Учёные из Калифорнийского университета в Сан-Диего приблизились к разгадке суперспособности некоторых «мастеров маскировки» в природе. Осьминоги, кальмары, каракатицы и другие представители семейства головоногих известны своей способностью к маскировке — они меняют цвет кожи, чтобы слиться с окружающей средой. Это удивительное проявление мимикрии стало возможным благодаря сложным биологическим процессам, в которых участвует ксантоматтин — природный пигмент.
Долгое время ксантоматтин привлекал внимание учёных и даже военных благодаря своей способности менять цвет, но его было трудно производить и исследовать в лаборатории. Однако теперь в новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Biotechnology, группа учёных под руководством Института океанографии Скриппса Калифорнийского университета в Сан-Диего описывает крупный прорыв в понимании способности природы к маскировке. Им удалось разработать новый способ получения больших объёмов ксантоматтина.
Их вдохновлённый природой метод впервые позволил массово производить пигментированный материал в бактерии, открыв новые возможности для использования пигмента в различных материалах и косметике — от фотоэлектронных устройств и термопокрытий до красителей и средств защиты от ультрафиолетового излучения. Новый подход позволяет производить до 1000 раз больше материала, чем традиционные методы.
«Мы разработали новую технику, которая ускорила наши возможности по созданию материала, в данном случае ксантоматтина, в бактерии», — сказал Брэдли Мур, старший автор исследования и морской химик с совместными назначениями в Институте океанографии Скриппса и Школе фармации и фармацевтических наук Университета Калифорнии в Сан-Диего.
Авторы исследования считают своё открытие значимым не только для понимания этого уникального пигмента, который проливает свет на биологию и химию животного мира, но и потому, что использованная ими методика может быть применена ко многим другим химическим веществам, потенциально помогая отраслям промышленности перейти от материалов на основе ископаемого топлива к альтернативам на основе природных ресурсов.
Ксантоматтин также содержится в насекомых из группы членистоногих, придавая крыльям бабочки-монарха ярко-оранжевые и жёлтые оттенки, а телам стрекоз и глазам мух — ярко-красный цвет.
Несмотря на фантастические цветовые свойства ксантоматтина, он плохо изучен из-за постоянных проблем с поставками. Сбор пигмента из животных не является масштабируемым или эффективным, а традиционные лабораторные методы трудоёмки и зависят от химического синтеза с низкой производительностью.
Исследователи из лаборатории Мура в Институте океанографии Скриппса стремились изменить ситуацию, работая с коллегами из Калифорнийского университета в Сан-Диего и Центра биоустойчивости Фонда Ново Нордиск в Дании, чтобы разработать решение — своего рода петлю обратной связи роста, которую они называют «биосинтезом, связанным с ростом».
Химически инженерировав пигмент осьминога в бактерии, исследователи отошли от традиционных биотехнологических подходов. Их подход тесно связал производство пигмента с выживанием бактерии, которая его производила.
«Нам нужен был совершенно новый подход для решения этой проблемы», — сказала Лия Бушин, ведущий автор исследования, ныне преподаватель Стэнфордского университета, а в прошлом — постдокторант в лаборатории Мура в Институте океанографии Скриппса, где проводилась её работа. «По сути, мы придумали способ заставить бактерии производить больше нужного нам материала».
Обычно, когда исследователи пытаются заставить микроорганизм производить чужеродное соединение, это создаёт серьёзную метаболическую нагрузку. Без значительных генетических манипуляций микроб сопротивляется перенаправлению своих основных ресурсов на производство чего-то незнакомого.
Связав выживание клетки с производством целевого соединения, команда смогла заставить микроорганизм создавать ксантоматтин. Для этого они начали с генетически модифицированной «больной» клетки, которая могла выжить, только если производила как желаемый пигмент, так и второе химическое вещество — муравьиную кислоту.
Для каждого произведённого пигмента клетка также производила одну молекулу муравьиной кислоты. Муравьиная кислота, в свою очередь, обеспечивает топливо для роста клетки, создавая саморегулирующуюся петлю, которая стимулирует производство пигмента.
«Мы сделали так, что активность по этому пути, по созданию интересующего нас соединения, абсолютно необходима для жизни. Если организм не производит ксантоматтин, он не будет расти», — сказала Бушин.
Чтобы ещё больше повысить способность клеток производить пигмент, команда использовала роботов для эволюции и оптимизации генетически модифицированных микробов с помощью двух кампаний по лабораторной эволюции с высокой пропускной способностью, разработанных лабораторией соавтора исследования Адама Файста, профессора кафедры биоинженерии Шу Чиена — Джина Лэя в инженерной школе Университета Калифорнии в Сан-Диего и старшего учёного в Центре биоустойчивости Фонда Ново Нордиск.
Команда также применила специальные инструменты биоинформатики из лаборатории Файста, чтобы выявить ключевые генетические мутации, которые повысили эффективность и позволили бактериям производить пигмент непосредственно из одного источника питательных веществ.
«Этот проект даёт представление о будущем, в котором биология позволит производить ценные соединения и материалы устойчивым образом с помощью передовой автоматизации, интеграции данных и проектирования на основе вычислений», — сказал Файст.
Традиционные подходы дают около пяти миллиграммов пигмента на литр, «если повезёт», — сказала Бушин, в то время как новый метод даёт от одного до трёх граммов на литр.
Переход от стадии планирования к экспериментам в лаборатории занял несколько лет напряжённой работы, но как только план был приведён в действие, результаты были почти немедленными.
«Это был один из лучших дней в моей лаборатории», — вспоминает Бушин о первом успешном эксперименте. «Я поставила эксперимент и оставила его на ночь. Когда я пришла на следующее утро и поняла, что всё работает и производится много пигмента, я была в восторге. Такие моменты — вот почему я занимаюсь наукой».
Мур ожидает, что эта новая биотехнологическая методология, полностью вдохновлённая природой и неинвазивная, изменит подход к производству биохимических веществ.
«Мы действительно изменили представление о том, как вы проектируете клетку», — сказал он. «Наш инновационный технологический подход привёл к огромному скачку в производственных возможностях. Этот новый метод решает проблему снабжения и может сделать этот биоматериал гораздо более доступным».
Хотя некоторые приложения для этого материала далеки от реальности, авторы отметили активный интерес со стороны Министерства обороны США и косметических компаний.
Согласно исследователям, заинтересованные стороны заинтересованы в изучении естественных камуфляжных свойств материала, в то время как компании по уходу за кожей заинтересованы в использовании его в натуральных солнцезащитных кремах. Другие отрасли промышленности видят потенциальное использование в диапазоне от меняющих цвет бытовых красок до датчиков окружающей среды.
«Когда мы смотрим в будущее, люди захотят переосмыслить то, как мы производим материалы, чтобы поддерживать наш синтетический образ жизни 8 миллиардов человек на Земле», — сказал Мур. «… мы открыли многообещающий новый путь для разработки материалов, вдохновлённых природой, которые будут лучше для людей и планеты».
Другие новости по теме
- Антимикробные пептиды помогают бороться с инфекциями Salmonella у цыплят
- Новая позиция федеральных властей в отношении волков из Канады нарушает планы Колорадо
- Косатки убивают молодых белых акул, переворачивая их вверх тормашками
- Шесть способов сделать жизнь вашей собаки более насыщенной: от «сниффари» до сенсорных садов
- Молодой тираннозавр или новый динозавр? Новые находки подливают масла в огонь дискуссии
- Пауки вдохновляют биологов на создание искусственных сетей для улавливания ДНК из воздуха и мониторинга биоразнообразия
- Употребление текилы и мескаля в День мёртвых: ответственный подход
- Обнаружен редкий утраченный аллель, повышающий содержание белка в семенах сои
- Новый «миниатюрный тираннозавр» переписывает историю крупнейшего хищника в мире
- Патчи с вирусами успешно уничтожают бактерии в загрязнённых продуктах питания
Другие новости на сайте
- Исследование: молодая вода пополняет водоносные горизонты, а старая питает посевы
- Учёные создали новое пуленепробиваемое волокно, которое прочнее и тоньше кевлара
- Поиск смысла в работе может помочь предотвратить эмоциональное выгорание.
- Эффективное управление проектами помощи снижает уровень локального насилия.
- В Германии обнаружена чрезвычайно редкая римская гробница
- Как использовать режим искусственного интеллекта вместо обычного поиска в Google (или вообще его избежать)
- Как и в доме престарелых, пингвины в бостонском аквариуме могут стареть достойно.
- Бездействие из-за изменения климата ежегодно обходится в миллионы жизней, говорится в докладе
- В Лос-Анджелесе почти вдвое увеличат объём использования очищенной воды для 500 тысяч жителей.
- SpaceX обещает ускорить сроки реализации лунного посадочного модуля Starship под давлением NASA