Comme les caméléons, le poisson zèbre réalise cette transformation de couleur grâce à des changements structurels. En modifiant précisément et simultanément l'orientation des cristaux réfléchissant la lumière sur leurs écailles et leur peau, le poisson zèbre peut changer la couleur de ses rayures sur toute la longueur de son corps en quelques secondes.

Dans une nouvelle recherche parue dans les Actes de l'Académie nationale des sciences , les scientifiques ont identifié la machinerie cellulaire complexe derrière ce changement de couleur. À l'aide de techniques d'imagerie avancées, ils ont identifié les molécules, les structures et les mécanismes de signalisation à l'intérieur de la cellule qui travaillent ensemble pour faire passer les rayures du poisson zèbre du bleu au jaune lorsque le poisson est stressé.

"Personne n'a vu ces structures auparavant à ce niveau, et personne n'a montré comment elles réagissent aux changements de lumière et de couleur", déclare Jennifer Lippincott-Schwartz, chef de groupe senior et responsable du domaine de recherche en physiologie cellulaire 4D à Janelia, qui a été l'auteur principal de la nouvelle étude en collaboration avec le laboratoire de John Hammer du NIH. "Il a été proposé que les cristaux modifient d'une manière ou d'une autre leur disposition pour changer de couleur, mais nous montrons précisément comment cela se produit."

Ces nouvelles découvertes pourraient aider les scientifiques à mieux comprendre les mécanismes moléculaires qui sous-tendent le changement de couleur chez d'autres animaux, des caméléons aux copépodes, qui utilisent des changements de couleur structurels similaires pour communiquer, réguler la température corporelle et créer un camouflage.

"Il est logique que les mêmes composants nécessaires à cela soient disponibles et présents dans d'autres systèmes. Nous pensons donc que cela pourrait constituer un moyen efficace pour les organismes de changer de couleur. Et nous avons des indications préliminaires selon lesquelles cela se produit réellement dans d'autres organismes", explique Dvir Gur, chercheur à l'Institut des sciences Weizmann, qui a dirigé les nouveaux travaux.

Enquête sur les rayures du poisson zèbre

Gur a commencé à examiner comment le poisson zèbre a obtenu ses galons en tant que chercheur postdoctoral au laboratoire Lippincott-Schwartz. En 2020, Gur, Lippincott-Schwartz et une équipe de chercheurs ont identifié comment l'ordre des minuscules cristaux de guanine dans les écailles du poisson zèbre génère ses rayures bleues et jaunes.

En étudiant le poisson, les chercheurs ont été intrigués par la façon dont les rayures bleues du poisson zèbre disparaissaient lorsqu'un manipulateur de poisson entrait dans la pièce ou lorsqu'il perdait un combat contre un mâle dominant.

Chez de nombreux animaux, les changements de couleur se produisent lorsque les sacs de pigments se dispersent et s’agrègent dans la cellule. Mais ce n’était pas le cas dans les iridophores du poisson zèbre, où un tel mouvement des cristaux à l’intérieur de ces cellules aurait fait perdre aux iridophores leur couleur structurelle. Il y avait des indices selon lesquels le poisson pouvait changer l'orientation des cristaux pour réfléchir la lumière sous différents angles, créant ainsi différentes couleurs, mais on ne comprenait pas comment cela se produisait.

"C'est vraiment le déclencheur qui nous a amené à examiner le mécanisme qui facilitait le changement de couleur dans ces cellules", explique Gur. "Nous savions qu'il devait y avoir une autre solution."

Un aperçu rapproché

L'équipe a commencé par examiner de plus près les cristaux avant et après le changement de couleur en utilisant l'imagerie haute résolution et la diffraction des rayons X par synchrotron.

Ils ont constaté qu’à l’intérieur des iridophores, les cristaux sont disposés en empilements de longues structures en forme de plaques. Le changement de couleur résulte de l'inclinaison simultanée et précise de ces cristaux. Gur compare le processus au mouvement d'un store vénitien, où les lamelles s'inclinent ensemble pour contrôler la quantité de lumière qui passe. Lorsqu’un poisson zèbre est stressé, les cristaux s’inclinent tous à un angle de 20 degrés, modifiant l’espacement entre eux et l’angle de la lumière qui les frappe. Cela modifie les propriétés optiques des cristaux de l'iridophore, faisant passer les rayures du poisson du bleu au jaune.

Ensuite, les chercheurs ont utilisé l’imagerie en direct pour comprendre ce qui était à l’origine de ce processus. Après avoir induit artificiellement une réponse au stress chez le poisson, l'équipe a découvert que l'inclinaison était activée par des protéines motrices appelées dynéine qui parcourent les microtubules à l'intérieur de la cellule et se connectent aux cristaux, les tirant et les inclinant pour créer le changement de couleur.

Le processus est régulé par une molécule appelée AMP cyclique, une deuxième molécule messagère qui est activée lorsque le poisson est stressé. L'AMP cyclique envoie un signal à de nombreuses cellules du poisson en même temps, déclenchant l'inclinaison et faisant changer de couleur simultanément toutes les rayures.

En plus de fournir un mécanisme de changement structurel de couleur, les nouvelles découvertes pourraient aider à comprendre pourquoi certains animaux forment ces cristaux moléculaires, qui chez l'homme peuvent former des calculs rénaux et la goutte. Ils pourraient également éclairer la conception de matériaux et de dispositifs artificiels tirant parti de ces propriétés naturelles.

"Pour moi, il s'agit vraiment d'une science motivée par la curiosité :tout ce que nous faisons est parce que nous voulons mieux comprendre la nature", explique Gur, ajoutant qu'il est remarquable de voir comment de minuscules organismes peuvent réaliser quelque chose que les humains, avec leur technologie avancée. , ne peut pas. "Mais de cela pourraient découler de nombreuses choses différentes qui pourraient éventuellement être également utiles, de l'utilisation de la nature comme source pour apprendre les principes du biomimétisme, aux dispositifs optiques utilisant des approches similaires, en passant par les cristaux photoniques accordables de nouvelle génération."