updated 2:26 PM CET, Dec 1, 2016

Revelado el mecanismo que da a calamares y pulpos la capacidad de cambiar de color

Ratio: 0 / 5

Inicio desactivadoInicio desactivadoInicio desactivadoInicio desactivadoInicio desactivado
 
color de los pulpos

Los cefalópodos utilizan iridiscencia sintonizable para el camuflaje

El color de los organismos vivos se puede formar dos maneras: por pigmentación o estructura anatómica. Los colores estructurales surgen de la interacción física de la luz con nanoestructuras biológicas. Una amplia gama de organismos poseen esta capacidad, pero los mecanismos biológicos que subyacen al proceso han sido mal entendidos.

Hace dos años, un equipo interdisciplinario de la Universidad de California en Santa Bárbara (UCSB) descubrió el mecanismo por el cual un neurotransmisor cambia dramáticamente el color en el calamar común de mercado, Doryteuthis opalescens. Ese neurotransmisor, la acetilcolina, pone en marcha una cascada de eventos que culminan en la adición de grupos de fosfatos a una familia de proteínas especiales, denominadas reflectinas. Este proceso permite que las proteínas se condensen, conduciendo al proceso de cambio de color del animal.

Ahora los investigadores han profundizado más para descubrir el mecanismo responsable de los dramáticos cambios en el color utilizado por criaturas como los calamares y los pulpos. Los resultados ha sido publicados en  Proceedings of the National Academy of Science en un artículo del estudiante graduado de biología molecular y autor principal Daniel DeMartini y los co-autores Daniel V. Krogstad y Daniel E. Morse.

Los colores estructurales se basan exclusivamente en la densidad y la forma del material en lugar de sus propiedades químicas. Las últimas investigaciones del equipo de la UCSB muestran que las células especializadas de la piel del calamar llamadas iridocitos contienen pliegues profundos o invaginaciones de la membrana celular que se extienden profundamente en el cuerpo de la célula. Esto crea capas o láminas que operan como un reflector de Bragg sintonizable. Reflectores Bragg son el nombre de padre e hijo británicos que hace más de un siglo descubrieron cómo estructuras periódicas reflejan la luz de manera muy regular y predecible.

"Sabemos que los cefalópodos utilizan su iridiscencia sintonizable para el camuflaje para que puedan controlar su transparencia o, en algunos casos, coincidan con el fondo", dijo el co-autor Daniel E. Morse, Wilcox Professor of Biotechnology en el Department of Molecular, Cellular and Developmental Biology y director del Marine Biotechnology Center/Marine Science Institute en la UCSB.

"También lo utilizan para crear patrones confusos que interrumpen el reconocimiento visual por un depredador y coordinar las interacciones, especialmente de apareamiento, en el que cambian de un aspecto a otro", agregó. "Algunas sepias, por ejemplo, pueden pasar a un rojo brillante, lo que significa mantenerse alejado, a rayas de cebra, que es una invitación para el apareamiento".

Los investigadores crearon anticuerpos para unirse específicamente a las proteínas reflectantes y revelaron que las reflectinas se encuentran exclusivamente en el interior de las láminas formadas por los pliegues en la membrana celular. Demostraron que la cascada de eventos que culminan en la condensación de las reflectinas hacen que la presión osmótica en el interior de las laminillas cambe drásticamente debido a la expulsión de agua, que se encoge y se deshidrata en laminillas y reduce su espesor y espaciamiento. El movimiento del agua se demostró utilizando directamente agua pesada marcada con deuterio.

Cuando se elimina el neurotransmisor acetilcolina por lavado y puede recuperarse la célula, las laminillas embeben el agua, rehidratando y permitiendo que se hinche a su grosor original. Esta deshidratación y rehidratación reversibles, contracción y expansión, cambian el espesor y espaciamiento que, a su vez, cambia la longitud de onda de la luz que se refleja, por lo tanto "afina" el cambio de color en todo el espectro visible.

células de colores en la piel de una sepia

"Este efecto de la condensación en las reflectinas al mismo tiempo aumenta el índice de refracción dentro de las láminas", explicó Morse. "Al principio, antes de que se consoliden las proteínas, el índice de refracción se puede pensar en él como la densidad - el interior de las láminas y el exterior, que es realmente el ambiente de agua exterior, es la misma. No hay ninguna diferencia de óptica, de modo que no hay reflexión. Pero cuando las proteínas se consolidan, aumenta el índice de refracción por lo que el contraste entre el interior y el exterior aumenta de repente, haciendo que la pila de láminas se conviertan en reflectantes, mientras que al mismo tiempo se deshidratan y se encogen, lo que provoca cambios de color. El animal puede controlar el grado en que ocurre esto - puede elegir el color - y también es reversible la precisión de este ajuste mediante el control de las dimensiones nanométricas de las láminas, es increíble".

Otro artículo del mismo equipo de investigadores, publicado en Journal of the Royal Society Interface, con el físico óptico Amitabh Ghoshal como autor principal, llevó a cabo un análisis matemático del cambio de color y confirmó que los cambios en el índice de refracción corresponden  perfectamente con las mediciones realizadas con células vivas.

Un tercer artículo, en el Journal of Experimental Biology, informa el equipo descubridor, que el calamar común hembra muestra un conjunto de rayas brillantes que se pueden activar y pueden funcionar durante el apareamiento para permitir a la hembra imitar la apariencia del macho, reduciendo de este modo el número de encuentros y contactos de apareamiento de los machos agresivos. El hallazgo más significativo en este estudio es el descubrimiento de un par de rayas que con el interruptor pasan a ser de completamente transparentes a blanco brillante.

"Esta es la primera vez que se han descubierto las células blancas conmutables basadas en las proteínas reflectinas", observó Morse. "El hecho de que estas células son conmutables por el neurotransmisor acetilcolina, que contiene algunas de las mismas proteínas reflectinas, y que las reflectinas se inducen para condensar y aumentar el índice de refracción y desencadenar el cambio en la reflectancia, todo sugiere que operan por un mecanismo molecular fundamental relacionado con el control de color sintonizable".

¿Podría tener estos hallazgos aplicaciones prácticas algún día? "En las telecomunicaciones nos estamos moviendo más rápido que la comunicación realizada por la luz", dijo Morse. "Ya utilizamos cables ópticos y conmutadores fotónicos en algunos de nuestros dispositivos de telecomunicaciones. La pregunta es - y es una cuestión en este momento - ¿se puede aprender de estos nuevos mecanismos biofotónicos que han evolucionado durante millones de años de selección para nuevos enfoques naturales para la fabricación de materiales fotónicos sintonizables y conmutables para codificar, transmitir y decodificar de manera más eficiente la información a través de la luz? "

De hecho, los investigadores de la UCSB están colaborando con Raytheon Vision Systems en Goleta para investigar las aplicaciones de sus descubrimientos en el desarrollo de filtros sintonizables y persianas de zoom para cámaras de infrarrojos. Por el camino, también puede haber posibilidades de aplicación para el camuflaje sintético.

Otros miembros del equipo interdisciplinario de investigación de la UCSB involucrados en estos descubrimientos incluyen a Elizabeth Eck, Erica Pandolfi, Aaron T. Weaver y María Baum.

Esta investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación Naval a través de un premio para la Universidad de Iniciativa de Investigación multidisciplinar y una Beca de Investigación de la Oficina del Ejército en colaboración con el Instituto de Biotecnología de la UCSB. Además, se hizo uso de instalaciones y equipos centrales del laboratorio de la UCSB Materials Research, que son apoyados por una beca de la National Science Foundation.

Artículo científico: Membrane invaginations facilitate reversible water flux driving tunable iridescence in a dynamic biophotonic system