Zinātnieki iemācās ražot astoņkāju maskēšanās pigmentu masveidā; ko ar to dara?

Astoņkāji, kalmāri, sēpijas un to radinieki galvkāji ir maskēšanās meistari, spējot acumirklī mainīt savu ādas krāsu, lai saplūstu ar apkārtējo vidi. Šo neparasto transformāciju veicina dabisks pigments, ko sauc par ksantomatīnu, kam ir galvenā loma dzīvnieku mainīgajā krāsā, vēsta “Science Daily”.

Gadiem ilgi pētnieki un aizsardzības uzņēmumi ir aizrāvušies ar ksantomatīna gaismas jutīgajām īpašībām. Tomēr šī pigmenta replikācija un izpēte laboratorijā ir bijusi ārkārtīgi sarežģīta - līdz šim brīdim.

Kalifornijas universitātes Sandjego Skripsa Okeanogrāfijas institūta atklājumā zinātnieki ir veiksmīgi izveidojuši metodi liela daudzuma ksantomatīna ražošanai. Tas ir nozīmīgs solis uz priekšu, lai atšifrētu, kā dzīvnieki panāk savu ievērojamo maskēšanos.

Izmantojot bioloģiski iedvesmotu pieeju, pētnieku komanda spēja radīt pigmentu baktēriju iekšienē, sasniedzot līdz pat 1000 reizēm lielāku ražošanas līmeni nekā ar iepriekšējām metodēm. Šis jauninājums varētu pavērt ceļu ilgtspējīgiem jauniem pielietojumiem materiālos un kosmētikā, tostarp fotoelektronikā, termiskajos pārklājumos, krāsvielās un UV aizsarglīdzekļos.

"Mēs esam izstrādājuši jaunu metodi, kas pirmo reizi ir paātrinājusi mūsu spējas iegūt materiālu, šajā gadījumā ksantomatīnu, baktērijā," sacīja Bredlijs Mūrs, pētījuma vecākais autors un Okeanogrāfijas institūta jūras ķīmiķis Farmācijas zinātņu skolā.

Pēc pētnieku domām, šis sasniegums ne tikai padziļina mūsu izpratni par dzīvnieku krāsojuma bioloģiskajiem un ķīmiskajiem pamatiem, bet arī izceļ jaunu, spēcīgu biotehnoloģiju. To pašu metodi varētu izmantot, lai radītu citus vērtīgus savienojumus, palīdzot nozarēm pāriet no naftas produktiem uz ilgtspējīgākiem, dabas iedvesmotiem materiāliem.

Papildus astoņkājiem, ksantomatīns ir atrodams arī posmkāju grupas kukaiņos, kas veicina monarhtauriņu spārnu spilgti oranžos toņus un spilgti sarkanos toņus spāru ķermeņos un mušu acīs.

Neskatoties uz ksantomatīna fantastiskajām krāsu īpašībām, tas ir slikti izprasts pastāvīgo piegādes problēmu dēļ. Pigmenta iegūšana no dzīvniekiem nav mērogojama vai efektīva, un tradicionālās laboratorijas metodes ir darbietilpīgas, balstoties uz ķīmisku sintēzi ar zemu ražību.

Parasti, kad pētnieki mēģina panākt, lai mikrobs ražotu svešu savienojumu, tas rada ievērojamu vielmaiņas slogu. Bez ievērojamām ģenētiskām manipulācijām mikrobs pretojas savu būtisko resursu novirzīšanai, lai radītu kaut ko nepazīstamu.

Saistot šūnas izdzīvošanu ar mērķa savienojuma ražošanu, komanda spēja apmānīt mikrobu, lai tas radītu ksantomatīnu. Lai to izdarītu, viņi sāka ar ģenētiski modificētu "slimu" šūnu, kas varēja izdzīvot tikai tad, ja tā ražoja gan vēlamo pigmentu, gan otru ķīmisku vielu, ko sauc par skudrskābi. Par katru ģenerēto pigmenta molekulu šūna ražoja arī vienu skudrskābes molekulu. Skudrskābe savukārt nodrošina degvielu šūnas augšanai, radot pašpietiekamu cilpu, kas veicina pigmenta ražošanu.

Lai mudinātu baktērijas ražot vēl vairāk pigmenta, pētnieki pievērsās robotikai un automatizācijai. Viņi izmantoja robotu sistēmas, lai vadītu mikrobus divos augstas caurlaidības adaptīvās laboratorijas evolūcijas posmos — procesā, kas paredzēts, lai palīdzētu šūnām pakāpeniski uzlabot savu veiktspēju.

Pētnieki izmantoja arī specializētu bioinformātikas programmatūru, lai noteiktu ģenētiskās izmaiņas, kas palielināja mikrobu produktivitāti. Šīs galvenās mutācijas ļāva inženierijas ceļā iegūtajām baktērijām efektīvi ražot pigmentu, izmantojot tikai vienu barības vielu avotu.

"Šis projekts sniedz ieskatu nākotnē, kurā bioloģija ļauj ilgtspējīgi ražot vērtīgus savienojumus un materiālus, izmantojot progresīvu automatizāciju, datu integrāciju un skaitļošanas vadītu dizainu," sacīja zinātnieki. "Šeit mēs parādām, kā mēs varam paātrināt inovācijas bioražošanā, apvienojot inženierus, biologus un ķīmiķus, izmantojot dažas no vismodernākajām celmu inženierijas metodēm, lai relatīvi īsā laikā izstrādātu un optimizētu jaunu produktu."

Lai gan daži šī materiāla pielietojumi ir tāla nākotne, autori atzīmēja aktīvu interesi no ASV Aizsardzības departamenta un kosmētikas uzņēmumu puses. Pēc pētnieku teiktā, sadarbības partneri ir ieinteresēti izpētīt materiāla dabiskās maskēšanās spējas, savukārt ādas kopšanas uzņēmumi ir ieinteresēti tā izmantošanā dabīgajos saules aizsargkrēmos. Citas nozares saskata potenciālus pielietojumus, sākot no krāsu mainošām mājsaimniecības krāsām līdz vides sensoriem.