Рефлектины — это семейство внутренне неупорядоченных белков, выработанных определенным количеством головоногих , включая Euprymna scolopes и Doryteuthis opalescens, для создания радужной маскировки и сигнализации. Недавно идентифицированное семейство белков обогащено ароматическими и серосодержащими аминокислотами и используется некоторыми головоногими для преломления падающего света в их среде. [1] Белок рефлектин отвечает за динамическую пигментацию и радужность в организмах. Этот процесс является «динамическим» из-за его обратимых свойств, что позволяет рефлектину изменять внешний вид организма в ответ на внешние факторы, такие как необходимость маскировки или отправки предупреждающих сигналов.
Белки-рефлекторы, вероятно, распределены во внешнем слое клеток, называемых «клетки оболочки», которые окружают пигментные клетки организма, также известные как хроматоциты. [2] Определенные последовательности рефлекторов позволяют головоногим моллюскам общаться и маскироваться, регулируя цвет и отражательную способность. [3]
Источник
Предполагается, что рефлектин произошел от типа транспозона (называемого прыгающими генами ), который представляет собой последовательность ДНК, которая может менять положение в генетическом материале, кодируя фермент . Закодированный фермент отсоединяет транспозон от одного места в геноме и лигирует (связывает) его с другим. «Прыжки» транспозона могут создавать или обращать мутации , которые изменяют генетическую идентичность клетки, что может привести к новым характеристикам. Этот процесс можно рассматривать как механизм «вырезать и вставить». Способность транспозонов адаптироваться в геноме и быстро менять свою идентичность является свойством, которое очень похоже на поведение рефлектина.
Дополнительным предком может быть симбиотический Vibrio fischeri (также называемый Aliivibrio fischeri), который является биолюминесцентной (производит и испускает свет) бактерией, часто встречающейся в симбиотических отношениях. Поскольку рефлектин и Vibrio fischeri имеют схожие функции, такие как создание радужного внешнего вида в организмах, также считается, что, как и Vibrio fischeri, рефлектин является симбиотическим и используется головоногими для взаимодействия с окружающей средой. [4] [5]
Структура
Reflectin — это неупорядоченный белок, состоящий из консервативных аминокислотных последовательностей. Каждая последовательность включает комбинацию стандартных и серосодержащих аминокислот. Хотя базовую структуру можно вывести, точную молекулярную структуру еще предстоит определить. Свето-взаимодействующие свойства reflectin можно объяснить его упорядоченной иерархической структурой и водородными связями . [6] [7] [8]
Рефлексин в мембранах
Рефлектины составляют большинство отражателей Брэгга, которые образуются путем инвагинации клеточной мембраны. Отражатели Брэгга отвечают за отражение цвета в типе клеток кожи, называемых иридоцитами . Отражатели состоят из периодически уложенных друг на друга пластинок , которые представляют собой тонкие слои ткани, связанные с мембраной. Цвет и яркость света, отражаемого многими видами, определяются толщиной, расстоянием и показателем преломления (насколько быстро свет может проходить через мембрану) пластинок Брэгга. [9] Изменение толщины мембраны вызывает отток воды из пластинок Брэгга, по сути обезвоживая ее, увеличивая их показатель преломления и уменьшая толщину и расстояние. Это приводит к увеличению отражательной способности пластинок Брэгга и изменению цвета отраженного света. Это изменение дополнительно позволяет изначально прозрачным клеткам увеличивать яркость [8]
Механизмы
Рефлектин способен получать информацию от сигналов для непрерывного процесса тонкой настройки осмотического давления субклеточных структур головоногих моллюсков. Этот непрерывный процесс используется для регулирования фотонного поведения или, другими словами, управления тем, как организм меняет цвет. Компоненты рефлектина несут очень сильный положительный заряд. Нервные сигналы отправляются в клетки иридофоров (также называемые хроматофорами), которые представляют собой клетки, содержащие пигмент, которые добавляют отрицательный заряд к рефлектину. Когда заряды сбалансированы, белок сворачивается, обнажая липкую поверхность, заставляя отражающие молекулы слипаться. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не накопится достаточное количество рефлектиновых белков, чтобы изменить давление жидкости мембраны клеточных стенок. Толщина мембраны уменьшается по мере выхода воды, процесс, который изменяет длину волны отраженного света. [2] Адаптируя мембрану организма к отражению различных длин волн, отражение позволяет головоногим моллюскам переключаться с разных цветов на красный, желтый, зеленый и синий, а также регулировать яркость проецируемого цвета. [10] [11] [12] [13]
Текущие исследования
Исследовательские группы ICB ( Института совместных биотехнологий ) обнаружили, что сборку рефлектина можно электрически точно настраивать, что предполагает новый подход к управлению белковыми машинами, подобными рефлектину [14] Биотическое-абиотическое манипулирование путем электрической тонкой настройки сборки рефлектина
Исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB) могут иметь значение для молекулярной инженерии на основе механизмов, похожих на преобразования, контролируемые рефлектином. Открытия, касающиеся рефлектина, могут даже указать путь к лечению болезни Альцгеймера. Процессы, используемые рефлектином, похожи на те, которые наблюдаются при сборке белков в мозге во время развития заболеваний, связанных с белками, таких как болезнь Альцгеймера и Паркинсона. Понимание того, как можно обратить вспять патологию, повреждающую мозг.
Исследователи полагают, что обратимые механизмы, используемые белком рефлектина, могут быть воспроизведены для разработки динамичных живых клеток и тканей человека. Эти результаты могут быть применены к разработке биофотонных инструментов, используемых в материаловедении и биоинженерии [15] Оптическая инженерия человеческих клеток
Основываясь на функции рефлектина по маскировке головоногих моллюсков, исследователи полагают, что возможно создать материал, используемый для роста человеческих нервных и прогениторных клеток. [16] Использование рефлектина в качестве материала для роста нервных стволовых клеток
Использование в биоинженерии
Искусственно созданные человеческие клетки с настраиваемыми оптическими свойствамиСтруктуры рефлектина, полученные с помощью модифицированных клеток млекопитающих
^ DeMartini DG, Izumi M, Weaver AT, Pandolfi E, Morse DE (июнь 2015 г.). «Структуры, организация и функции белков Reflectin в динамически настраиваемых отражательных клетках». Журнал биологической химии . 290 (24): 15238–49. doi : 10.1074/jbc.M115.638254 . PMC 4463464. PMID 25918159 .
^ ab Song, Junyi; Levenson, Robert; Santos, Jerome; Velazquez, Lourdes; Zhang, Fan; Fygenson, Deborah ; Wu, Wenjian; Morse, Daniel E. (17.03.2020). «Рефлектиновые белки связывают и реорганизуют синтетические фосфолипидные везикулы». Langmuir . 36 (10): 2673–2682. doi :10.1021/acs.langmuir.9b03632. ISSN 0743-7463. PMID 32097553. S2CID 211525202.
^ Ким, Мири (2017-08-21). «Новые исследования белков рефлектина проливают свет на камуфляж головоногих моллюсков». Scilight . 2017 (9): 090008. doi :10.1063/1.5000813.
^ Гуань, Чжэ; Цай, Тяньтянь; Лю, Чжунминь; Доу, Юньфэн; Ху, Сюэсун; Чжан, Пэн; Сунь, Синь; Ли, Хунвэй; Куанг, Яо; Чжай, Киран; Жуань, Хао (25 сентября 2017 г.). «Происхождение гена рефлектина и иерархическая сборка его белка». Современная биология . 27 (18): 2833–2842.е6. дои : 10.1016/j.cub.2017.07.061 . ISSN 0960-9822. ПМИД 28889973.
^ "Исследовательская группа обнаружила происхождение мгновенной модуляции окраски тела осьминогов". phys.org . Получено 16.11.2020 .
^ "Поиск награды NSF: награда № 1856055 - Молекулярная основа регулируемой иридизации и превосходной протонной проводимости рефлектиновой сборки". www.nsf.gov . Получено 16.11.2020 .
^ Крамер, Райан М.; Крукс-Гудсон, Венди Дж.; Наик, Раджеш Р. (июль 2007 г.). «Самоорганизующиеся свойства белка рефлектина кальмара». Nature Materials . 6 (7): 533–538. Bibcode :2007NatMa...6..533K. doi :10.1038/nmat1930. ISSN 1476-4660. PMID 17546036.
^ ab "Структура белка рефлектина, исследованная методом твердотельного ядерного магнитного резонанса | Аргоннская национальная лаборатория". www.anl.gov . Получено 16.11.2020 .
^ Гошал, Амитабх; ДеМартини, Дэниел Г.; Эк, Элизабет; Морзе, Дэниел Э. (2013-08-06). "Оптические параметры настраиваемых брэгговских отражателей в кальмаре". Журнал интерфейса Королевского общества . 10 (85). doi :10.1098/rsif.2013.0386. ISSN 1742-5689. PMC 4043173. PMID 23740489 .
^ Фан, Лонг; Каутц, Райлан; Арулмоли, Джанахан; Ким, Айрис Х.; Ле, Дай Транг Т.; Шенк, Майкл А.; Патхак, Медха М.; Фланаган, Лиза А.; Томбола, Франческо; Городецкий, Алон А. (13.01.2016). «Рефлектин как материал для роста нейральных стволовых клеток». ACS Applied Materials & Interfaces . 8 (1): 278–284. doi :10.1021/acsami.5b08717. ISSN 1944-8244. PMC 4721522. PMID 26703760 .
^ Qin, Guokui; Dennis, Patrick B.; Zhang, Yuji; Hu, Xiao; Bressner, Jason E.; Sun, Zhongyuan; Crookes-Goodson, Wendy J.; Naik, Rajesh R.; Omenetto, Fiorenzo G.; Kaplan, David L. (2013). «Оптические материалы на основе рекомбинантного рефлектина». Journal of Polymer Science Часть B: Polymer Physics . 51 (4): 254–264. Bibcode : 2013JPoSB..51..254Q. doi : 10.1002/polb.23204. ISSN 1099-0488.
^ Naughton, Kyle L.; Phan, Long; Leung, Erica M.; Kautz, Rylan; Lin, Qiyin; Van Dyke, Yegor; Marmiroli, Benedetta; Sartori, Barbara; Arvai, Andy; Li, Sheng; Pique, Michael E. (2016-07-25). "Самосборка белка рефлектина головоногих моллюсков". Advanced Materials . 28 (38): 8405–8412. doi :10.1002/adma.201601666. ISSN 0935-9648. PMID 27454809.
^ Левенсон, Роберт; Бракен, Колтон; Шарма, Кристиан; Сантос, Джером; Арата, Клэр; Малади, Брэндон; Морс, Дэниел Э. (2019-11-08). «Калибровка между триггером и цветом: нейтрализация генетически кодируемого кулоновского переключателя и динамическая остановка точно настраивают сборку рефлектора». Журнал биологической химии . 294 (45): 16804–16815. doi : 10.1074/jbc.RA119.010339 . ISSN 0021-9258. PMC 6851332. PMID 31558609 .
^ «Синтетическая биология с Reflectin: разработка нового вида биомолекулярной машины | Институт совместной биотехнологии (ICB) | UCSB, MIT и Caltech». www.icb.ucsb.edu . Получено 17.11.2020 .
^ Натан, Стюарт (18.11.2019). «Открытие кальмаров может произвести революцию в молекулярной инженерии». Инженер . Получено 17.11.2020 .
^ Фан, Лонг; Каутц, Райлан; Арулмоли, Джанахан; Ким, Айрис Х.; Ле, Дай Транг Т.; Шенк, Майкл А.; Патхак, Медха М.; Фланаган, Лиза А.; Томбола, Франческо; Городецкий, Алон А. (13.01.2016). «Рефлектин как материал для роста нейральных стволовых клеток». ACS Applied Materials & Interfaces . 8 (1): 278–284. doi :10.1021/acsami.5b08717. ISSN 1944-8244. PMC 4721522. PMID 26703760 .
^ Чаттерджи А., Серна Санчес Дж.А., Ямаути Т., Топин В., Кувретт Дж., Городецкий А.А. (июнь 2020 г.). «Оптическая инженерия клеток человека, вдохновленная головоногими моллюсками». Природные коммуникации . 11 (1): 2708. Бибкод : 2020NatCo..11.2708C. дои : 10.1038/s41467-020-16151-6. ПМЦ 7266819 . ПМИД 32488070.
Дальнейшее чтение
Kramer RM, Crookes-Goodson WJ, Naik RR (июль 2007 г.). «Самоорганизующиеся свойства белка рефлектина кальмара». Nature Materials . 6 (7): 533–8. Bibcode :2007NatMa...6..533K. doi :10.1038/nmat1930. PMID 17546036.
