Використовуючи методи роботизованої еволюції, вчені з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго навчили бактерії виробляти більше пігменту, який забезпечує камуфляж восьминогів. Генетичний аналіз виявив ключові мутації, що перетворили мікробів на високоефективні «пігментні фабрики». Розкриття секрету природного камуфляжу Дослідники з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго зробили значний крок до розуміння однієї з найвражаючих здібностей природи — зникати просто на очах. Восьминоги, кальмари, каракатиці та інші головоногі відомі своїм неймовірним умінням маскуватися, швидко змінюючи колір і текстуру шкіри, щоб зливатися з оточенням. Цей природний трюк залежить від складного пігменту — ксантоматину, який контролює багато з їхніх колірних змін. Упродовж десятиліть науковці та навіть військові дослідники були зачаровані потенціалом ксантоматину до зміни кольору. Проте відтворити цей пігмент у лабораторії було надзвичайно складно — до сьогодні. Масове виробництво природного пігменту камуфляжу У новому дослідженні команда з Інституту океанографії Скриппса при UC San Diego повідомляє про великий прорив у розумінні природних механізмів камуфляжу. Дослідники розробили спосіб отримувати ксантоматин у великих кількостях, що дозволяє набагато простіше вивчати та використовувати цей унікальний пігмент. Їхня біоінспірована методика дала змогу виробляти пігмент всередині бактерій, збільшуючи вихід у 1000 разів у порівнянні з попередніми методами. Це досягнення може відкрити шлях до створення екологічних барвників, матеріалів із захистом від ультрафіолету, інноваційних покриттів та фотоелектронних пристроїв. Створення бактерій, що виробляють пігмент головоногих «Ми розробили нову техніку, яка прискорила наші можливості виробляти матеріал — у цьому випадку ксантоматин — уперше в бактерії», — сказав Брэдлі Мур, старший автор дослідження й морський хімік з подвійним призначенням в Інституті Скриппса та Школі фармації UC San Diego. «Цей природний пігмент дає восьминогам і кальмарам їхню неймовірну здатність до маскування — справжню суперсилу — і наше досягнення у вдосконаленні його виробництва є лише початком.» Дослідження, опубліковане 3 листопада в Nature Biotechnology, підтримали Національні інститути здоров’я США, Управління військово-морських досліджень, Швейцарський національний науковий фонд та Фонд Ново Нордіск. За словами авторів, це відкриття не лише пояснює хімію природної зміни кольорів. Створена технологія може бути застосована й до інших корисних природних сполук, допомагаючи індустріям відмовлятися від нафтопродуктів на користь сталих біоматеріалів. Від чорнила восьминога до крил метеликів Окрім головоногих, ксантоматин зустрічається й у комах, де він надає яскраві помаранчеві та жовті кольори крилам монархів, а також червоні відтінки тілам бабок і очам мух. Попри унікальні оптичні властивості ксантоматину, його дослідження гальмувалося через нестачу сировини. Отримувати пігмент з тварин — неефективно, а традиційні хімічні методи синтезу трудомісткі й малопродуктивні. Команда з лабораторії Мура вирішила змінити це, розробивши разом із колегами з UC San Diego та Центру біостійкості Фонду Ново Нордіск у Данії нову систему, яку вони назвали «біосинтез, пов’язаний із ростом». Як «обманули» бактерії Метод, яким учені біоінженерили пігмент восьминогів у бактерії, став радикально новим підходом. Вони тісно пов’язали виробництво пігменту з виживанням самої бактерії. «Нам був потрібен абсолютно новий підхід, — сказала Лія Бушін, провідна авторка дослідження. — Ми фактично придумали спосіб, який змушує бактерії виробляти більше потрібного нам матеріалу.» Зазвичай мікроорганізми неохоче витрачають свої ресурси на синтез чужорідних молекул. Але дослідники знайшли спосіб змусити їх це робити. Пов’язавши життя з виробництвом пігменту Вони створили генетично модифіковану «хвору» клітину, яка могла вижити лише за умови виробництва як потрібного пігменту, так і форміатової кислоти. Для кожної молекули пігменту створювалася молекула кислоти, яка, своєю чергою, давала бактеріям енергію для росту. Так виник самопідтримуваний цикл, що стимулював виробництво пігменту. «Якщо організм не виробляє ксантоматин — він не росте», — пояснила Бушін. Коли біоінженерія зустрічається з еволюцією Щоб ще більше посилити продуктивність бактерій, команда використала роботизовану еволюцію. За допомогою автоматизованих систем вони провели два цикли адаптивної лабораторної еволюції, виявивши генетичні варіанти, які суттєво підвищили ефективність виробництва. Рекордне виробництво пігменту Попередні методи давали лише близько 5 мг пігменту на літр. Новий підхід збільшив це значення до 1–3 грамів на літр — у тисячу разів більше. «Коли я побачила результат наступного ранку, я була у захваті, — згадує Бушін. — Такі моменти й надихають займатися наукою.» Виробництво майбутнього Мур вважає, що цей природоорієнтований метод може змінити біохімічну індустрію: «Ми перевернули уявлення про те, як потрібно інженерити клітину. Наш підхід дав величезний стрибок у продуктивності.» Від камуфляжу до косметики Матеріалом уже цікавляться в оборонній сфері та косметичній індустрії. Військові бачать у ньому засіб для створення систем камуфляжу, а виробники косметики — можливість створити екологічні сонцезахисні засоби. Також пігмент може бути використаний у розумних покриттях, фарбах, що змінюють колір, та екологічних сенсорах. «Наш синтетичний спосіб життя потребує нових матеріалів, і ми щойно відкрили новий шлях до таких рішень», — підсумував Мур.