Ученые из Калифорнийского университета в Сан-Диего значительно приблизились к пониманию одной из самых удивительных способностей природы – искусства маскировки. Они успешно разработали метод масштабного производства ксантомматина – природного пигмента, играющего ключевую роль в изменении цвета кожи головоногих.
Долгие годы осьминоги, кальмары, каракатицы и их родственники поражают своей способностью мгновенно менять окраску тела, сливаясь с окружающей средой. Этот феномен обусловлен ксантомматином, чьи светочувствительные свойства давно привлекали внимание исследователей и даже оборонных организаций. Однако до недавнего времени воспроизведение и изучение этого пигмента в лабораторных условиях оставалось крайне сложной задачей.
Новое достижение ученых Скриппсовского океанографического института при Калифорнийском университете в Сан-Диего позволило создать методику, обеспечивающую получение ксантомматина в больших количествах. Это знаменует собой важный шаг вперед в расшифровке механизмов удивительного камуфляжа животных.
Исследовательская группа, используя биоинженерный подход, сумела наладить производство пигмента внутри бактерий, увеличив объемы синтеза до 1000 раз по сравнению с предыдущими методами. Это инновационное решение открывает путь для создания устойчивых новых материалов и косметических средств, включая применение в фотоэлектронике, термических покрытиях, красителях и солнцезащитных продуктах.
Как отметил Брэдли Мур, старший автор исследования и морской химик, этот природный пигмент придает осьминогу или кальмару способность к камуфляжу – «фантастическую суперсилу». По его словам, достижение в наращивании производства этого материала – лишь «вершина айсберга». Работа была опубликована в журнале Nature Biotechnology при поддержке Национальных институтов здравоохранения, Управления военно-морских исследований, Швейцарского национального научного фонда и Фонда Novo Nordisk.
По мнению исследователей, это достижение не только углубляет понимание биологических и химических основ окраски животных, но и представляет собой мощную биотехнологическую платформу. Ту же технику можно использовать для получения других ценных соединений, что поможет промышленности перейти от нефтепродуктов к более устойчивым, вдохновленным природой материалам.
Ксантомматин встречается не только у головоногих, но и у насекомых, например, он придает яркие оранжевые и желтые оттенки крыльям бабочек-монархов, а также насыщенный красный цвет телам стрекоз и глазам мух. Несмотря на выдающиеся цветовые свойства пигмента, он был плохо изучен из-за постоянных проблем с его получением: извлечение ксантомматина из животных неэффективно, а традиционные лабораторные методы трудоемки и малопродуктивны.
Ученые из лаборатории Мура в Скриппсовском океанографическом институте в сотрудничестве с коллегами из Калифорнийского университета в Сан-Диего и Центра биоустойчивости Фонда Novo Nordisk в Дании разработали инновационное решение, которое они назвали «биосинтезом, сопряженным с ростом» (Growth Coupled Biosynthesis). Их подход представляет собой новый взгляд на биотехнологические методы, тесно связав производство пигмента с выживанием бактерии, которая его синтезировала.
По словам Лии Бушин, ведущего автора исследования, ныне преподавателя Стэнфордского университета, им потребовался совершенно новый подход для решения этой проблемы. Они «обманули» бактерии, заставив их производить больше нужного материала. Обычно, когда исследователи пытаются заставить микроб производить чужеродное соединение, это создает значительную метаболическую нагрузку, и микроб сопротивляется отвлечению своих ресурсов на что-то непривычное.
Связывая выживание клетки с производством целевого соединения, команда добилась того, что микроб стал синтезировать ксантомматин. Для этого они начали с генетически модифицированной «больной» клетки, которая могла выжить, только если производила как желаемый пигмент, так и второе вещество – муравьиную кислоту. Каждая молекула произведенного пигмента сопровождалась созданием молекулы муравьиной кислоты, которая, в свою очередь, обеспечивала энергию для роста клетки, создавая самоподдерживающийся цикл, стимулирующий производство пигмента. «Мы сделали так, что активность по этому пути, то есть производство интересующего соединения, стала абсолютно необходимой для жизни. Если организм не производит ксантомматин, он не будет расти», – поясняет Бушин.
Чтобы еще больше стимулировать бактерии к производству пигмента, исследователи применили робототехнику и автоматизацию. Роботизированные системы направляли микробы через два раунда высокопроизводительной адаптивной лабораторной эволюции – процесса, разработанного для постепенного улучшения их производительности. Этот передовой метод был разработан лабораторией соавтора исследования Адама Файста, профессора кафедры биоинженерии Шу Цзянь-Ген Лэй в Инженерной школе Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего и старшего научного сотрудника Центра биоустойчивости Фонда Novo Nordisk.
Ученые также использовали специализированное биоинформатическое программное обеспечение лаборатории Файста для выявления генетических изменений, повысивших продуктивность микробов. Эти ключевые мутации позволили модифицированным бактериям эффективно производить пигмент, используя всего один источник питательных веществ. «Этот проект дает представление о будущем, где биология позволяет устойчиво производить ценные соединения и материалы с помощью передовой автоматизации, интеграции данных и компьютерного проектирования», – сказал Файст.
Традиционные подходы давали около пяти миллиграммов пигмента на литр «если очень повезет», – отмечает Бушин, в то время как новый метод дает от одного до трех граммов на литр. От планирования до экспериментации в лаборатории прошло несколько лет кропотливой работы, но как только план был запущен, результаты были почти мгновенными. «Это был один из моих лучших дней в лаборатории, – вспоминает Бушин свой первый успешный эксперимент. – Я подготовила эксперимент и оставила его на ночь. Когда на следующее утро я пришла и поняла, что он сработал и производит много пигмента, я была в восторге. Такие моменты – вот почему я занимаюсь наукой».
Брэдли Мур предполагает, что эта новая биотехнологическая методология, полностью вдохновленная природой и неинвазивная, изменит способ производства биохимикатов. «Мы действительно изменили представление людей о том, как проектировать клетки, – говорит он. – Наш инновационный технологический подход вызвал огромный скачок в производственных возможностях. Этот новый метод решает проблему поставок и теперь может сделать этот биоматериал гораздо более доступным».
Хотя некоторые области применения этого материала кажутся пока далекими, авторы отмечают активный интерес со стороны Министерства обороны США и косметических компаний. Сотрудники заинтересованы в изучении природных камуфляжных свойств материала, в то время как производители средств по уходу за кожей проявляют интерес к его использованию в натуральных солнцезащитных средствах. Другие отрасли видят потенциальное применение – от красок для дома, меняющих цвет, до экологических датчиков. «В будущем человечеству придется переосмыслить, как мы создаем материалы для поддержания нашего синтетического образа жизни для 8 миллиардов человек на Земле, – подытожил Мур. – Благодаря федеральному финансированию мы открыли многообещающий новый путь для разработки вдохновленных природой материалов, которые будут лучше для людей и планеты».
Среди дополнительных авторов исследования – Тобиас Альтер, Мария Альван-Варгас, Даниэль Фольке, Оскар Пуйгене и Пабло Никель из Центра биоустойчивости Фонда Novo Nordisk; Элина Олсон из кафедры биоинженерии Шу Цзянь-Ген Лэй Калифорнийского университета в Сан-Диего; Лара Дюр и Мария Авила из Скриппсовского океанографического института Калифорнийского университета в Сан-Диего; а также Тэ Хван Ким и Лейла Дерави из Северо-Восточного университета.
