Certains céphalopodes tels que les seiches, les poulpes et les seiches ont la capacité de se camoufler en se rendant transparents et/ou en changeant de couleur. Les scientifiques aimeraient en savoir plus sur les mécanismes exacts derrière cette capacité unique, mais les cellules de peau de seiche ne peuvent pas être cultivées en laboratoire. Des chercheurs de l’Université de Californie à Irvine ont découvert une solution viable : reproduire les propriétés des cellules de peau de seiche dans des cellules de mammifères (humaines) en laboratoire. ils ont présenté leurs recherches Lors de la réunion de l’American Chemical Society de cette semaine à Indianapolis.
« D’une manière générale, il existe deux façons d’atteindre la transparence », a déclaré Alon Gorodetsky, qui est fasciné par le camouflage des calamars depuis une dizaine d’années. lors d’une conférence de presse Lors de la réunion de l’ACS. « Une façon consiste à réduire la quantité de lumière absorbée – la coloration à base de pigments, généralement. Une autre façon consiste à modifier la façon dont la lumière est diffusée, généralement en ajustant les différences d’indice de réfraction. » Ce dernier est au centre des recherches de son laboratoire.
La peau de la seiche est transparente et présente une couche externe de cellules pigmentaires appelées chromatophores qui contrôlent l’absorption de la lumière. Chaque chromatophore est attaché aux fibres musculaires qui tapissent la surface de la peau, et ces fibres, à leur tour, sont reliées aux fibres nerveuses. Il s’agit simplement de stimuler ces nerfs avec des impulsions électriques, provoquant la contraction des muscles. Parce que les muscles se resserrent dans des directions différentes, la cellule se dilate avec les zones pigmentées, qui changent de couleur. Au fur et à mesure que la cellule rétrécit, les zones pigmentées rétrécissent.
Sous les chromatophores, il y a une couche séparée de montures d’iris. Contrairement aux chromatophores, l’iris n’est pas à base de pigment mais un exemple de couleur structurelle, similaire aux cristaux dans les ailes d’un papillon, sauf que l’iris d’une seiche est dynamique plutôt que statique. Ils peuvent être réglés pour refléter différentes longueurs d’onde de lumière. une Papier 2012 ont suggéré que cette couleur structurelle dynamiquement réglable de l’iris est liée à un neurotransmetteur appelé acétylcholine. Les deux couches travaillent ensemble pour générer les propriétés optiques uniques de la peau de seiche.
Ensuite, il y a les leucophores, semblables aux iris, sauf qu’ils diffusent tout le spectre de la lumière, de sorte qu’ils apparaissent blancs. Ils contiennent des protéines réfléchissantes qui s’agrègent normalement en nanoparticules, de sorte que la lumière est diffusée plutôt qu’absorbée ou transmise directement. Les leucophores se trouvent principalement dans les seiches et les poulpes, mais il existe des seiches femelles du genre sepioteuthis Qui contiennent des leucophores qui peuvent les « accorder » pour ne diffuser que certaines longueurs d’onde de lumière. Si les cellules laissent passer la lumière avec peu de diffusion, elles apparaîtront plus transparentes, tandis que les cellules deviennent opaques et plus claires en diffusant plus de lumière. Ce sont ces cellules qui intéressent Gorodetsky.
En 2015, le laboratoire Gorodetsky a été créé Autocollants de masquage inspirés du calmar Pendant une journée pour aider les soldats à se déguiser, même à partir de caméras infrarouges. Les autocollants étaient de fines couches de camouflage souples Capacité Prendre un motif pour faire correspondre la réflexion infrarouge des soldats avec leur arrière-plan. Au lieu de tuer le calmar pour synthétiser les protéines réfléchissantes, ils peuvent l’exprimer H coli cultures bactériennes. Ensuite, ils ont recouvert l’équivalent d’un ruban adhésif ménager ordinaire avec les bactéries modifiées. L’étiquetage ne peut être ajusté qu’en modifiant l’épaisseur du film bactérien. Les films minces sont apparus bleus; Les gouttes épaisses sont apparues orange.
Ayant déjà expérimenté des versions tronquées de la protéine pour étudier son indice de réfraction et la façon dont elle diffuse la lumière, l’équipe de Gorodetsky a maintenant élargi cette recherche en introduisant des gènes dérivés du calmar qui codent la diffraction dans les cellules humaines. L’astuce consistait à faire en sorte que les nanostructures réfléchissantes se forment de manière stable plutôt que temporaire. L’ajout de sel au milieu de culture cellulaire a provoqué l’agrégation de la réflectance dans des nanoparticules diffusant la lumière, et en augmentant progressivement les concentrations de sel, les nanoparticules sont devenues plus grosses de sorte que plus de lumière a été diffusée, essentiellement en « ajustant » leur gradation. Ils ont pris des images détaillées en accéléré des propriétés des nanoparticules à l’aide d’une technique appelée holographe.
ACS Biomatériaux Science et Ingénierie, 2023
« Nous essayions vraiment de comprendre si les propriétés intrinsèques de ces protéines – leurs indices de réfraction élevés, leur capacité à s’auto-assembler dans des structures spécifiques – pouvaient être reproduites dans la cellule de mammifère », a déclaré Gorodetsky. « Nous avons donc conçu des cellules de mammifères pour fabriquer de grandes quantités de cette protéine. Et nous avons découvert que… [resulting] Les structures auto-assemblées étaient très similaires à bien des égards en termes de tailles et de propriétés optiques. «
Lorsque la pandémie de COVID-19 a frappé et qu’il n’était pas possible de travailler en laboratoire, l’étudiant diplômé de Gorodetsky, Georgy Bogdanov, a utilisé des données d’imagerie pour créer un modèle informatique, leur permettant de faire des prédictions et de comparer les propriétés optiques des cellules de calmar et leur ingénierie cellules mammaires. « Les indices de réfraction sont comparables, ce qui est la principale composante de ce phénomène », a déclaré Bogdanov. « Bien que les tailles de ces particules soient également similaires, cela donne une comparaison parfaite de la diffusion de la lumière qui se produit dans la peau des calmars et des cellules de mammifères. »
Qu’en est-il des applications potentielles ? Plus tôt cette année, nous avons signalé que des ingénieurs de l’Université de Toronto se sont inspirés de la seiche pour créer un prototype de « fenêtres liquides » qui peut modifier la longueur d’onde, l’intensité et la distribution de la lumière transmise à travers ces fenêtres, réduisant ainsi considérablement les coûts énergétiques. Une application potentielle de ses recherches, a déclaré Gorodetsky, est l’utilisation de protéines réfléchissantes comme sondes moléculaires sous-cellulaires à indice de réfraction élevé, utilisées conjointement avec des techniques de microscopie avancées. De tels marqueurs génétiquement codés n’ovuleraient pas à l’intérieur des cellules humaines, permettant aux scientifiques de tracer la structure cellulaire pour mieux comprendre la croissance et le développement des cellules.
DOI : ACS Sciences et ingénierie des biomatériaux, 2023. 10.1021/acsbiomaterials.2c00088 (à propos des DOI).
