ocurren cuando los sacos de pigmento se dispersan y agregan dentro de la célula. Pero este no fue el caso de los iridóforos del pez cebra, donde tal movimiento de los cristales dentro de estas células habría causado que los iridóforos perdieran su color estructural. Había indicios de que los peces podían cambiar la orientación de los cristales para reflejar la luz en diferentes ángulos, creando diferentes colores, pero no se entendía cómo sucedió eso.
"Este fue realmente el detonante que nos hizo observar el mecanismo que facilitaba el cambio de color en estas células", dice Gur. "Sabíamos que tenía que haber otra manera."
El equipo comenzó observando más de cerca los cristales antes y después del cambio de color utilizando imágenes de alta resolución y difracción de rayos X basada en sincrotrón.
Vieron que dentro de los iridóforos, los cristales están dispuestos en pilas de estructuras largas en forma de placas. El cambio de color surge de la inclinación simultánea y precisa de estos cristales. Gur compara el proceso con el movimiento de una persiana veneciana, donde las lamas se inclinan juntas para controlar la cantidad de luz que entra. Cuando un pez cebra está estresado, todos los cristales se inclinan en un ángulo de 20 grados, cambiando el espacio entre ellos y el ángulo de la luz que los incide. Esto altera las propiedades ópticas de los cristales del iridóforo, haciendo que las rayas del pez cambien de azul a amarillo.
A continuación, los investigadores utilizaron imágenes en vivo para comprender qué impulsaba este proceso. Después de inducir artificialmente una respuesta de estrés en los peces, el equipo descubrió que la inclinación era posible gracias a proteínas motoras llamadas dineína que caminan a lo largo de los microtúbulos dentro de la célula y se conectan a los cristales, tirando de ellos e inclinándolos para crear el cambio de color.
El proceso está regulado por una molécula llamada AMP cíclico, una molécula de segundo mensajero que se activa cuando el pez está estresado. El AMP cíclico envía una señal a muchas células del pez al mismo tiempo, lo que provoca la inclinación y hace que todas las rayas cambien de color simultáneamente.
Más allá de proporcionar un mecanismo para el cambio de color estructural, los nuevos hallazgos podrían ayudar a arrojar luz sobre por qué algunos animales forman estos cristales moleculares, que en los humanos pueden formar cálculos renales y gota. También podrían servir de base para el diseño de materiales y dispositivos artificiales que aprovechen estas propiedades naturales.
"Para mí, en realidad se trata de ciencia impulsada por la curiosidad:todo lo que hacemos es porque queremos comprender mejor la naturaleza", dice Gur, y añade que es extraordinario ver cómo organismos diminutos pueden lograr algo que los humanos, con su tecnología avanzada. , no puedo. "Pero de esto podrían surgir muchas cosas diferentes que eventualmente también podrían ser útiles, desde utilizar la naturaleza como fuente para aprender principios de biomimetismo, hasta dispositivos ópticos que utilizan enfoques similares y cristales fotónicos sintonizables de próxima generación". P>
Más información: Gur, Dvir et al, El mecanismo físico y celular del cambio de color estructural en el pez cebra, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2024). DOI:10.1073/pnas.2308531121. www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2308531121
Información de la revista: Actas de la Academia Nacional de Ciencias
Proporcionado por el Instituto Médico Howard Hughes
