Некоторые кальмары содержат особые белки, называемые рефлектинами, которые регулируют способность этих животных к маскировке. iStock, Майкл Стабблфилд

В бирюзовых водах, омывающих побережье Гавайев, обитают существа размером с грецкий орех, которые в совершенстве овладели искусством маскировки. Эти животные — вид кальмаров под названием Euprymna scolopes — используют способность к маскировке, чтобы не стать лакомым кусочком для таких хищников, как рыбы-ящерицы и тюлени.

Днём кальмары зарываются в песок. Когда они выходят на ночную охоту, их нижняя часть тела светится, из-за чего их тень от лунного света исчезает и они становятся незаметными для хищников. Как кальмарам удаётся так маскироваться?

В 1990-х годах Маргарет Макфолл-Нгай, физиолог животных и биохимик, изучающий белки, из Университета Южной Калифорнии, и её коллега обнаружили, что E. scolopes вступает в симбиотические отношения с люминесцентными бактериями, которые живут в специализированном отражающем органе в голове кальмара. Эта структура модулирует свет, не позволяя ему проходить через верхнюю часть тела кальмара и направляя его вниз.

Чуть более 10 лет спустя исследователи обнаружили, что это свойство присуще семейству белков, которые в большом количестве присутствуют в отражающей ткани. Теперь детальное изучение этого белка пролило свет на его отражающие свойства и вызвало интерес у биоинженеров, в том числе военных, которые хотят использовать его для разработки нового камуфляжного материала.

Белки-рефлектины в отражающих тканях помогают кальмарам прятаться

Путь к открытию этих светоотражающих белков был отнюдь не прямым. «Это была своего рода счастливая случайность», — говорит Макфолл-Нгаи, которая сейчас работает в Калифорнийском технологическом институте. Изучая различные белки кальмара, Макфолл-Нгаи и её команда заметили на геле заметную полосу полипептидов. «Я подумала: «Что это вообще такое?» — вспоминает она.

Исследователи выделили полипептиды из геля и секвенировали их, чтобы определить необычный аминокислотный состав: в основном они состояли из относительно редких аминокислот, таких как тирозин и триптофан, но в них полностью отсутствовали распространённые аминокислоты, такие как аланин и изолейцин. Антитела, созданные для связывания с белком, локализовались в отражающем органе, что указывает на роль этих белков в маскировке животного. Поэтому Макфолл-Нгаи и её команда назвали их «рефлектинами».

До этого открытия учёные, изучавшие отражающие ткани рыб и чешуйки насекомых или светящиеся глаза животных, обнаружили, что в них содержатся плоские и нерастворимые структуры с высоким показателем преломления. Животные помещают эти структуры между материалами с более низким показателем преломления, в результате чего световые волны отражаются и интерферируют друг с другом, создавая красочные узоры. Исследователи обнаружили, что отражающие пластины у водных животных состоят из кристаллов пурина, в частности гуанина и гипоксантина.

«Никто никогда не доказывал, что белок является отражателем, — сказал Макфолл-Нгаи. — Это удивительные белки, и у них есть множество свойств, которые можно использовать в инженерных целях».

Характеристика биохимии рефлектинов и их применение

За годы, прошедшие с момента открытия ректификантов, исследователи изучили биохимические процессы, лежащие в основе отражающих свойств этих белков, а также способы применения этих свойств в биоинженерии и материаловедении.

«Необычное содержание аминокислот в [рефлетинах] обеспечивает им высокий показатель преломления», — объясняет Алон Городецкий, биомолекулярный инженер из Калифорнийского университета в Ирвайне, который занимается разработкой материалов, вдохновлённых оптическими свойствами рефлетинов. Показатель преломления рефлетинов превышает 0,2, в то время как у кристаллинов, которые влияют на преломляющие свойства хрусталика глаза, он составляет 0,19. Это означает, что рефлетины могут преломлять больше падающего света, чем другие белки с той же функцией.

Городецкий и другие учёные обнаружили, что рефлектины частично неупорядочены, то есть в физиологических условиях они не имеют фиксированной трёхмерной структуры. Внешние раздражители, такие как изменение pH, могут влиять на конфигурацию белка, что, в свою очередь, влияет на отток воды из структур в отражающей ткани, изменяя показатель преломления. Это свойство позволяет кальмарам менять свой внешний вид, когда это необходимо.

Вдохновившись этим, Городецкий и его команда создали человеческие клетки, способные вырабатывать рефлектины, и заметили, что можно регулировать оптические свойства клеток, изменяя содержание соли в питательной среде. Система изменения цвета у кальмаров также вдохновила команду Городецкого на разработку материалов с регулируемой инфракрасной отражающей способностью. Городецкий отметил, что этот материал можно использовать для покрытия объектов, чтобы скрыть их от инфракрасных камер. Это может найти применение в военной сфере.

Несмотря на то, что исследователи всё больше ценят эти белки кальмара с точки зрения биоинженерии и материаловедения, Городецкий высоко оценивает фундаментальные исследования Макфолл-Нгаи и её команды, которые привели к этим инновациям. «Её открытие и выделение белков открыли новые возможности для всех», — сказал он.