Tintenfische und Tintenfische sind Meister der Tarnung und fügen sich in ihre Umgebung ein, um Raubtieren auszuweichen oder Beute zu überraschen. Einige Aspekte, wie diese Kopffüßer reversibel transparent werden, sind noch „unklar“, vor allem, weil Forscher keine Kopffüßer-Hautzellen im Labor kultivieren können. Heute berichten Forscher jedoch, dass sie die abstimmbare Transparenz einiger Tintenfischhautzellen in Säugetierzellen nachgebildet haben, die kultiviert werden können. Die Arbeit könnte nicht nur Licht in die grundlegende Biologie von Tintenfischen bringen, sondern auch zu besseren Möglichkeiten führen, viele Zelltypen abzubilden.
Die Forscher stellen ihre Ergebnisse auf der Frühjahrstagung der American Chemical Society (ACS) vor. ACS Spring 2023 ist ein Hybrid-Meeting, das vom 26. bis 30. März virtuell und persönlich abgehalten wird.
Alon Gorodetsky, Ph.D., und seine Forschungsgruppe arbeiten seit vielen Jahren an von Tintenfischen inspirierten Materialien. In früheren Arbeiten entwickelten sie „Unsichtbarkeitsaufkleber“, die aus bakteriell produzierten Tintenfisch-Reflexionsproteinen bestanden, die auf Klebeband geklebt wurden. „Also hatten wir diese verrückte Idee zu sehen, ob wir einen Aspekt der Fähigkeit von Tintenfischhautgewebe erfassen könnten, die Transparenz innerhalb menschlicher Zellkulturen zu verändern“, sagt Gorodetsky, der Hauptforscher des Projekts.
Das Team der University of California, Irvine, konzentrierte seine Bemühungen auf Kopffüßerzellen namens Leukophoren, die partikelartige Nanostrukturen aufweisen, die aus reflektierenden Proteinen bestehen, die Licht streuen. Typischerweise verklumpen reflektierende Stoffe und bilden die Nanopartikel, sodass Licht nicht absorbiert oder direkt übertragen wird; Stattdessen wird das Licht von ihnen gestreut oder reflektiert, wodurch die Leukophoren hellweiß erscheinen.
„Wir wollten Säugerzellen so manipulieren, dass sie stabil statt nur vorübergehend reflektierende Nanostrukturen bilden, für die wir die Lichtstreuung besser kontrollieren können“, sagt Gorodetsky. Das liegt daran, dass Zellen transparenter erscheinen, wenn sie Licht mit geringer Streuung durchlassen. Alternativ werden die Zellen durch Streuung von viel mehr Licht undurchsichtig und sichtbarer. „Dann dachten wir auf zellulärer Ebene oder sogar auf Kulturebene, dass wir die Transparenz der Zellen relativ zur Umgebung oder zum Hintergrund vorhersagbar verändern könnten“, sagt er.
Um zu ändern, wie Licht mit kultivierten Zellen interagiert, führte Georgii Bogdanov, ein Doktorand in Gorodetskys Labor, der die Ergebnisse präsentiert, von Tintenfischen stammende Gene ein, die für das Reflektieren kodieren, in menschliche Zellen, die dann die DNA zur Produktion des Proteins verwendeten. „Ein entscheidender Fortschritt in unseren Experimenten bestand darin, die Zellen dazu zu bringen, stabil Reflektionen zu produzieren und lichtstreuende Nanostrukturen mit relativ hohen Brechungsindizes zu bilden, was es uns auch ermöglichte, die Zellen in drei Dimensionen besser abzubilden“, sagt Bogdanov.
In Experimenten fügte das Team den Kulturmedien der Zellen Salz hinzu und beobachtete, wie die Reflectin-Proteine zu Nanostrukturen zusammenklumpten. Durch systematische Erhöhung der Salzkonzentration erhielt Bogdanov detaillierte 3D-Zeitrafferbilder der Eigenschaften der Nanostrukturen. Je größer die Nanopartikel wurden, desto mehr Licht wurde von den Zellen reflektiert, wodurch ihre Lichtundurchlässigkeit angepasst wurde.
Dann schlug die COVID-19-Pandemie zu und die Forscher fragten sich, was sie tun könnten, um ihre Untersuchung voranzutreiben, ohne physisch im Labor zu sein. Also verbrachte Bogdanov seine Zeit zu Hause damit, Rechenmodelle zu entwickeln, die die erwartete Lichtstreuung und Transparenz einer Zelle vorhersagen konnten, bevor ein Experiment überhaupt durchgeführt wurde. „Es ist eine schöne Schleife zwischen Theorie und Experimenten, bei der Sie Designparameter für die reflektierenden Nanostrukturen eingeben, spezifische vorhergesagte optische Eigenschaften herausholen und dann die Zellen effizienter gestalten – für welche lichtstreuenden Eigenschaften Sie auch immer interessieren könnten“, erklärt Gorodetsky .
Auf einer grundlegenden Ebene schlägt Gorodetsky vor, dass diese Ergebnisse Wissenschaftlern helfen werden, Tintenfischhautzellen besser zu verstehen, die nicht erfolgreich in einer Laborumgebung kultiviert wurden. Zum Beispiel postulierten frühere Forscher, dass sich reflektierende Nanopartikel zerlegen und wieder zusammensetzen, um die Transparenz von abstimmbaren Tintenfisch-Leukophoren zu verändern. Und jetzt hat Gorodetskys Team gezeigt, dass ähnliche Umlagerungen in ihren stabilen gentechnisch veränderten Säugetierzellen mit einfachen Änderungen der Salzkonzentration auftraten, ein Mechanismus, der analog zu dem zu sein scheint, was in den abstimmbaren Tintenfischzellen beobachtet wurde.
Die Forscher optimieren nun ihre Technik, um basierend auf den intrinsischen optischen Eigenschaften der Zellen bessere zelluläre Bildgebungsstrategien zu entwickeln. Gorodetsky stellt sich vor, dass die Reflectin-Proteine als genetisch codierte Tags fungieren könnten, die in menschlichen Zellen nicht ausbleichen würden. „Reflectin als molekulare Sonde bietet viele Möglichkeiten, Strukturen in Zellen mit fortschrittlichen Mikroskopietechniken aufzuspüren“, fügt Bogdanov hinzu. Zum Beispiel schlagen die Wissenschaftler vor, dass bildgebende Ansätze, die auf ihrer Arbeit basieren, auch Auswirkungen auf das bessere Verständnis von Zellwachstum und -entwicklung haben könnten.
Mehr Informationen:
ACS Frühjahr 2023: Von Kopffüßern inspirierte dynamische optische Systeme, www.acs.org/meetings/acs-meetings/spring-2023.html