Учёные получили мощный пигмент, лежащий в основе камуфляжа осьминогов
Учёные из Калифорнийского университета в Сан-Диего (UC San Diego) приблизились к разгадке «суперспособности» головоногих моллюсков — осьминогов, кальмаров и каракатиц, известных как «мастера маскировки». Их способность менять цвет кожи для слияния с окружающей средой обеспечивается сложными биологическими процессами с участием природного пигмента ксантомматина.
Из-за своих цветопеременных свойств ксантомматин давно интересует учёных и даже военных, но его было сложно производить и изучать в лаборатории. В новом исследовании, опубликованном в Nature Biotechnology, команда из Океанографического института Скриппса (Scripps Institution of Oceanography) описала прорывной метод производства этого пигмента.
Их природо-вдохновлённый метод впервые позволил массово сверхпродуцировать пигментный материал в бактерии. Новый подход производит до 1000 раз больше материала, чем традиционные методы (1–3 грамма на литр против ~5 миллиграмм).
«Мы разработали новую технику, которая впервые позволила нам производить материал, в данном случае ксантомматин, в бактерии», — заявил старший автор исследования Брэдли Мур.
Это открывает новые возможности для использования пигмента в различных материалах и косметике — от фотоэлектронных устройств, термопокрытий и красителей до УФ-протекторов.
Инновационный метод: «сопряжённый с ростом биосинтез»
Проблема традиционных методов — в метаболической нагрузке на микроб, который сопротивляется производству чужеродного соединения. Команда разработала подход «growth coupled biosynthesis», связав выживаемость клетки с производством целевого соединения.
Исследователи начали с генетически модифицированной «больной» клетки, которая могла выжить, только производя одновременно и нужный пигмент, и муравьиную кислоту (formic acid). На каждую молекулу пигмента создавалась одна молекула муравьиной кислоты, которая, в свою очередь, служила топливом для роста клетки, создавая самоподдерживающийся цикл.
«Мы сделали так, что активность этого пути, производящего целевое соединение, абсолютно необходима для жизни. Если организм не производит ксантомматин, он не будет расти», — объяснила ведущий автор Лия Бушин.
Для дальнейшего усиления производства команда использовала роботов для высокопроизводительной адаптивной лабораторной эволюции (adaptive laboratory evolution) микробов, а также специальные биоинформатические инструменты для выявления ключевых генетических мутаций, повышающих эффективность.
«Этот проект даёт glimpse в будущее, где биология позволяет устойчиво производить ценные соединения и материалы с помощью передовой автоматизации, интеграции данных и вычислительного дизайна», — сказал соавтор Адам Файст.
Значение и перспективы
Открытие значимо не только для понимания уникального пигмента, но и потому, что сама методика может быть применена ко многим другим химическим веществам, помогая отойти от материалов на основе ископаемого топлива к природным альтернативам.
Уже есть интерес со стороны Министерства обороны США (изучение природных камуфляжных свойств) и косметических компаний (использование в натуральных солнцезащитных средствах). Другие потенциальные применения варьируются от цветопеременных бытовых красок до экологических сенсоров.
«Мы действительно изменили представления о том, как конструировать клетку... Мы открыли многообещающий новый путь для создания вдохновлённых природой материалов, которые лучше для людей и планеты», — заключил Брэдли Мур.