Una maravillosa máquina molecular

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irisdoscitos del calamar

Los calamares tienen la piel más sofisticada que se encuentra en la naturaleza

Los calamares, los pulpos y las sepias son maestros indiscutibles del engaño y el camuflaje. No tiene rival su extraordinaria capacidad para cambiar el color, la textura y la forma, incluso con la tecnología moderna.

Los investigadores en el laboratorio del profesor Daniel Morse de la Universidad de California en Santa Bárbara, 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 (Doryteuthis opalescens). También conocido como calamar de mercado de California, estos animales han desarrollado la capacidad de sintonizar fina y continuamente su color y brillo en un grado sin igual en otras criaturas. Esto les permite comunicarse, así como esconderse a plena vista en el brillante océano superior y a menudo sin rasgos distintivos.

En trabajos anteriores, los investigadores descubrieron que unas proteínas especializadas, llamadas 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 todavía era un misterio cómo funcionaban realmente las reflectinas.

"Ahora queríamos comprender cómo funciona esta notable máquina molecular", dijo Morse, un distinguido profesor emérito del Departamento de Biología Molecular, Celular y del Desarrollo, y autor principal de un artículo que aparece en el Journal of Biological Chemistry. Entender este mecanismo, 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, los calamares de bajura opalescentes, practican su hechicería a través de la que puede ser la piel más sofisticada que se encuentra en la naturaleza. Unos pequeños músculos 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, los iridocitos, que reflejan la luz y contribuyen al color de los animales en todo el espectro visible. Los calamares también tienen leucóforos, que controlan la reflectancia de la luz blanca. Juntas, estas capas de células que contienen pigmento y que reflejan la luz les dan a los calamares la capacidad de controlar el brillo, el color y el tono de su piel sobre una paleta notablemente amplia.

A diferencia del color de los pigmentos, los tonos altamente dinámicos del calamar de bajura opalescente resultan del cambio de la estructura del iridocito. La luz rebota entre las 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, cambian los colores. Las proteínas reflectina están detrás de la capacidad de estas características para cambiar de forma, y la tarea de los investigadores fue descubrir 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 había imaginado 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 controlaba su actividad, dijo. "En cambio, nuestra evidencia mostró que las características de las reflectinas que controlan su detección de señal y el ensamblaje resultante se extienden por toda la cadena de proteínas".

piel iridiscente del calamar

Un motor osmótico

Los investigadores encontraron que la reflectina, que está contenida en capas muy compactas de membrana en los iridocitos, se parece un poco a una serie de cuentas en una cuerda. Normalmente, los enlaces entre las células están fuertemente cargados positivamente, por lo que se repelen entre sí, enderezando las proteínas como espaguetis crudos.

Morse y su equipo descubrieron que las señales nerviosas a las células reflectantes desencadenan la adición a los enlaces de grupos fosfato. Estos grupos fosfato cargados negativamente neutralizan la repulsión de los enlaces, permitiendo que se plieguen las proteínas. El equipo se emocionó especialmente al descubrir que este plegado dejaba al descubierto nuevas y pegajosas superficies en las porciones en forma de cuentas de la reflectina, lo que les permitía agruparse.

Se pueden unir hasta cuatro fosfatos a cada proteína reflectina, proporcionando al calamar un proceso sintonizable con precisión: cuantos más fosfatos se agregan, más proteínas se pliegan, exponiendo progresivamente más superficies hidrofóbicas emergentes y más grandes crecen los grupos.

A medida que crecen estos grupos, las muchas proteínas pequeñas y únicas en solución se convierten en menos grupos grandes de proteínas múltiples. Esto cambia la presión del fluido dentro de las pilas de membranas, expulsando el agua, un tipo de "motor osmótico" que responde a los más mínimos cambios en la carga generados por las neuronas, a las que se conectan parches de miles de leucóforos e iridocitos.

La deshidratación resultante reduce el grosor y el espaciado de las pilas de membranas, lo que desplaza progresivamente la longitud de onda de la luz reflejada de rojo a amarillo, luego a verde y finalmente a 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 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 actúan como una máquina metaestable, detectando y respondiendo 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.

Además, los investigadores encontraron que todo el proceso es reversible y ciclable, lo que permite que el calamar ajuste continuamente las propiedades ópticas que requiere su situación.

Nuevos principios de diseño

En experimentos anteriores los investigadores habían manipulado con éxito la reflectina, pero este estudio marca la primera demostración del mecanismo subyacente. Ahora podría proporcionar nuevas ideas a los 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 altamente diseñados 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 involucren viscosidad y otras propiedades líquidas, y aplicaciones médicas", agregó.

Sorprendentemente, algunos de los procesos que funcionan en estas proteínas reflectina son compartidos por las proteínas que se ensamblan patológicamente en la enfermedad de Alzheimer y otras condiciones degenerativas, observó Morse. Planea investigar por qué este mecanismo es reversible, ciclable, inofensivo y útil en el caso de la reflectina, pero irreversible y patológico para otras proteínas. Quizás las diferencias bien estructuradas en sus secuencias pueden explicar la disparidad e incluso señalar nuevos caminos para la prevención y el tratamiento de enfermedades.

Artículo científico: Calibration between trigger and color: Neutralization of a genetically encoded coulombic switch and dynamic arrest precisely tune reflectin assembly

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