Naučnici proizveli moćan pigment koji omogućava kamuflažu oktopoda

Istraživači pod vođstvom Kalifornijskog univerziteta u San Dijegu otkrili su novu metodu za proizvodnju velikih količina pigmenta koji menja boje i inspirisan je prirodom.

Naučnici su napravili korak bliže otključavanju supermoći koju poseduju neki od najvećih "majstora prerušavanja" u prirodi.

Preporučujemo

Oktopodi, lignje, sipe i druga stvorenja iz porodice cefalopoda dobro su poznata po sposobnosti kamuflaže, menjanja boje svoje kože radi stapanja sa okolinom. Ova izuzetna sposobnost mimikrije omogućena je složenim biološkim procesima koji uključuju ksantomatin, prirodni pigment.

Zbog svojih kapaciteta za menjanje boje, ksantomatin odavno fascinira naučnike, pa čak i vojsku, ali ga je bilo teško proizvoditi i istraživati u laboratoriji — dosada.

U novoj studiji se opisuje veliki napredak u razumevanju sposobnosti prirode za kamuflažu, pošto je uspešno razvijen novi način za proizvodnju velikih količina pigmenta ksantomatina.

Metod inspirisan prirodom je prvi put uveliko proizveo pigmentirani materijal u bakteriji, otvarajući nove puteve za upotrebu pigmenta u širokom spektru materijala i kozmetike — od fotoelektronskih uređaja i termalnih obloga do farbi i UV zaštite. Novi pristup proizvodi do 1.000 puta više materijala nego tradicionalne metode.

„Razvili smo novu tehniku koja je ubrzala naše sposobnosti da prvi put napravimo materijal, u ovom slučaju ksantomatin, u bakteriji“, kažu istraživači. „Ovaj prirodni pigment daje oktopodu ili lignji sposobnost kamuflaže — fantastičnu supermoć — a naš uspeh da unapredimo proizvodnju ovog materijala je samo vrh ledenog brega“.

Autori studije kažu da je njihovo otkriće značajno ne samo za razumevanje ovog izvanrednog pigmenta — što baca svetlo na biologiju i hemiju životinjskog carstva — već i zato što se tehnika koju su koristili može primeniti na mnoge druge hemikalije, potencijalno pomažući industrijama da pređu sa materijala na bazi fosilnih goriva na alternative bazirane na prirodi.

Obećavajući pigment

Osim cefalopoda, ksantomatin se takođe nalazi u insektima u grupi artropoda, dajući sjajnu narandžastu i žutu boju krilima monarh leptira i sjajno crvenu boju na telima vilinih konjica i u očima muva.

Uprkos fantastičnim svojstvima ksantomatina, slabo je istražen zbog stalnih problema sa snabdevanjem. Skupljanje pigmenta od životinja nije obimno ili efikasno, a tradicionalne laboratorijske metode zahtevaju intenzivan rad, oslonjene na hemijsku sintezu koja malo daje.

Način na koji su istraživači bioinženjerski napravili pigment oktopoda, hemijsku supstancu, u bakteriji predstavlja inovativno odstupanje od tipičnih biotehnoloških pristupa. Njihov pristup tesno povezuje proizvodnju pigmenta sa opstankom bakterije koja ga proizvodi.

„Bio nam je potreban potpuno nov pristup da bismo rešili ovaj problem“, kažu istraživači. „U suštini, smislili smo način da prevarimo bakterije da naprave još materijala koji nam je potreban“.

Obično, kad istraživači pokušaju da navedu neki mikrob da proizvodi neko strano jedinjenje, to stvara veliki metabolički teret. Bez značajne genetske modifikacije, mikrob se opire preusmeravanju svojih bitnih resursa na proizvodnju nečeg nepoznatog.

Povezujući opstanak ćelije sa proizvodnjom ciljanog jedinjenja, istraživači su uspeli da prevare mikrob da treba da stvara ksantomatin. Počeli su sa genetski modifikovanom „bolesnom“ ćelijom, koja je mogla da preživi samo ako proizvodi pigment, zajedno sa drugom hemikalijom, mravljom kiselinom. Za svaki proizvedeni molekul pigmenta, ćelija je takođe proizvodila molekul mravlje kiseline. Mravlja kiselina, pak, obezbeđuje gorivo za rast ćelije, stvarajući samoodrživu petlju koja pokreće proizvodnju pigmenta.

Radi dodatnog poboljšanja sposobnosti ćelija da proizvode pigment, korišćeni su roboti da evoluiraju i optimizuju mikrobe. Takođe su primenjeni prilagođeni bioinformatički instrumenti za identifikaciju ključnih genetskih mutacija koje su poboljšale efikasnost i omogućile bakterijama da prave pigment direktno iz jednog izvora nutrijenata.

„Ovaj projekat daje uvid u budućnost u kojoj biologija omogućava održivu proizvodnju važnih jedinjenja i materijala putem napredne automatizacije, integracije podataka i kompjuterski vođenog dizajna“, kažu istraživači. „Ovde pokazujemo kako možemo ubrzati inovaciju u bioproizvodnji udružujući inženjere, biologe i hemičare koji koriste neke od najnaprednijih inženjerskih tehnika u cilju razvoja i optimizacije novog proizvoda za relativno kratko vreme“.

Tradicionalni pristupi donose oko pet miligrama pigmenta po litru „ako imate sreće“, dok nova metoda daje između jednog i tri grama po litru.

Istraživači predviđaju da će ova nova biotehnološka metodologija, potpuno inspirisana prirodom i neinvazivna, transformisati način proizvodnje biohemikalija.

„Promenili smo način na koji ljudi razmišljaju o inženjeringu ćelije. Naš inovativni tehnološki pristup izazvao je veliki skok u proizvodnoj sposobnosti. Ova nova metoda rešava izazov snabdevenosti i mogla bi učiniti ovaj biomaterijal mnogo dostupnijim.“

Iako su neke od primena ovog materijala još daleko, autori ističu aktivnu zainteresovanost Ministarstva odbrane SAD i kozmetičkih kompanija. Saradnici su zainteresovani za istraživanje prirodnih kapaciteta materijala za kamuflažu, dok kompanije za negu kože žele da ga koriste u prirodnim kremama za zaštitu od sunca. Druge industrije vide potencijalne primene u rasponu od promenljivih boja za kućnu upotrebu do senzora za životnu sredinu.

U budućnosti će ljudi želeti da preispitaju kako pravimo materijale za naš sintetički stil života osam milijardi ljudi na Zemlji, kažu istraživači. Zahvaljujući federalnom finansiranju, otključali smo obećavajući novi put za pravljenje prirodom inspirisanih materijala koji su bolji za ljude i planetu.

(Telegraf Nauka/EurekAlert)