Рефлектин

Состав лейкофорного слоя

Рефлектины — это семейство внутренне неупорядоченных белков, эволюционировавших у определенного количества головоногих моллюсков , включая сколопы Euprymna и Doryteuthis opalescens, для создания радужного камуфляжа и передачи сигналов. Недавно идентифицированное семейство белков обогащено ароматическими и серосодержащими и аминокислотами используется некоторыми головоногими моллюсками для преломления падающего света в окружающей среде. ^[1] Белок рефлектин отвечает за динамическую пигментацию и переливчатость в организмах. Этот процесс является «динамическим» из-за его обратимых свойств, позволяющих рефлектину изменять внешний вид организма в ответ на внешние факторы, такие как необходимость маскировки или отправки предупреждающих сигналов.

Белки рефлектина, вероятно, распределены во внешнем слое клеток, называемом «клетками оболочки», которые окружают пигментные клетки организма, также известные как хроматоциты. ^[2] Определенные последовательности рефлексов позволяют головоногим моллюскам общаться и маскироваться, регулируя цвет и отражательную способность. ^[3]

Источник

Предполагается, что рефлектин произошел от типа транспозона (так называемого прыгающего гена ), который представляет собой последовательность ДНК, которая может менять положение в генетическом материале, кодируя фермент . Закодированный фермент отделяет транспозон из одного места генома и лигирует (связывает) его с другим. «Скачки» транспозона могут создавать или обращать вспять мутации , которые изменяют генетическую идентичность клетки, что может привести к появлению новых характеристик. Этот процесс можно рассматривать как механизм «вырезать и вставить». Способность транспозонов адаптироваться в геноме и быстро менять свою идентичность — это свойство, очень напоминающее поведение рефлектина.

Дополнительным предком может быть симбиотическая бактерия Vibrio fischeri (также называемая Aliivibrio fischeri), которая представляет собой биолюминесцентную (производящую и излучающую свет) бактерию, часто встречающуюся в симбиотических отношениях. Поскольку рефлектин и Vibrio fischeri имеют схожие функции, такие как создание радужного внешнего вида в организмах, также считается, что, как и Vibrio fischeri, рефлектин является симбиотичным и используется головоногими моллюсками для взаимодействия с окружающей средой. ^[4]^[5]

Структура

Рефлектин представляет собой неупорядоченный белок, состоящий из консервативных аминокислотных последовательностей. Каждая последовательность включает комбинацию стандартных и серосодержащих аминокислот. Хотя базовую структуру можно определить, точная молекулярная структура еще предстоит определить. Свойства рефлектина, взаимодействующие со светом, можно объяснить его упорядоченной иерархической структурой и водородными связями . ^[6]^[7]^[8]

Рефлектин в мембранах

Рефлектины составляют большинство рефлекторов Брэгга, которые образуются в результате впячиваний клеточной мембраны. Отражатели Брэгга отвечают за отражение цвета в клетках кожи, называемых иридоцитами . Отражатели состоят из периодически сложенных друг на друга пластинок , которые представляют собой тонкие слои ткани, прикрепленные к мембране. Цвет и яркость света, отражаемого многими видами, определяются толщиной, расстоянием и показателем преломления (насколько быстро свет может проходить через мембрану) брэгговских ламелей. ^[9] Изменение толщины мембраны вызывает отток воды из брэгговских ламелей, существенно обезвоживая их, увеличивая их показатель преломления и уменьшая толщину и расстояние. Это приводит к увеличению отражательной способности брэгговских ламелей и изменению цвета отраженного света. Это изменение дополнительно позволяет изначально прозрачным ячейкам увеличить яркость. ^[8]

Механизмы

Рефлектин способен получать информацию из сигналов для непрерывного процесса тонкой настройки осмотического давления субклеточных структур головоногих моллюсков. Этот непрерывный процесс используется для регулирования фотонного поведения или, другими словами, контроля над тем, как организм меняет цвет. Компоненты рефлектина несут очень сильный положительный заряд. Нервные сигналы передаются иридофорным клеткам (также называемым хроматофорами), которые представляют собой клетки, содержащие пигмент, которые добавляют отрицательный заряд к рефлектину. Когда заряды уравновешены, белок сворачивается, обнажая липкую поверхность, заставляя отражающие молекулы слипаться. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не накопится достаточно белков-рефлектинов, чтобы изменить давление жидкости мембраны клеточных стенок. Толщина мембраны уменьшается по мере выхода воды, и этот процесс меняет длину волны отраженного света. ^[2] Адаптируя мембрану организма к отражению волн разной длины, отражение позволяет головоногим переходить от разных цветов: красного, желтого, зеленого и синего, а также регулировать яркость проецируемого цвета. ^[10]^[11]^[12]^[13]

Текущие исследования

Исследовательские группы ICB ( Института совместных биотехнологий ) обнаружили, что сборку рефлектина можно электрически точно настроить, предложив новый подход к управлению белковыми машинами, аналогичный рефлектину. ^[14] Биотико-абиотическое управление посредством электрической настройки сборки рефлектина
Исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB) могут иметь значение для молекулярной инженерии, основанное на механизмах, аналогичных трансформациям, контролируемым рефлектином. Открытия рефлектина могут даже указать путь к лечению болезни Альцгеймера. Процессы, используемые рефлектином, аналогичны тем, которые наблюдаются при сборке белков в мозге во время развития заболеваний, связанных с белками, таких как болезнь Альцгеймера и Паркинсона. Понимание того, как можно обратить вспять патологию, повреждающую мозг .
Исследователи полагают, что обратимые механизмы, используемые белком рефлектина, могут быть воспроизведены для развития динамических живых клеток и тканей человека. Эти результаты могут быть применены к разработке биофотонных инструментов, используемых в материаловедении и биоинженерии. ^[15] Оптическая инженерия клеток человека
Основываясь на функции рефлектина по маскировке головоногих моллюсков, исследователи полагают, что можно создать материал, используемый для роста нервных клеток и клеток-предшественников человека. ^[16] Использование рефлектина в качестве материала для роста нервных стволовых клеток

Использование в биоинженерии

Созданные человеческие клетки с настраиваемыми оптическими свойствами

Рефлектины гетерологично экспрессируются в клетках млекопитающих, изменяя их показатель преломления . ^[17]

Ссылки

^ ДеМартини Д.Г., Изуми М., Уивер А.Т., Пандольфи Э., Морс Д.Э. (июнь 2015 г.). «Структура, организация и функции белков-рефлектинов в динамически настраиваемых отражающих клетках» . Журнал биологической химии . 290 (24): 15238–49. дои : 10.1074/jbc.M115.638254 . ПМЦ 4463464 . ПМИД 25918159 .
^ Jump up to: ^а ^б Сон, Джуньи; Левенсон, Роберт; Сантос, Джером; Веласкес, Лурдес; Чжан, Фань; Файгенсон, Дебора; Ву, Вэньцзянь; Морс, Дэниел Э. (17 марта 2020 г.). «Белки-рефлектины связывают и реорганизуют синтетические фосфолипидные везикулы» . Ленгмюр . 36 (10): 2673–2682. doi : 10.1021/acs.langmuir.9b03632 . ISSN 0743-7463 . ПМИД 32097553 . S2CID 211525202 .
^ Ким, Меери (21 августа 2017 г.). «Новое исследование белков-рефлектинов проливает свет на камуфляж головоногих моллюсков» . Скайлайт . 2017 (9): 090008. doi : 10.1063/1.5000813 .
^ Гуань, Чжэ; Лю, Чжунминь; Ху, Сюэсун; Сунь, Синь; Куан, Яо; Жуань, Хао; doi сборка его белка» . Происхождение гена рефлектина и иерархическая : 27 . j.cub.2017.07.061 « 10.1016 . ISSN 0960-9822 . 2833–2842.e6 / (18) :
^ «Исследовательская группа обнаруживает причину мгновенной модуляции окраски тела осьминогов» . физ.орг . Проверено 16 ноября 2020 г.
^ «Поиск награды NSF: Премия № 1856055 — Молекулярная основа настраиваемой радужности и превосходной протонной проводимости сборки рефлектина» . www.nsf.gov . Проверено 16 ноября 2020 г.
^ Крамер, Райан М.; Крукс-Гудсон, Венди Дж.; Наик, Раджеш Р. (июль 2007 г.). «Самоорганизующиеся свойства белка-рефлектина кальмара» . Природные материалы . 6 (7): 533–538. Бибкод : 2007NatMa...6..533K . дои : 10.1038/nmat1930 . ISSN 1476-4660 . ПМИД 17546036 .
^ Jump up to: ^а ^б «Структура белка-рефлектина, исследованная методом твердотельного ядерного магнитного резонанса | Аргоннская национальная лаборатория» . www.anl.gov . Проверено 16 ноября 2020 г.
^ Гошал, Амитабх; ДеМартини, Дэниел Г.; Эк, Элизабет; Морс, Дэниел Э. (6 августа 2013 г.). «Оптические параметры перестраиваемых брэгговских отражателей в кальмарах» . Журнал интерфейса Королевского общества . 10 (85). дои : 10.1098/rsif.2013.0386 . ISSN 1742-5689 . ПМК 4043173 . ПМИД 23740489 .
^ Фан, Лонг; Каутц, Райлан; Арулмоли, Джанахан; Ким, Ирис Х.; Ле, Дай Транг Т.; Шенк, Майкл А.; Патхак, Медха М.; Фланаган, Лиза А.; Томбола, Франческо; Городецкий, Алон А. (13 января 2016 г.). «Рефлектин как материал для роста нервных стволовых клеток» . Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 8 (1): 278–284. дои : 10.1021/acsami.5b08717 . ISSN 1944-8244 . ПМЦ 4721522 . ПМИД 26703760 .
^ Цинь, Гокуй; Деннис, Патрик Б.; Чжан, Юджи; Ху, Сяо; Бресснер, Джейсон Э.; Сунь, Чжунюань; Крукс-Гудсон, Венди Дж.; Наик, Раджеш Р.; Оменетто, Фиоренцо Дж.; Каплан, Дэвид Л. (2013). «Рекомбинантные оптические материалы на основе рефлектина» . Журнал науки о полимерах, часть B: Физика полимеров . 51 (4): 254–264. Бибкод : 2013JPoSB..51..254Q . дои : 10.1002/polb.23204 . ISSN 1099-0488 .
^ Нотон, Кайл Л.; Фан, Лонг; Люнг, Эрика М.; Каутц, Райлан; Линь, Циинь; Ван Дайк, Егор; Мармироли, Бенедетта; Сартори, Барбара; Арваи, Энди; Ли, Шэн; Пике, Майкл Э. (25 июля 2016 г.). «Самосборка белка рефлексина головоногих». Продвинутые материалы . 28 (38): 8405–8412. дои : 10.1002/adma.201601666 . ISSN 0935-9648 . ПМИД 27454809 .
^ Левенсон, Роберт; Бракен, Колтон; Шарма, Кристиан; Сантос, Джером; Арата, Клэр; Мэлади, Брэндон; Морс, Дэниел Э. (08 ноября 2019 г.). «Калибровка между триггером и цветом: нейтрализация генетически закодированного кулоновского переключателя и динамический арест точно настраивают сборку рефлектина» . Журнал биологической химии . 294 (45): 16804–16815. дои : 10.1074/jbc.RA119.010339 . ISSN 0021-9258 . ПМЦ 6851332 . ПМИД 31558609 .
^ «Синтетическая биология с рефлектином: разработка нового типа биомолекулярной машины | Институт совместной биотехнологии (ICB) | UCSB, Массачусетский технологический институт и Калифорнийский технологический институт» . www.icb.ucsb.edu . Проверено 17 ноября 2020 г.
^ Натан, Стюарт (18 ноября 2019 г.). «Открытие кальмаров может произвести революцию в молекулярной инженерии» . Инженер . Проверено 17 ноября 2020 г.
^ Фан, Лонг; Каутц, Райлан; Арулмоли, Джанахан; Ким, Ирис Х.; Ле, Дай Транг Т.; Шенк, Майкл А.; Патхак, Медха М.; Фланаган, Лиза А.; Томбола, Франческо; Городецкий, Алон А. (13 января 2016 г.). «Рефлектин как материал для роста нервных стволовых клеток» . Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 8 (1): 278–284. дои : 10.1021/acsami.5b08717 . ISSN 1944-8244 . ПМЦ 4721522 . ПМИД 26703760 .
^ Чаттерджи А., Серна Санчес Х.А., Ямаути Т., Топин В., Куврет Дж., Городецкий А.А. (июнь 2020 г.). «Оптическая инженерия человеческих клеток на основе головоногих» . Природные коммуникации . 11 (1): 2708. Бибкод : 2020NatCo..11.2708C . дои : 10.1038/s41467-020-16151-6 . ПМЦ 7266819 . ПМИД 32488070 .

Дальнейшее чтение

Крамер Р.М., Крукс-Гудсон В.Дж., Найк Р.Р. (июль 2007 г.). «Самоорганизующиеся свойства белка-рефлектина кальмара» . Природные материалы . 6 (7): 533–8. Бибкод : 2007NatMa...6..533K . дои : 10.1038/nmat1930 . ПМИД 17546036 .
Крукс В.Дж., Дин Л.Л., Хуанг К.Л., Кимбелл-младший, Хорвиц Дж., Макфолл-Нгай М.Дж. (январь 2004 г.). «Рефлектины: необычные белки светоотражающих тканей кальмара». Наука . 303 (5655): 235–8. Бибкод : 2004Sci...303..235C . дои : 10.1126/science.1091288 . ПМИД 14716016 . S2CID 44490101 .

[1] ДеМартини Д.Г., Изуми М., Уивер А.Т., Пандольфи Э., Морс Д.Э. (июнь 2015 г.). «Структура, организация и функции белков-рефлектинов в динамически настраиваемых отражающих клетках» . Журнал биологической химии . 290 (24): 15238–49. дои : 10.1074/jbc.M115.638254 . ПМЦ 4463464 . ПМИД 25918159 .

[:03-2] Jump up to: ^а ^б Сон, Джуньи; Левенсон, Роберт; Сантос, Джером; Веласкес, Лурдес; Чжан, Фань; Файгенсон, Дебора; Ву, Вэньцзянь; Морс, Дэниел Э. (17 марта 2020 г.). «Белки-рефлектины связывают и реорганизуют синтетические фосфолипидные везикулы» . Ленгмюр . 36 (10): 2673–2682. doi : 10.1021/acs.langmuir.9b03632 . ISSN 0743-7463 . ПМИД 32097553 . S2CID 211525202 .

[3] Ким, Меери (21 августа 2017 г.). «Новое исследование белков-рефлектинов проливает свет на камуфляж головоногих моллюсков» . Скайлайт . 2017 (9): 090008. doi : 10.1063/1.5000813 .

[4] Гуань, Чжэ; Лю, Чжунминь; Ху, Сюэсун; Сунь, Синь; Куан, Яо; Жуань, Хао; doi сборка его белка» . Происхождение гена рефлектина и иерархическая : 27 . j.cub.2017.07.061 « 10.1016 . ISSN 0960-9822 . 2833–2842.e6 / (18) :

[5] «Исследовательская группа обнаруживает причину мгновенной модуляции окраски тела осьминогов» . физ.орг . Проверено 16 ноября 2020 г.

[6] «Поиск награды NSF: Премия № 1856055 — Молекулярная основа настраиваемой радужности и превосходной протонной проводимости сборки рефлектина» . www.nsf.gov . Проверено 16 ноября 2020 г.

[7] Крамер, Райан М.; Крукс-Гудсон, Венди Дж.; Наик, Раджеш Р. (июль 2007 г.). «Самоорганизующиеся свойства белка-рефлектина кальмара» . Природные материалы . 6 (7): 533–538. Бибкод : 2007NatMa...6..533K . дои : 10.1038/nmat1930 . ISSN 1476-4660 . ПМИД 17546036 .

[:0-8] Jump up to: ^а ^б «Структура белка-рефлектина, исследованная методом твердотельного ядерного магнитного резонанса | Аргоннская национальная лаборатория» . www.anl.gov . Проверено 16 ноября 2020 г.

[9] Гошал, Амитабх; ДеМартини, Дэниел Г.; Эк, Элизабет; Морс, Дэниел Э. (6 августа 2013 г.). «Оптические параметры перестраиваемых брэгговских отражателей в кальмарах» . Журнал интерфейса Королевского общества . 10 (85). дои : 10.1098/rsif.2013.0386 . ISSN 1742-5689 . ПМК 4043173 . ПМИД 23740489 .

[10] Фан, Лонг; Каутц, Райлан; Арулмоли, Джанахан; Ким, Ирис Х.; Ле, Дай Транг Т.; Шенк, Майкл А.; Патхак, Медха М.; Фланаган, Лиза А.; Томбола, Франческо; Городецкий, Алон А. (13 января 2016 г.). «Рефлектин как материал для роста нервных стволовых клеток» . Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 8 (1): 278–284. дои : 10.1021/acsami.5b08717 . ISSN 1944-8244 . ПМЦ 4721522 . ПМИД 26703760 .

[11] Цинь, Гокуй; Деннис, Патрик Б.; Чжан, Юджи; Ху, Сяо; Бресснер, Джейсон Э.; Сунь, Чжунюань; Крукс-Гудсон, Венди Дж.; Наик, Раджеш Р.; Оменетто, Фиоренцо Дж.; Каплан, Дэвид Л. (2013). «Рекомбинантные оптические материалы на основе рефлектина» . Журнал науки о полимерах, часть B: Физика полимеров . 51 (4): 254–264. Бибкод : 2013JPoSB..51..254Q . дои : 10.1002/polb.23204 . ISSN 1099-0488 .

[12] Нотон, Кайл Л.; Фан, Лонг; Люнг, Эрика М.; Каутц, Райлан; Линь, Циинь; Ван Дайк, Егор; Мармироли, Бенедетта; Сартори, Барбара; Арваи, Энди; Ли, Шэн; Пике, Майкл Э. (25 июля 2016 г.). «Самосборка белка рефлексина головоногих». Продвинутые материалы . 28 (38): 8405–8412. дои : 10.1002/adma.201601666 . ISSN 0935-9648 . ПМИД 27454809 .

[13] Левенсон, Роберт; Бракен, Колтон; Шарма, Кристиан; Сантос, Джером; Арата, Клэр; Мэлади, Брэндон; Морс, Дэниел Э. (08 ноября 2019 г.). «Калибровка между триггером и цветом: нейтрализация генетически закодированного кулоновского переключателя и динамический арест точно настраивают сборку рефлектина» . Журнал биологической химии . 294 (45): 16804–16815. дои : 10.1074/jbc.RA119.010339 . ISSN 0021-9258 . ПМЦ 6851332 . ПМИД 31558609 .

[14] «Синтетическая биология с рефлектином: разработка нового типа биомолекулярной машины | Институт совместной биотехнологии (ICB) | UCSB, Массачусетский технологический институт и Калифорнийский технологический институт» . www.icb.ucsb.edu . Проверено 17 ноября 2020 г.

[15] Натан, Стюарт (18 ноября 2019 г.). «Открытие кальмаров может произвести революцию в молекулярной инженерии» . Инженер . Проверено 17 ноября 2020 г.

[16] Фан, Лонг; Каутц, Райлан; Арулмоли, Джанахан; Ким, Ирис Х.; Ле, Дай Транг Т.; Шенк, Майкл А.; Патхак, Медха М.; Фланаган, Лиза А.; Томбола, Франческо; Городецкий, Алон А. (13 января 2016 г.). «Рефлектин как материал для роста нервных стволовых клеток» . Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 8 (1): 278–284. дои : 10.1021/acsami.5b08717 . ISSN 1944-8244 . ПМЦ 4721522 . ПМИД 26703760 .

[17] Чаттерджи А., Серна Санчес Х.А., Ямаути Т., Топин В., Куврет Дж., Городецкий А.А. (июнь 2020 г.). «Оптическая инженерия человеческих клеток на основе головоногих» . Природные коммуникации . 11 (1): 2708. Бибкод : 2020NatCo..11.2708C . дои : 10.1038/s41467-020-16151-6 . ПМЦ 7266819 . ПМИД 32488070 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]