Учёные из Калифорнийского университета в Сан-Диего успешно использовали бактерии для воссоздания уникального пигмента, позволяющего осьминогам сливаться с окружающей средой, согласно новому опубликованному исследованию. В природе осьминоги могут маскироваться под коралловые рифы и другие элементы окружающей среды, а также за секунды проявлять предупреждающие полосы благодаря пигменту, известному как ксантомматин. Команда, стоящая за исследованием, недавно опубликованным в Nature Biotechnology, добилась значительно более высоких выходов продукта по сравнению с предыдущими попытками, что знаменует собой существенный прорыв в биомиметической химии и биоинженерии. Учёные полагают, что их работа может привести к практическому применению, начиная от краски, меняющей цвет, до натурального солнцезащитного крема и других потенциально новых технологий.
В природе осьминоги, кальмары и каракатицы маскируются под цвет коралловых рифов и дна или проявляют предупреждающие узоры за считанные секунды благодаря пигменту ксантомматину. Он содержится в специальных клетках-хроматофорах их кожи, которые, расширяясь и сжимаясь, создают этот удивительный визуальный эффект. Несмотря на то что ксантомматин широко распространён в живой природе и встречается, например, в крыльях бабочек-монархов и стрекоз, его лабораторный синтез долгое время оставался сложной и малопродуктивной задачей. Традиционные химические методы позволяли получить лишь несколько миллиграммов пигмента на литр, что сдерживало изучение его свойств и потенциального применения.
Команда из Калифорнийского университета в Сан-Диего под руководством морского химика Брэдли Мура из Океанографического института Скриппса применила биологический подход для воспроизводства этого пигмента. В сотрудничестве с Фондом Ново Нордиск по биологической устойчивости в Дании они модифицировали бактерии для производства ксантомматина с помощью техники, известной как сопряжённый с ростом биосинтез. Вместо того чтобы добавлять в бактерии новое соединение, исследователи сделали выживание бактерий зависимым от производства ксантомматина. Учёные начали со специально модифицированного бактериального штамма, которому для роста требовались как ксантомматин, так и муравьиная кислота. Каждый раз, когда бактерии производили молекулу пигмента, они также производили муравьиную кислоту в качестве побочного продукта. Это дополнительное соединение играло роль в стимулировании метаболизма клетки и поддержании её функций.
Соавтор Адам Файст и его команда затем использовали автоматизированные системы для тонкой настройки и оптимизации микробных геномов на протяжении сотен поколений. В течение нескольких дней бактерии производили от одного до трёх граммов пигмента на литр, что до 1000 раз больше, чем при традиционных методах. Этот прорыв теперь делает ксантомматин гораздо более доступным для будущих исследований и технологических применений.
Уникальные свойства ксантомматина могут найти применение во многих областях благодаря практике биомимикрии. Поскольку он реагирует на свет, пигмент может быть использован в фотоэлектронных устройствах для обеспечения динамической смены цветов или дисплеев. Потенциальные варианты использования этой технологии варьируются от адаптивного камуфляжа для военных до экологически чистых красителей для более устойчивого текстиля.
Исследователи в области обороны заинтересованы в его потенциале для естественной маскировки, в то время как косметические компании оценивают его способность поглощать ультрафиолет для солнцезащитных кремов, которые могут лучше защищать кожу от солнечного света. Исследование намекает на возможный сдвиг в способах производства материалов. Вместо того чтобы полагаться на нефтехимию, биопроизводство могло бы использовать природные системы для создания устойчивых материалов из молекул. Благодаря федеральному финансированию учёные открыли многообещающий новый путь для создания вдохновлённых природой материалов, которые лучше для людей и планеты.