Исследователи Калифорнийского университета в Сан-Диего сделали значительный шаг к пониманию уникальной способности некоторых из самых выдающихся «мастеров маскировки» в природе. Осьминоги, кальмары и каракатицы известны своей способностью изменять цвет кожи, что позволяет им сливаться с окружающей средой. Эта удивительная мимикрия осуществляется благодаря сложным биологическим процессам, в которых ключевую роль играет ксантомматин — природный пигмент.
Из-за своей способности к изменению цвета ксантомматин привлекал внимание ученых и военных, однако его производство и исследование в лабораторных условиях оставались сложными задачами.
В новом исследовании, проведенном под руководством Института океанографии Скриппса при Калифорнийском университете в Сан-Диего, была достигнута важная веха в понимании маскировочных способностей природы. Ученым удалось разработать новый метод для массового производства ксантомматина.
Этот метод, вдохновленный природными процессами, позволил впервые получить пигмент в бактериях с высоким уровнем производства, что открывает новые горизонты для его применения в различных материалах и косметических продуктах — от фотоэлектронных устройств до УФ-защитных средств. Новый подход позволяет производить до 1000 раз больше пигмента по сравнению с традиционными методами.
«Мы создали инновационную технологию, которая впервые ускорила процесс получения ксантомматина в бактериях, — отметил Брэдли Мур, старший автор исследования и морской химик из Центра океанографии Скриппа и Школы фармацевтики Калифорнийского университета в Сан-Диего. — Этот природный пигмент обеспечивает осьминогам и кальмарам удивительную способность маскироваться, и наше достижение в его производстве — это лишь начало».
Авторы исследования подчеркнули, что их открытие имеет важное значение не только для понимания этого уникального пигмента, который проливает свет на биологию и химию животных, но и потому, что разработанная технология может быть адаптирована для других химических веществ, что потенциально поможет перейти от ископаемых материалов к альтернативным природным вариантам.
Ксантомматин также встречается у насекомых, таких как бабочки-монархи, придавая их крыльям яркие оранжевые и желтые оттенки, его также содержат насыщенные красные цвета тел и глаз стрекоз.
Несмотря на впечатляющие окрашивающие свойства ксантомматина, его изучение затруднено из-за проблем с поставками. Получение пигмента из животных неэффективно и не масштабируемо, а традиционные лабораторные методы трудоемки и имеют низкую производительность.
Исследователи из лаборатории Мура в Центре океанографии Скриппа с коллегами стремились изменить эту ситуацию, чтобы разработать решение, которое они назвали «биосинтезом, сопряженным с ростом». Этот метод биоинженерии, который позволил создать химический пигмент осьминога в бактериях, представляет собой новый подход, отличающийся от традиционных биотехнологий. Он связывает производство пигмента с выживанием бактерий, которые его производят.
«Нам требовался совершенно новый подход к решению этой проблемы, — сказала Лия Бушин, ведущий автор исследования. — По сути, мы придумали способ заставить бактерии производить больше необходимого нам материала».
Обычно, когда исследователи пытаются заставить микроб производить чужеродное вещество, это создаёт серьёзную метаболическую нагрузку. Без значительных генетических манипуляций микроб сопротивляется переключению своих основных ресурсов на производство чего-то незнакомого.
Связав выживание клетки с выработкой целевого соединения, команда смогла заставить микроб вырабатывать ксантомматин. Для этого они взяли за основу генетически модифицированную «больную» клетку, которая могла выжить только при условии выработки как желаемого пигмента, так и второго химического вещества — муравьиной кислоты. На каждую молекулу пигмента клетка также производила одну молекулу муравьиной кислоты. Муравьиная кислота, в свою очередь, служит топливом для роста клетки, создавая самоподдерживающийся цикл, стимулирующий выработку пигмента.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Biotechnology.
Изображение: осьминог маскируется под морское дно. Автор: Шарлотта Сейд / eurekalert.org
