Les calmars et les poulpes sont des maîtres du camouflage, se fondant dans leur environnement pour échapper aux prédateurs ou surprendre des proies. Certains aspects de la façon dont ces céphalopodes deviennent réversiblement transparents ne sont toujours pas clairs, en grande partie parce que les chercheurs ne peuvent pas cultiver de cellules cutanées de céphalopodes en laboratoire. Aujourd’hui, cependant, les chercheurs rapportent qu’ils ont reproduit la transparence accordable de certaines cellules de peau de calmar dans des cellules de mammifères, qui peuvent être cultivées. Le travail pourrait non seulement faire la lumière sur la biologie de base du calmar, mais également conduire à de meilleures façons d’imager de nombreux types de cellules.
Les chercheurs présenteront leurs résultats lors de la réunion de printemps de l’American Chemical Society (ACS). ACS Spring 2023 est une réunion hybride qui se tiendra virtuellement et en personne du 26 au 30 mars.
Pendant de nombreuses années, Alon Gorodetsky, Ph.D., et son groupe de recherche ont travaillé sur des matériaux inspirés du calmar. Dans des travaux antérieurs, ils ont développé des « autocollants d’invisibilité », composés de protéines de réflectine de calmar produites par des bactéries et collées sur du ruban adhésif. « Alors, nous avons eu cette idée folle de voir si nous pouvions capturer certains aspects de la capacité des tissus cutanés des calmars à modifier la transparence dans les cultures de cellules humaines », explique Gorodetsky, qui est le chercheur principal du projet.
L’équipe de l’Université de Californie à Irvine a concentré ses efforts sur les cellules de céphalopodes appelées leucophores, qui ont des nanostructures de type particulaire composées de protéines de réflectine qui diffusent la lumière. En règle générale, les réflectines s’agglutinent et forment les nanoparticules, de sorte que la lumière n’est pas absorbée ou directement transmise ; au lieu de cela, la lumière se disperse ou rebondit sur eux, faisant apparaître les leucophores d’un blanc éclatant.
« Nous voulions concevoir des cellules de mammifères pour former de manière stable, au lieu de temporairement, des nanostructures de réflectine pour lesquelles nous pourrions mieux contrôler la diffusion de la lumière », explique Gorodetsky. En effet, si les cellules laissent passer la lumière avec peu de diffusion, elles sembleront plus transparentes. Alternativement, en diffusant beaucoup plus de lumière, les cellules deviendront opaques et plus apparentes. « Ensuite, au niveau cellulaire, ou même au niveau de la culture, nous avons pensé que nous pouvions modifier de manière prévisible la transparence des cellules par rapport à l’environnement ou à l’arrière-plan », dit-il.
Pour changer la façon dont la lumière interagit avec les cellules cultivées, Georgii Bogdanov, un étudiant diplômé du laboratoire de Gorodetsky qui présente les résultats, a introduit des gènes dérivés de calmars qui codaient pour la réflectine dans les cellules humaines, qui ont ensuite utilisé l’ADN pour produire la protéine. « Une avancée clé dans nos expériences consistait à amener les cellules à produire de manière stable de la réflectine et à former des nanostructures diffusant la lumière avec des indices de réfraction relativement élevés, ce qui nous a également permis de mieux imager les cellules en trois dimensions », explique Bogdanov.
Dans des expériences, l’équipe a ajouté du sel aux milieux de culture des cellules et a observé les protéines de réflectine s’agglutiner en nanostructures. En augmentant systématiquement la concentration en sel, Bogdanov a obtenu des images 3D détaillées en accéléré des propriétés des nanostructures. Au fur et à mesure que les nanoparticules devenaient plus grosses, la quantité de lumière qui rebondissait sur les cellules augmentait, ajustant par conséquent leur opacité.
Puis, la pandémie de COVID-19 a frappé, laissant les chercheurs se demander ce qu’ils pouvaient faire pour faire avancer leur enquête sans être physiquement dans le laboratoire. Ainsi, Bogdanov a passé son temps à la maison à développer des modèles informatiques capables de prédire la diffusion de la lumière et la transparence attendues d’une cellule avant même qu’une expérience ne soit lancée. « C’est une belle boucle entre la théorie et les expériences, où vous introduisez des paramètres de conception pour les nanostructures de réflectine, obtenez des propriétés optiques prédites spécifiques, puis concevez les cellules plus efficacement, pour toutes les propriétés de diffusion de la lumière qui pourraient vous intéresser », explique Gorodetsky. .
À la base, Gorodetsky suggère que ces résultats aideront les scientifiques à mieux comprendre les cellules de la peau des calmars, qui n’ont pas été cultivées avec succès en laboratoire. Par exemple, des chercheurs précédents ont postulé que les nanoparticules de réflectine se désassemblent et se réassemblent pour modifier la transparence des leucophores de calmar accordables. Et maintenant, l’équipe de Gorodetsky a montré que des réarrangements similaires se produisaient dans leurs cellules de mammifères stables modifiées avec de simples changements de concentration en sel, un mécanisme qui semble analogue à ce qui a été observé dans les cellules de calmar accordables.
Les chercheurs optimisent maintenant leur technique pour concevoir de meilleures stratégies d’imagerie cellulaire basées sur les propriétés optiques intrinsèques des cellules. Gorodetsky envisage que les protéines de réflectine pourraient agir comme des étiquettes génétiquement codées qui ne blanchiraient pas à l’intérieur des cellules humaines. « La réflectine en tant que sonde moléculaire offre de nombreuses possibilités pour suivre les structures dans les cellules avec des techniques de microscopie avancées », ajoute Bogdanov. Par exemple, les scientifiques proposent que les approches d’imagerie basées sur leurs travaux pourraient également avoir des implications pour mieux comprendre la croissance et le développement cellulaires.
Plus d’information:
ACS Spring 2023 : Systèmes optiques dynamiques inspirés des céphalopodes, www.acs.org/meetings/acs-meetings/spring-2023.html