Calamares los pulpos y las sepias son maestros indiscutibles del engaño y el camuflaje. Su extraordinaria capacidad para cambiar de color, la textura y la forma no tienen rival, incluso con tecnología moderna.

Los investigadores del laboratorio del profesor de UC Santa Bárbara, Daniel Morse, han estado interesados ​​durante mucho tiempo en las propiedades ópticas de los animales que cambian de color, y están particularmente intrigados por el calamar de bajura opalescente. También conocido como calamar del mercado de California, estos animales han desarrollado la capacidad de ajustar fina y continuamente su color y brillo a un grado incomparable en otras criaturas. Esto les permite comunicarse, así como esconderse a plena vista en el océano superior brillante y, a menudo, sin rasgos distintivos.

En trabajos anteriores, los investigadores descubrieron que las proteínas especializadas, llamados reflectinas, controlan las células pigmentarias reflectantes, los iridocitos, que a su vez contribuyen a cambiar la visibilidad general y la apariencia de la criatura. Pero aún era un misterio cómo funcionaban realmente las reflectinas.

"Queríamos ahora entender cómo funciona esta notable máquina molecular, "dijo Morse, un distinguido profesor emérito en el Departamento de Molecular, Biología Celular y del Desarrollo, y autor principal de un artículo que aparece en el Revista de química biológica . Entendiendo este mecanismo, él dijo, proporcionaría información sobre el control ajustable de las propiedades emergentes, lo que podría abrir la puerta a la próxima generación de materiales sintéticos bioinspirados.

Piel que refleja la luz

Como la mayoría de los cefalópodos, calamar de bajura opalescente, practican su hechicería a través de lo que puede ser la piel más sofisticada que se encuentra en la naturaleza. Los músculos diminutos manipulan la textura de la piel mientras que los pigmentos y las células iridiscentes afectan su apariencia. Un grupo de células controla su color expandiendo y contrayendo células en su piel que contienen sacos de pigmento.

Detrás de estas células pigmentarias hay una capa de células iridiscentes, esos iridocitos, que reflejan la luz y contribuyen al color de los animales en todo el espectro visible. Los calamares también tienen leucoforos, que controlan la reflectancia de la luz blanca. Juntos, estas capas de células que contienen pigmentos y que reflejan la luz dan a los calamares la capacidad de controlar el brillo, color y matiz de su piel sobre una paleta notablemente amplia.

A diferencia del color de los pigmentos, los tonos altamente dinámicos del calamar costero opalescente son el resultado de cambiar la estructura del iridocito en sí. La luz rebota entre características de tamaño nanométrico aproximadamente del mismo tamaño que las longitudes de onda en la parte visible del espectro, produciendo colores. A medida que estas estructuras cambian sus dimensiones, los colores cambian. Las proteínas reflectinas están detrás de la capacidad de estas características para cambiar de forma, y la tarea de los investigadores era averiguar cómo hacen el trabajo.

Gracias a una combinación de ingeniería genética y análisis biofísicos, los científicos encontraron la respuesta, y resultó ser un mecanismo mucho más elegante y poderoso de lo que se imaginaba anteriormente.

"Los resultados fueron muy sorprendentes, "dijo el primer autor Robert Levenson, investigador postdoctoral en el laboratorio de Morse. El grupo esperaba encontrar uno o dos puntos en la proteína que controlaban su actividad, él dijo. "En lugar de, nuestra evidencia mostró que las características de las reflectinas que controlan la detección de su señal y el ensamblaje resultante se extienden por toda la cadena de proteínas ".

Un motor osmótico

Reflexionando que está contenido en capas de membrana estrechamente empaquetadas en los iridocitos, se parece un poco a una serie de cuentas en una cuerda, los investigadores encontraron. Normalmente, los enlaces entre las perlas están fuertemente cargados positivamente, para que se repelen, enderezar las proteínas como espaguetis crudos.

Morse y su equipo descubrieron que las señales nerviosas a las células reflectantes desencadenan la adición de grupos fosfato a los enlaces. Estos grupos fosfato cargados negativamente neutralizan la repulsión de los enlaces, permitiendo que las proteínas se plieguen. El equipo estaba especialmente emocionado al descubrir que este plegable expuso nuevas, superficies pegajosas en las porciones en forma de perlas de la reflectina, permitiéndoles agruparse. Hasta cuatro fosfatos pueden unirse a cada proteína reflectina, Proporcionar al calamar un proceso sintonizable con precisión:cuantos más fosfatos se añadan, cuanto más se pliegan las proteínas, exponer progresivamente más de las superficies hidrófobas emergentes, y cuanto más grandes crecen los grupos.

A medida que estos grupos crecen, Los varios, soltero, las pequeñas proteínas en solución se reducen, grupos más grandes de múltiples proteínas. Esto cambia la presión del fluido dentro de las pilas de membranas, expulsar el agua:un tipo de "motor osmótico" que responde a los más mínimos cambios de carga generados por las neuronas, a los que se conectan parches de miles de leucoforos e iridocitos. La deshidratación resultante reduce el grosor y el espaciamiento de las pilas de membranas, que cambia la longitud de onda de la luz reflejada progresivamente de rojo a amarillo, luego al verde y finalmente al azul. La solución más concentrada también tiene un índice de refracción más alto, lo que aumenta el brillo de las células.

"No teníamos idea de que el mecanismo que descubriríamos resultaría ser tan notablemente complejo pero contenido y tan elegantemente integrado en una molécula multifuncional, la reflectina copolimérica en bloque, con dominios opuestos tan delicadamente equilibrados que actuarían como una máquina metaestable". detectar y responder continuamente a la señalización neuronal ajustando con precisión la presión osmótica de una nanoestructura intracelular para ajustar con precisión el color y el brillo de su luz reflejada, "Dijo Morse.

Y lo que es más, los investigadores encontraron, todo el proceso es reversible y ciclable, permitiendo al calamar ajustar continuamente las propiedades ópticas que requiera su situación.

Nuevos principios de diseño

Los investigadores habían manipulado con éxito la reflectina en experimentos anteriores, pero este estudio marca la primera demostración del mecanismo subyacente. Ahora podría proporcionar nuevas ideas a científicos e ingenieros que diseñan materiales con propiedades ajustables. “Nuestros hallazgos revelan un vínculo fundamental entre las propiedades de los materiales biomoleculares producidos en los sistemas vivos y los polímeros sintéticos de alta ingeniería que ahora se están desarrollando en las fronteras de la industria y la tecnología, "Dijo Morse.

"Debido a que la reflectina funciona para controlar la presión osmótica, Puedo imaginar aplicaciones para nuevos medios de almacenamiento y conversión de energía, Aplicaciones farmacéuticas e industriales que implican viscosidad y otras propiedades líquidas. y aplicaciones médicas, "añadió.

Notablemente, Algunos de los procesos que operan en estas proteínas reflectinas son compartidos por las proteínas que se ensamblan patológicamente en la enfermedad de Alzheimer y otras afecciones degenerativas. Morse observó. Planea investigar por qué este mecanismo es reversible, ciclable inofensivo y útil en el caso de reflectin, pero irreversible y patológico para otras proteínas. Quizás las diferencias de estructura fina en sus secuencias puedan explicar la disparidad, e incluso señalar nuevos caminos para la prevención y el tratamiento de enfermedades.