Calmars, les poulpes et les seiches sont des maîtres incontestés de la tromperie et du camouflage. Leur extraordinaire capacité à changer de couleur, la texture et la forme sont inégalées, même par la technologie moderne.

Les chercheurs du laboratoire du professeur Daniel Morse de l'UC Santa Barbara s'intéressent depuis longtemps aux propriétés optiques des animaux qui changent de couleur, et ils sont particulièrement intrigués par le calmar côtier opalescent. Également connu sous le nom de calmar du marché californien, ces animaux ont développé la capacité d'ajuster finement et continuellement leur couleur et leur éclat à un degré inégalé chez les autres créatures. Cela leur permet de communiquer, ainsi que se cacher à la vue de tous dans l'océan supérieur brillant et souvent sans relief.

Dans des travaux antérieurs, les chercheurs ont découvert que des protéines spécialisées, appelés réflectines, contrôler les cellules pigmentaires réfléchissantes - les iridocytes - qui à leur tour contribuent à modifier la visibilité et l'apparence globales de la créature. Mais encore un mystère était de savoir comment les réflectines fonctionnaient réellement.

"Nous voulions maintenant comprendre comment fonctionne cette remarquable machine moléculaire, " dit Morse, un professeur émérite distingué dans le département de moléculaire, Biologie cellulaire et du développement, et auteur principal d'un article paru dans le Journal de chimie biologique . Comprendre ce mécanisme, il a dit, donnerait un aperçu du contrôle ajustable des propriétés émergentes, qui pourrait ouvrir la porte à la prochaine génération de matériaux synthétiques bio-inspirés.

Peau réfléchissant la lumière

Comme la plupart des céphalopodes, calmar côtier opalescent, pratiquent leur sorcellerie au moyen de ce qui est peut-être la peau la plus sophistiquée que l'on puisse trouver dans la nature. De minuscules muscles manipulent la texture de la peau tandis que des pigments et des cellules irisées affectent son apparence. Un groupe de cellules contrôle leur couleur en dilatant et en contractant les cellules de leur peau qui contiennent des sacs de pigment.

Derrière ces cellules pigmentaires se trouve une couche de cellules iridescentes, ces iridocytes, qui réfléchissent la lumière et contribuent à la couleur des animaux sur tout le spectre visible. Les calmars ont aussi des leucophores, qui contrôlent la réflectance de la lumière blanche. Ensemble, ces couches de cellules contenant des pigments et réfléchissant la lumière donnent aux calmars la capacité de contrôler la luminosité, la couleur et la teinte de leur peau sur une palette remarquablement large.

Contrairement à la couleur des pigments, les teintes très dynamiques du calmar côtier opalescent résultent de la modification de la structure de l'iridocyte lui-même. La lumière rebondit entre des caractéristiques de taille nanométrique à peu près de la même taille que les longueurs d'onde dans la partie visible du spectre, produire des couleurs. Au fur et à mesure que ces structures changent de dimension, les couleurs changent. Les protéines de réflectine sont à l'origine de la capacité de ces caractéristiques à changer de forme, et la tâche des chercheurs était de comprendre comment ils font le travail.

Grâce à une combinaison de génie génétique et d'analyses biophysiques, les scientifiques ont trouvé la réponse, et il s'est avéré être un mécanisme beaucoup plus élégant et puissant qu'on ne l'avait imaginé auparavant.

"Les résultats ont été très surprenants, " a déclaré le premier auteur Robert Levenson, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Morse. Le groupe s'attendait à trouver un ou deux spots sur la protéine qui contrôlait son activité, il a dit. "Au lieu, nos preuves ont montré que les caractéristiques des réflectines qui contrôlent la détection de son signal et l'assemblage qui en résulte sont réparties sur l'ensemble de la chaîne protéique."

Un moteur osmotique

Réfléchissant, qui est contenu dans des couches de membrane étroitement emballées dans les iridocytes, ressemble un peu à une série de perles sur une ficelle, les chercheurs ont trouvé. Normalement, les liaisons entre les billes sont fortement chargées positivement, alors ils se repoussent, redresser les protéines comme des spaghettis non cuits.

Morse et son équipe ont découvert que les signaux nerveux envoyés aux cellules réfléchissantes déclenchent l'ajout de groupes phosphate aux liaisons. Ces groupements phosphates chargés négativement neutralisent la répulsion des liaisons, permettant aux protéines de se replier. L'équipe était particulièrement ravie de découvrir que ce pliage exposait de nouvelles, surfaces collantes sur les parties en forme de billes de la réflectine, leur permettant de se regrouper. Jusqu'à quatre phosphates peuvent se lier à chaque protéine de réflectine, fournir au calmar un processus réglable avec précision :plus il y a de phosphates ajoutés, plus les protéines se replient, exposant progressivement une plus grande partie des surfaces hydrophobes émergentes, et plus les touffes grossissent.

Au fur et à mesure que ces touffes grandissent, le nombre, Célibataire, les petites protéines en solution deviennent moins nombreuses, de plus grands groupes de protéines multiples. Cela modifie la pression du fluide à l'intérieur des empilements de membranes, chasser l'eau - une sorte de "moteur osmotique" qui répond aux moindres changements de charge générés par les neurones, auxquels des plaques de milliers de leucophores et d'iridocytes sont connectées. La déshydratation qui en résulte réduit l'épaisseur et l'espacement des empilements de membranes, qui décale progressivement la longueur d'onde de la lumière réfléchie du rouge au jaune, puis au vert et enfin au bleu. La solution plus concentrée a également un indice de réfraction plus élevé, ce qui augmente la luminosité des cellules.

"Nous n'avions aucune idée que le mécanisme que nous allions découvrir se révélerait si remarquablement complexe mais contenu et si élégamment intégré dans une molécule multifonctionnelle - la réflectine copolymère bloc - avec des domaines opposés si délicatement équilibrés qu'ils agissent comme une machine métastable, détecter et répondre en permanence à la signalisation neuronale en ajustant avec précision la pression osmotique d'une nanostructure intracellulaire pour affiner avec précision la couleur et la luminosité de sa lumière réfléchie, " dit Morse.

Quoi de plus, les chercheurs ont trouvé, l'ensemble du processus est réversible et cyclable, permettant au calmar d'affiner en permanence les propriétés optiques requises par sa situation.

Nouveaux principes de conception

Les chercheurs avaient manipulé avec succès la réflectine dans des expériences précédentes, mais cette étude marque la première démonstration du mécanisme sous-jacent. Désormais, il pourrait fournir de nouvelles idées aux scientifiques et aux ingénieurs concevant des matériaux aux propriétés ajustables. "Nos découvertes révèlent un lien fondamental entre les propriétés des matériaux biomoléculaires produits dans les systèmes vivants et les polymères synthétiques de haute ingénierie qui sont maintenant développés aux frontières de l'industrie et de la technologie, " dit Morse.

"Parce que la réflectine agit pour contrôler la pression osmotique, Je peux envisager des applications pour de nouveaux moyens de stockage et de conversion d'énergie, applications pharmaceutiques et industrielles impliquant la viscosité et d'autres propriétés liquides, et applications médicales, " il ajouta.

Remarquablement, certains des processus à l'œuvre dans ces protéines de réflectine sont partagés par les protéines qui s'assemblent pathologiquement dans la maladie d'Alzheimer et d'autres affections dégénératives, Morse observé. Il envisage d'étudier pourquoi ce mécanisme est réversible, cyclable, inoffensif et utile dans le cas de la réflectine, mais irréversible et pathologique pour les autres protéines. Peut-être que les différences finement structurées dans leurs séquences peuvent expliquer la disparité, et même indiquer de nouvelles voies pour la prévention et le traitement des maladies.